Nýlega þurfti ég að flytja bloggsíðuna mína úr vefkerfi Háskóla Íslands yfir í nýtt lén,raunsaga.is, sem hýst er hjá fyrirtækinu 1984. Við það komu upp tvö vandamál, sem mér hefur ekki enn tekist að leysa að fullu:
(1) Þannig er, að sumar af mínum eldri skrám eru enn geymdar hjá HÍ. Ef smellt er á tengla, þar sem undirliggjandi slóð er https://notendur.hi.is/~einar/skrárnafn, kemur upp viðvörun: Server Error 404: Page Not Found. Þetta geta lesendur höndlað sjálfir ef þörf krefur, allavega enn sem komið er. Það er gert með því að breyta slóðinni í https://einar.hi.is/skráarnafn.
(2) Hitt vandamálið er öllu snúnara. Þá birtast ekki vissar myndir í eldri færslum og aðrar virðast hafa misst skerpu. Myndirnar eru reyndar allar til staðar í gagnasafni 1984, en við fluttninginn frá HÍ hefur eitthvað farið úrskeiðis hvað sumar slóðir varðar. Ég er hægt og rólega að vinna í því að laga þetta, en kann ekki aðra aðferð en þá, að leita sjálfur að slíkum stöðum í færslunum og setja inn eina og eina mynd í einu. Ég biðst afsökunar á vandræðum sem þetta kann að valda lesendum.
Að lokum minni ég á, að allar athugasemdir varðandi villur og/eða efnistök í bloggfærslum mínum eru vel þegnar.
Mynd IIh:Táknræn mynd af hinum merka gríska stjörnufræðingi Hipparkosi í athugunarstöð sinni í Alexandríu. Hann mun hafa notað aðfengnar upplýsingar um tvær mismunandi mælingar á sama sólmyrkvanum til að ákvarða fjarlægðina til tungls og sólar. Fræðimenn telja að almyrkvinn sem um ræðir hafi sennilega orðið 14. mars árið 190 f.Kr (þ.e. árið -189). Sjá: (1) L.V. Morrison, F.R. Stephenson & C.Y. Hohenkerk, 2019: On the Eclipse of Hipparchus. – (2) G.J. Toomer, 1974: Hipparchus on the Distances of the Sun and Moon.
Mynd IIj:Teikning úr stórvirkinu Almagest eftir gríska stjörnufræðinginn Ptólemaíos frá seinni hluta annarrar aldar. Til vinstri er hluti af lýsingu og útreiknungum á tímalengd tunglmyrkva í grískri útgáfu J.L. Heibergs af verkinu (1898, bls. 509 í fyrri hluta). Til hægri er svo skýringarmynd G.J. Toomers við enska þýðingu sína (1984) á reikningunum, bls. 300. Stóri hringurinn afmarkar skugga jarðar og horft er út eftir skuggaásnum A. Tunglið hreyfist frá B til Z eftir braut, sem myndar u.þ.b. 5o horn við sólbrautina (ath. að sólin er ekki sýnd á teikningunni). Sjá einnig: Shah, J., 2018: Accuracy of Ptolemy’s Almagest in predicting solar eclipses.
Mynd IIl:Ein af myndunum í handritinu, Skýringar við Opinberunarbókina, eftir Beatus frá Liébana, frá því um 1100. Dökka skífan vinstra megin táknar almyrkva á sólu, en sú rauða til hægri táknar almyrkva á tungli. Textinn á milli skífanna er “hic sol obscurabitur et luna in sanguine versa est” (og sólin var hulin og tunglið varð að blóði). Mynd: British Library (Add. MS 11695, f108r). Sjá einnig: S. Guillet & félagar, 2023: Lunar eclipses illuminate timing and climate impact of medieval volcanism.
Mynd IIn: Myndin sýnir opnu úr einu af fjölmörgum handritum sem til eru af Tractatus de sphaera / De sphaera mundi eftir Sacrobosco. Þetta handrit (LJS 26, Fols. 28v-29r) er frá miðri þrettándu öld og sýnir tunglmykva (til vinstri) og sólmyrkva (til hægri). Þessi vinsælasta evrópska stjörnufræði-kennslubók allra tíma var fyrst prentuð árið 1472, um 240 árum eftir að Sacrobosco skrifaði fyrsta handritið að verkinu. Sjá einnig: R. Oosterhoff, 2015: A Book, a Pen, and the Sphere: Reading Sacrobosco in the Renaissance.
