Pochi giorni fa, un Master of Arts, ancora giovane e quindi destinatario di un'educazione moderna, mi ha dichiarato che fino all'età di vent'anni non gli era mai stato insegnato nulla riguardante i fenomeni naturali o le leggi naturali. Dodici anni della sua vita precedente erano stati trascorsi esclusivamente tra gli antichi. Il caso, mi dispiace dire, è tipico. Ora non possiamo, senza danno per l'umanità, separare il presente dal passato.
John Tyndall era un prominente fisico irlandese del XIX secolo. La sua fama scientifica iniziale sorse negli anni 1850 dal suo studio del diamagnetismo. Successivamente fece scoperte nel campo della radiazione infrarossa e delle proprietà fisiche dell'aria, provando nel 1859 la connessione tra la CO2 atmosferica e quello che oggi è noto come effetto serra.
Tyndall pubblicò anche più di una dozzina di libri scientifici che portarono la fisica sperimentale all'avanguardia del XIX secolo a un vasto pubblico. Dal 1853 al 1887 fu professore di fisica alla Royal Institution of Great Britain a Londra.
Primi anni ed educazione
Tyndall nacque a Leighlinbridge, County Carlow, Irlanda. Suo padre era un costabile della polizia locale, discendente da emigranti del Gloucestershire che si erano insediati nell'Irlanda sudorientale intorno al 1670. Tyndall frequentò le scuole locali Ballinabranna Primary School nel County Carlow fino alla fine dell'adolescenza, e probabilmente fu un insegnante assistente verso la fine del suo periodo lì. I soggetti insegnati a scuola includevano notevolmente il disegno tecnico e la matematica con alcune applicazioni di questi soggetti al rilevamento topografico. Fu assunto come disegnatore dall'Ordnance Survey dell'Irlanda alla fine dell'adolescenza nel 1839, e si trasferì a lavorare per l'Ordnance Survey della Gran Bretagna nel 1842. Nel decennio degli anni 1840, era in corso un boom di costruzione ferroviaria, e l'esperienza di rilevamento topografico di Tyndall era preziosa e molto richiesta dalle società ferroviarie. Tra il 1844 e il 1847, fu impiegato in modo lucrativo nella pianificazione della costruzione ferroviaria.
Nel 1847 Tyndall scelse di diventare insegnante di matematica e rilevamento topografico al Queenwood College, una scuola internazionale nell'Hampshire. Ricordando questa decisione in seguito, scrisse: "il desiderio di crescere intellettualmente non mi ha abbandonato; e, quando il lavoro ferroviario rallentò, ho accettato nel 1847 un posto di insegnante al Queenwood College." Un altro giovane insegnante appena arrivato al Queenwood era Edward Frankland, che aveva precedentemente lavorato come assistente di laboratorio chimico per il British Geological Survey. Frankland e Tyndall divennero buoni amici. In base alle conoscenze precedenti di Frankland, decisero di andare in Germania per approfondire la loro educazione scientifica. Tra le altre cose, Frankland sapeva che certe università tedesche erano più avanzate di qualsiasi altra in Gran Bretagna nella chimica sperimentale e nella fisica. Le università britanniche erano ancora focalizzate sui classici e sulla matematica e non sulla scienza di laboratorio. La coppia si trasferì in Germania nell'estate del 1848 e si iscrisse all'Università di Marburgo, attratta dalla reputazione di Robert Bunsen come insegnante. Tyndall studiò sotto Bunsen per due anni. Forse ancora più influente per Tyndall a Marburgo fu il Professor Hermann Knoblauch, con il quale Tyndall mantenne comunicazioni per lettera per molti anni dopo. La dissertazione di Tyndall a Marburgo era un'analisi matematica delle superfici di vite nel 1850 sotto Friedrich Ludwig Stegmann. Tyndall rimase in Germania per un altro anno facendo ricerche sul magnetismo con Knoblauch, inclusa una visita di alcuni mesi al laboratorio di Berlino del principale insegnante di Knoblauch, Heinrich Gustav Magnus. È chiaro oggi che Bunsen e Magnus erano tra i migliori insegnanti di scienza sperimentale dell'era. Così, quando Tyndall tornò a vivere in Inghilterra nell'estate del 1851, probabilmente aveva un'educazione nella scienza sperimentale buona quanto chiunque altro in Inghilterra.