Mynd IIp: Í hinu mikla verki sínu De revolutionibus orbium coelestium frá 1543 bætti N. Kóperníkus litlu sem engu við þá stærðfræðilegu umfjöllun um sól- og tunglmyrkva sem finna má hjá Ptólemaíosi í Almagest (sjá mynd IIj hér að framan). Hins vegar þurfti hann að nota nýjusu gildi fyrir hinar ýmsu mælistærðir sem nauðsynlegar eru í myrkvareikningum. Vitað er að hann fylgdist með sólmyrkvum árin 1530, 1536, 1540 og 1541 og talið er að við mælingarnar hafi hann notast við myrkvaðan kassa með örlitlu gati. Niðurstöðurnar færði hann inn í almanak J. Stöfflers frá 1518, Calendarium Romanum magnum. Myndin er af opnu úr því verki og sýnir m.a. upplýsingar um sólmyrkvana 1540 og 1541. Sjá einnig: (1) J. Wlodarczyk, 2007: Solar Eclipse Observations in the Time of Copernicus: Tradition or Novelty? – (2) J. Stöffler, 1514: Calendarium Romanum magnum.
Maðurinn hefur fylgst með sól- og tunglmyrkvum frá örófi alda, en það munu hafa verið hinir fornu Babýlóníumenn sem fyrstir tóku að halda skrár yfir slík fyrirbæri og nota þær til að spá fyrir um ókomna myrkva. Eftir að Grikkir höfðu fært jarðmiðjukenninguna í stærðfræðilegan búning urðu myrkvaspár til muna nákvæmari en áður. Í fyrstu breyttust reikniaðferðir lítið sem ekkert með sólmiðjukenningunni, en í kringum 1600 urðu bæði stjörnuathuganir og stjarnfræðilegir reikningar þó nákvæmari, þökk sé þeim Tycho Brahe og Kepler.
Það var ekki fyrr en með aflfræði Newtons og þyngdarlögmáli hans frá 1687, sem hægt var fyrir alvöru að leggja grunninn að öllu nákvæmari myrkvaspám en áður. Sá fyrsti sem það gerði var Englendingurinn E. Halley. Í kjölfarið fluttist frumkvæðið yfir til meginlands Evrópu, þar sem myrkvafræðin varð hluti mun viðameiri fræðigreinar, hinnar svokölluðu aflfræði himintungla. Þar komu aðallega við sögu menn eins og L. Euler, A. Clairaut, J.R. d’Alembert, J.-L. Lagrange og P.-S. Laplace.
Hér eru nokkrar alþýðlegar yfirlitsgreinar um myrkva og sögu þeirra fram til okkar daga:
Mynd IIIa:Myndræn lýsing á 136. myrkvaöldinni. Gulu ferlarnir sýna slóðir viðkomandi almyrkva. Sjá nánari skýringar hjá F. Espenak: Eclipses and the Saros, þaðan sem myndin er fengin að láni. Þar koma fyrir hugtök sem kunna að vera sumum ótöm, svo sem synodic month (tunglmánuður), anomalistic month (tunglbrautarmánuður) og draconic month (hnútamánuður).
.
IV. Undirstöður myrkvafræðinnar
Til að undirbúa áhugasama lesendur fyrir lestur tæknilegra heimilda er rétt að byrja á því að gefa einfalda lýsingu á eftirfarandi: Annars vegar því hvernig kerfið jörð, tungl og sól lítur út „í raun og veru “ og hins vegar hvernig „við sjáum kerfið“ héðan frá jörðinni.
Himinkúlan, jörð, tungl og sól
Við lifum á yfirborði hnattar, sem er nálægt því að vera eins og kúla í laginu. Umhverfis okkur er hinn þrívíði himingeimur, fullur af fyrirbærum, eins og mána, sól, reikistjörnum og tunglum þeirra, fjarlægum sólstjörnum (fastastjörnum), fjarreikistjörnum, kulstjörnum, svartholum, stjörnuþyrpingum, geimþokum og öðrum vetrarbrautum.
Þegar við lítum upp sjáum við aðeins örlítinn hluta allra þessara fyrirbæra, þau björtustu. Fyrir utan sólina og tunglið birtast þau okkur aðeins að næturlagi (og við almyrkva á sólu) og þá sem örlitlir ljósdeplar, sem vegna mikilla fjarlægða virðast allir liggja á yfirborði kúlu sem hvelfist allt í kringum okkur og hefur miðju í jarðarmiðju. Þessi ímyndaða kúla er kölluð himinkúlan og er sýnd til vinstri á mynd IVa. Kúlan ákvarðast af innbyrðis afstöðu fastastjörnudeplanna, en geisli hennar er ekki skilgreindur, að öðru leyti en því, að hann er miklu lengri en jarðgeislinn.
Sem kunnugt er hreyfast sól, tungl og reikistjörnur miðað við fastastjörnurnar. Á einu ári ferðast sólin einn hring á himinkúlunni. Brautin kallast sólbaugur og til hægri á mynd IVa er hann sýndur sem rauður stórhringur (er umlykur gula svæðið). Ástæðan fyrir þessu ferðalagi sólar á himinkúlunni er einfaldlega sú, að jörðin gengur einn hring í kringum sólina á hverju ári, eins og sýnt er á mynd IVb.
Fastastjörnurnar eru svo langt í burtu, að á einum mannsaldri er ekki hægt að greina hjá þeim neina innbyrðis hreyfingu með berum augum. Samkvæmt seinni tíma skilningi telst himinkúlan því kyrrstæð. Hins vegar snýst jörðin um möndul sinn frá vestri til austurs, eina umferð á sólarhring. Athuganda á yfirborðinu virðist hann hins vegar standa föstum fótum á kyrrstæðri jörð og þegar hann lítur upp sér hann himinkúluna snúast frá austri til vesturs, einn hring á sólarhring. Snúningsás kúlunnar, himinásinn, er hinn sami og möndull jarðar.
Að auki hallar jarðmöndullinn og þar með himinásinn um 23,5o miðað við línu, sem er hornrétt á jarðbrautarsléttuna (sjá mynd IVb). Það gerir það að verkum, að miðbaugur jarðar hallar um jafnstórt horn miðað við jarðbrautarsléttuna. Á himinkúlunni kemur það þannig fram að miðbaugur himins sker sólbauginn undir 23,5o horni (sjá mynd IVa).
Mynd IVa:Til vinstri: Kyrrstæð himinkúlan (celestial sphere) umlykur jörðina, sem snýst um möndul sinn. Kúlurnar eru sammiðja. Blái stórhringurinn er miðbaugur himins (celestial equator) og liggur í sömu sléttu og miðbaugur jarðar. Norður er upp. Þar með liggur norðurpóll himins (north celestial pole) yfir norðurpól jarðar og hliðstætt gildir um suðurpólana. – Til hægri: Nákvæmari mynd af himinkúlunni: Blái stórhringurinn (sem umlykur bláa svæðið) er miðbaugur himins. Himinásinn og pólar himinkúlunnar eru einnig sýndir. Rauði stórhringurinn, sem afmarkar gula svæðið, er sólbaugurinn (ecliptic). Hann er brautin sem sólin ferðast eftir meðal fastastjarnanna á himinkúlunni á einu ári. Sólbaugsásinn liggur hornrétt á sólbaugssléttuna og sker himinkúluna í tveimur gagnstæðum punktum, norður og suður sólbaugspólunum (ecliptic poles). Hornið milli himinássins og sólbaugsássins (og þar með milli miðbaugssléttunnar og sólbaugssléttunar) er um 23,5o. – Báðar teikningarnar eru fengnar að láni hjá Wikipedíu.