Primi lavori scientifici
I primi lavori originali di Tyndall in fisica furono i suoi esperimenti sul magnetismo e la polarità diamagnetica, su cui lavorò dal 1850 al 1856. I suoi due rapporti più influenti furono i primi due, co-autori con Knoblauch. Uno di essi era intitolato "The magneto-optic properties of crystals, and the relation of magnetism and diamagnetism to molecular arrangement", datato maggio 1850. I due descrissero un esperimento ispirato, con un'interpretazione ispirata. Questi e altri studi magnetici molto presto resero Tyndall noto tra i principali scienziati dell'epoca. Fu eletto Fellow della Royal Society nel 1852. Nella sua ricerca di un incarico di ricerca appropriato, fu in grado di chiedere al curatore di lunga data della principale rivista di fisica tedesca Poggendorff e ad altri uomini importanti di scrivere testimonianze a suo favore. Nel 1853, ottenne il prestigioso incarico di Professor of Natural Philosophy Physics alla Royal Institution a Londra, in gran parte grazie alla stima che il suo lavoro aveva ottenuto da Michael Faraday, il leader delle indagini magnetiche alla Royal Institution. Circa un decennio dopo Tyndall fu nominato successore alle posizioni tenute da Michael Faraday alla Royal Institution al ritiro di Faraday.
Alpinismo e glaciologia alpina
Tyndall visitò le montagne delle Alpi nel 1856 per motivi scientifici e finì per diventare un pioniere dell'alpinismo. Visitò le Alpi quasi ogni estate dal 1856 in poi, era un membro del primo team di arrampicata in montagna a raggiungere la vetta del Weisshorn nel 1861, e guida di uno dei primi team a raggiungere la vetta del Matterhorn nel 1868. È uno dei nomi associati all'"Età d'oro dell'alpinismo" - gli anni della metà dell'era vittoriana quando i picchi alpini più difficili furono scalati per la prima volta.
Nelle Alpi, Tyndall studiò i ghiacciai, e in particolare il movimento glaciale. La sua spiegazione del flusso glaciale lo portò in disputa con altri, in particolare James David Forbes. Gran parte dei primi lavori scientifici sul movimento glaciale era stata fatta da Forbes, ma Forbes in quel momento non conosceva il fenomeno della ricongellazione che fu scoperto poco dopo da Michael Faraday. La ricongellazione ha giocato un ruolo chiave nella spiegazione di Tyndall. Forbes non vedeva la ricongellazione nello stesso modo. Complicando il loro dibattito, un disaccordo sorto pubblicamente su chi meritasse di ottenere il credito dell'investigatore per cosa. Amici articolati di Forbes, così come Forbes stesso, pensavano che Forbes avrebbe dovuto ottenere il credito per la maggior parte della buona scienza, mentre Tyndall pensava che il credito dovrebbe essere distribuito più ampiamente. Tyndall commentò: "L'idea del moto semi-fluido appartiene interamente a Louis Rendu; la prova del flusso centrale più veloce appartiene in parte a Rendu, ma quasi interamente a Louis Agassiz e Forbes; la prova del ritardo del fondo appartiene a Forbes da solo; mentre la scoperta del luogo del punto di movimento massimo appartiene, suppongo, a me." Quando Forbes e Tyndall erano nella tomba, il loro disaccordo fu continuato dai loro rispettivi biografi ufficiali. Tutti hanno cercato di essere ragionevoli, ma l'accordo non è stato raggiunto. Più deludentemente, gli aspetti del movimento glaciale rimasero non compresi o non provati.
Il Tyndall Glacier situato in Cile e il Tyndall Glacier in Colorado furono nominati in onore di John Tyndall, così come Mount Tyndall in California e Mount Tyndall in Tasmania.
Principale lavoro scientifico
Il lavoro sui ghiacciai ha allertato Tyndall sulla ricerca di de Saussure sull'effetto riscaldante della luce solare, e il concetto di Fourier, sviluppato da Pouillet e William Hopkins; che il calore dal sole penetra nell'atmosfera più facilmente della "radiazione terrestre" infrarossa "oscura" della Terra riscaldata, causando quello che oggi chiamiamo effetto serra. Nella primavera del 1859 Tyndall iniziò la ricerca su come la radiazione termica, sia visibile che oscura, colpisca i diversi gas e aerosol. Sviluppò la spettroscopia a assorbimento differenziale utilizzando la pila termopile elettromagnetica ideata da Melloni. Tyndall iniziò intensi esperimenti il 9 maggio 1859, inizialmente senza risultati significativi, poi migliorò la sensibilità dell'apparato e il 18 maggio scrisse nel suo diario "Esperimentato tutto il giorno; il soggetto è completamente nelle mie mani!" Il 26 maggio presentò alla Royal Society una nota che descriveva i suoi metodi, e affermò "Con l'eccezione della celebre memoria di M. Pouillet sulla radiazione solare attraverso l'atmosfera, nulla, per quanto ne sono a conoscenza, è stato pubblicato sulla trasmissione del calore radiante attraverso corpi gassosi. Non sappiamo nulla dell'effetto anche dell'aria sul calore irradiato da fonti terrestri."
Il 10 giugno ha dimostrato la ricerca in una conferenza della Royal Society, notando che il gas di carbone e l'etere assorbivano fortemente il calore radiante infrarosso, e la sua conferma sperimentale del concetto di effetto serra; che il calore solare attraversa un'atmosfera, ma "quando il calore è assorbito dal pianeta, viene cambiato di qualità in modo tale che i raggi emananti dal pianeta non possono tornare nello spazio con la stessa libertà. Così l'atmosfera ammette l'ingresso del calore solare; ma ne frena l'uscita, e il risultato è una tendenza ad accumulare calore sulla superficie del pianeta."
Gli studi di Tyndall sull'azione dell'energia radiante sui costituenti dell'aria lo portarono su diverse linee di indagine, e i suoi risultati di ricerca originali includevano quanto segue:
- Tyndall spiegò il calore nell'atmosfera terrestre in termini della capacità dei vari gas nell'aria di assorbire il calore radiante, sotto forma di radiazione infrarossa. Il suo dispositivo di misurazione, che utilizzava la tecnologia della termopila, è un punto di riferimento iniziale nella storia della spettroscopia di assorbimento dei gas. È stato il primo a misurare correttamente le potenze assorbitive infrarosse relative dei gas azoto, ossigeno, vapore acqueo, anidride carbonica, ozono, metano e altri gas traccia e vapori. Ha concluso che il vapore acqueo è l'assorbitore più forte di calore radiante nell'atmosfera ed è il gas principale che controlla la temperatura dell'aria. L'assorbimento degli altri gas non è trascurabile ma relativamente piccolo. Prima di Tyndall era ampiamente ipotizzato che l'atmosfera terrestre riscaldasse la superficie in quello che fu successivamente chiamato effetto serra, ma fu il primo a provarlo. La prova era che il vapore acqueo assorbiva fortemente la radiazione infrarossa. Correlato, Tyndall nel 1860 fu il primo a dimostrare e quantificare che i gas visivamente trasparenti sono emettitori infrarossi.
- Ha ideato dimostrazioni che hanno fatto avanzare la questione di come il calore radiante sia assorbito ed emesso a livello molecolare. Sembra essere la prima persona ad aver dimostrato sperimentalmente che l'emissione di calore nelle reazioni chimiche ha la sua origine fisica all'interno delle molecole appena create nel 1864. Ha prodotto dimostrazioni istruttive che coinvolgono la conversione incandescente dell'infrarosso in luce visibile a livello molecolare, che ha chiamato calorescence nel 1865, in cui ha utilizzato materiali che sono trasparenti all'infrarosso e opachi alla luce visibile o viceversa. Di solito si riferiva all'infrarosso come "calore radiante", e talvolta come "ondulazioni ultra-rosse", poiché la parola "infrarosso" non iniziò a entrare in uso fino agli anni 1880. I suoi principali rapporti degli anni 1860 furono ripubblicati come una raccolta di 450 pagine nel 1872 con il titolo Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat.
- Nelle indagini sul calore radiante nell'aria era stato necessario utilizzare aria da cui erano state rimosse tutte le tracce di polvere fluttuante e altre particelle. Un modo molto sensibile per rilevare particelle è immergere l'aria con luce intensa. La dispersione della luce da impurità particolate nell'aria e altri gas, e nei liquidi, è conosciuta oggi come Tyndall Effect o Tyndall Scattering. Nello studio di questa dispersione alla fine degli anni 1860 Tyndall era un beneficiario dei recenti miglioramenti nelle luci alimentate elettricamente. Aveva anche l'uso di buoni concentratori di luce. Ha sviluppato il nefelometro e strumenti simili che mostrano le proprietà degli aerosol e dei colloidi attraverso fasci di luce concentrata su uno sfondo scuro e si basano sullo sfruttamento dell'Effetto Tyndall. Se combinato con microscopi, il risultato è l'ultramicroscopio, che è stato sviluppato successivamente da altri.
- È stato il primo a osservare e segnalare il fenomeno della termofobesi negli aerosol. L'ha individuato intorno a oggetti caldi mentre indagava sull'Effetto Tyndall con fasci di luce focalizzati in una stanza buia. Ha ideato un modo migliore per dimostrarlo, e poi semplicemente lo ha segnalato nel 1870, senza indagare la fisica di esso in profondità.
- In esperimenti sul calore radiante che richiedevano molta esperienza di laboratorio nei primi anni 1860, ha mostrato per una varietà di liquidi facilmente vaporizzabili che, molecola per molecola, la forma di vapore e la forma liquida hanno essenzialmente lo stesso potere di assorbire il calore radiante. In esperimenti moderni utilizzando spettri a banda stretta, sono state trovate alcune piccole differenze che l'apparato di Tyndall non è stato in grado di rilevare; vedi ad es. spettro di assorbimento di H2O.
- Ha consolidato e migliorato i risultati di Desains, Forbes, Knoblauch e altri dimostrando che le proprietà principali della luce visibile possono essere riprodotte per il calore radiante - vale a dire riflessione, rifrazione, diffrazione, polarizzazione, depolarizzazione, doppia rifrazione e rotazione in un campo magnetico.