Mynd IVb:Hin raunverulega braut jarðar um sólu er því sem næst fullkominn sporbaugur; hér sýndur með kyrrstæða sól í öðrum brennipunktinum. Eins og sést á myndinni hallar möndull jarðar miðað við línu sem gengur þvert á jarðbrautarsléttuna. Hallinn er um 23,5o. Á himinkúlumyndinni IVa (hægra megin) má svo sjá hvernig hann veldur því að sólbaugurinn, sem endurspeglar jarðbrautina, myndar 23,5o horn við miðbaug himins. Hallinn veldur því að sólin kemst misjafnlega hátt á himininn á mismunandi árstímum, sem aftur er orsök árstíðanna. Hún er hæst á lofti á norðurhveli við sumarsólstöður (summer solstics) en lægst við vetrarsólstöður (winter solstice). Tvisvar á ári er sólin beint yfir miðbaug jarðar. Í öðru tilvikinu er hún í vorpunkti (vernal equinox ) og þá eru jafndægur að vori. Í hitt skiptið er hún í haustpunkti (autumnal equinox) og þá eru jafndægur að hausti. Línan sem tengir þessa tvo punkta saman (sjá einnig mynd IVa) er skurðlína sólbaugsléttunnar og miðbaugssléttunnar. Slíkar skurðlínur eru almennt kallaðar hnútalínur og endapunktarnir hnútar. Pólvelta jarðar veldur því að hnútalínan snýst um sólbaugsásinn, einn hring á u.þ.b. 26000 árum. – Sjá einnig eftirfarandi greinar eftir Þorstein Sæmundsson: (1) Þ.S., 1981: Sólstöður eða sólhvörf?, (2) Þ.S., 2013: Jafndægur og sólstöður, (3) Þ.S., 2018: Um árstíðir og sólargang.
Mynd IVc:Brautir flestra reikistjarnanna eru mjög nálægt því að liggja í jarðbrautarsléttunni. Myndin sýnir brautarhalla þeirra allra, miðað við sléttuna. Mesti hallinn er á braut Merkúríusar, í kringum 7o. Athugið að stærðir hnattanna og fjarlægðir eru ekki í réttum hlutföllum. Myndin er fengin að láni af Star Walk 2 síðunni What Is the Ecliptic: The Sun’s Path In the Sky. Eins og sjá má á næstu mynd er halli brautarsléttu tunglsins, fylgihnattar jarðarinnar, um 5o miðað við jarðbrautarsléttuna. Það þýðir að tunglið og reikistjörnurnar eru ávallt nálægt sólbaugnum á himinkúlunni og yfirráðasvæði þeirra þar myndar tiltölulega mjóa ræmu umhverfis sólbauginn. Það er hinn svokallaði dýrahringur (zodiac; sjá einnig hér).
Mynd IVd:Til vinstri: Braut tunglsins um jörðina (hvít að lit). Fjarlæg sólin gægist fram hjá jörðinni og rauða línan sem gengur í gegnum hana táknar jarðbrautarsléttuna (ecliptic plane) sem liggur þvert á myndflötinn. Tunglbrautin gerir um 5o horn við þá sléttu. Vegna sjávarfallakrafta snýr tunglið ávallt sömu hlið að jörðu. Gagnkvæm áhrif tungls á jörðina valda því að sólarhringurinn lengist smám saman. Jafnframt fjarlægist tunglið jörðina hægt og rólega. – Til hægri: Myndin sýnir meðal annars tunglbauginn (Path of Moon) og sólbauginn á himinkúlunni. Hnútalína (skurðlína) tunglbrautarsléttunnar og jarðbrautarsléttunnar er línan sem tengir hnútana N1 og N2. Hún snýst einn hring á 18,6 árum vegtna pólveltu tunglsins um línu hornrétt á tunglbrautarsléttuna (möndulhallinn er um 1,5o). Báðar teikningarnar eru fengnar að láni hjá Wikipedíu.
Mynd IVe:Efri teikningin (með gulan bakgrunn) sýnir hluta af raunverulegum brautum jarðar (græna slóðin) og tungls (svarta slóðin) miðað við kyrrstæða sól yfir 13 daga tímabil. Takið eftir því að tunglbrautin hvelfist alls staðar frá sólu. Hlutföllin í stærðum jarðar og tungls sem og fjarlægðarinnar milli þeirra eru hins vegar ekki rétt. Hin raunverulegu stærðarhlutföll eru sýnd á neðri myndinni. Teikningar: Wikipedía.
Til að gefa upp stöðu stjarna á himinkúlunni er auðveldast að þekja hana með tvívíðu hnitaneti, líkt og gert er með hnitanetinu á yfirborði jarðar, sem ákvarðar lengd og breidd staða. Í stjörnufræði eru til nokkur slík hnitakerfi, sem fjallað er um í flestum kennslubókum í stjörnufræði, allavega á hærri skólastigum. Hér er einnig stutt yfirlit:
Íslensku heitin á hugtökunum sem rædd eru í Wikipedíugreininni má finna með því að leita til Íðorðabanka Árnastofnunar. Áhugamönnum um vísindasögu er jafnframt bent á greinina:
Til að skilja betur eiginleika himinkúlunnar var snemma farið að búa til svokallaða baugahnetti og einnig himinhnettina, sem flestir kannast við. Þeir síðarnefndu sýna stjörnuhimininn, oft með stjörnumerkjunum, og þóttu lengi mikið stofustáss og gera kannski enn. Flest slík hnattlíkön, sem ég hef séð, eru byggð á miðbaugshnitum (stjörnubreydd (δ) og stjörnulengd (α)) og snúast um himinásinn, sem er látinn hallast miðað við lóðlínu. Þá má ekki gleyma að nefna flötu stjörnukortin, sem einnig eru byggð á miðbaugshnitum.
Mynd IVf:Himinhnöttur Tychos Brahe (Globus magnus). Hann var um 1,6 metrar að þvermáli. Hnötturinn var máluð trékúla á viðarstandi með hringlaga mælikvarða úr látúni. Norðurpóll himins er táknaður með I á myndinni og suðurpóllinn með K. Á hnöttinn munu hafa verðið merktar staðsetningar flestra ef ekki allra þeirra fastastjarna sem er að finna í hinni þekktu stjörnuskrá Brahes. – Þessi kjörgripur brann til kaldra kola í Kaupmannahafnarbrunanum mikla árið 1728. Myndin er úr bók Brahes, Astronomia instautae mechanica frá 1598, bls. 62. Sjá einnig teikningar af baugahnöttum hans á síðum 38-42.
Hér er að lokum listi yfir nokkrar kennslubækur í störnufræði himinkúlunnar (stundum kölluð stjarnmælingafræði) þar sem hægt er að kafa dýpra í efnið.
R.M. Green, 1985: Spherical Astronomy. Fjallar er um myrkvareikninga á síðum 439-464.
.
Aflfræði himintungla, þriggja hnatta vandamálið og hreyfing tunglsins
Ég hef áður fjallað um hina miklu fræðigrein aflfræði himintugla, sem hluta af fyrri færslum. Þeim sem vilja kynna sér almennt yfirlit um sviðið er því bent á þær hér, sem og heimildirnar sem þar eru nefndar:
Til þess að fá fulla yfirsýn yfir myrkvafræðina er mikilvægt að gera sér grein fyrir því, að það ber fyrst og fremst að líta á hana sem hluta af hinu þekkta, en jafnframt flókna, þriggja hnatta vandamáli (m.a. rætt í fyrrnefndum færslum). Kerfið sem hér um ræðir og við höfum þegar skoðað samanstendur af sólinni, jörðinni og tunglinu. Í þessu tilviki er kerfið þó ekki algerlega einangrað, því það verður fyrir þyngdartruflunum frá reikistjörnunum, ekki síst Júpíter og Venusi. Hvernig tekið er tillit til slíkra truflana er rætt í næsta kafla.
En það eru einnig önnur atriði sem taka þarf tillit til. Jafnvel þótt kerfið sól-jörð-tungl væri fullkomlega einangrað frá ytri áhrifum, er ekki um punktagnir að ræða, heldur stóra hnetti sem snúast um eiginn möndul. Snúningurinn veldur því að hnettirnir eru nær því að vera sporvölur en kúlur. Snúningsásarnir hafa líka hver sína stefnu og velta jafnframt og riða í rás tímans. Þá er braut tungls um jörðu ekki í sömu sléttu og braut jarðar um sólu. Allt þetta hefur sín áhrif á myrkvareikninga, sem krefjast þess að hægt sé að ákvarða stöðu og stellingu allra þriggja hnattanna sem fall af tíma með sem mestri nákvæmni.
Af hnöttunum þremur er það tunglið sem valdið hefur hvað mestum vandræðum í gegnum tíðina. Sagan af glímunni við braut þess er bæði löng og flókin og verður ekki rakin hér. Þó er rétt að nefna að bæði Tycho Brahe og Kepler komu þar við sögu og ekki síður Newton, sem á endanum mun hafa látið þau orð falla, að leitin að skýringum á hreyfingum tunglsins væri eina verkefnið, sem hefði valdið honum höfuðverkjum.
Að lokum eru hér tenglar á nokkur vönduð rit um aflfræði himintungla:
F.R. Moulton, 1914: An introduction to celestial mechanics (2. útg). Söguyfirlit er að finna í lok flestra kaflanna. Fjallað er um hreyfingu tunglsins (the Lunar Theory) á bls. 337-365.
Markmiðið með þeim reikningum, sem hér verða til umfjöllunar, er að finna hvar og hvenær sól- og tunglmyrkvar verða (eða hafa orðið) og hvernig þeir koma til með að birtast (eða birtust) jarðarbúum. Til að ná því markmiði er nauðsynlegt að hafa sem nákvæmastar upplýsingar um stöðu sólar, jarðar og tungls í sólkerfinu sem fall af tíma.
Mynd IVg:Brautir og skuggar jarðar og tungls. Tunglbrautin hallar u.þ.b. 5o miðað við jarðbrautina. Sjá má að myrkvar eru líklegastir þegar jörð, tungl og sól raða sér upp á því sem næst beina línu í jarðbrautarsléttunni (sjá einnig mynd IVd). Teikning : Wikipedia.
Tökum sem dæmi reikninga, sem hið þekkta bresk-bandaríska grunnalmanak The Astronomical Almanac (AA; sjá einnig hér) byggir á. Reiknimeistarar staðbundinna almanaka víða um heim, til dæmis hér á landi, notast við niðurstöður AA í sínum eigin reikningum um gang himintungla á hvelfingunni, ekki síst sólar og mána.
Að baki AA liggja gífurlega flóknir tölvureikningar, sem framkvæmdir eru á vegum JPL-stofnunar NASA í Kaliforníu. Þar er unnið með hneppi innbyrðis tengdra deildajafna sem til samans geta spáð fyrir um stellingar, staðsetningar og brautir allra hnatta sólkerfisins langt fram í tímann (og einnig langt aftur í tímann, ef þörf krefur). Tekið er tillit til afstæðilegra hrifa þar sem það á við. Viðmiðunarkerfið sem notað er í reikningunum er tregðukerfi í massamiðju sólkerfisins. Það er þekkt undir nafninu ICRS (sjá einnig hér) og tímabreytan er hinn svokallaði almanakstími (TT).
Þess ber að geta að reiknimeistarar JPL hafa hafa aðgang að miklum gagnabanka sem geymir upplýsingar um hegðun hnatta sólkerfisins langt aftur í tímann. Þetta eru einkum mæliniðurstöður frá fjölda athugunarstöðva, bæði á jörðu sem á himni (þar má t.d. finna mælingar Rasmusar Lievog á myrkvum Júpíterstungla, sem framkvæmdar voru í stjörnuturninum í Lambhúsum á síðustu áratugum átjándu aldar). Innistæðurnar í þessum gagnabanka fara stöðugt vaxandi vegna nýrra mælinga. Auk hins sögulega mikilvægis safnsins, felst notagildi þess meðal annars í því, að niðurstöður tölulegu reikninganna hjá JPL eru bornar saman við bankagögnin, til að fá sem nákvæmust gildi fyrir hinar fjölmörgu stærðir og stuðla sem koma fyrir í fyrrnefndu jöfnuhneppi.
Niðurstöður JPL-reikninganna eru settar fram í sérstöku stjörnualmanaki til almennra nota. Það gengur venjulega undir nafninu JPL DE (sjá einnig hér) og er uppfært með reglulegu millibili. Niðurstöðurnar koma að margvíslegu gagni. Sem dæmi má nefna að þær eru notaðar til að ákvarða brautir geimflauga sem senda á til annarra hnatta. Í stjörnufræði eru þær undirstaða hinna gagnlegu upplýsinga sem settar eru fram í AA, meðal annars um stjörnumyrkva, myrkva á tunglum Júpíters og síðast en ekki síst sól- og tunglmyrkva.
Ástæða er til að fara nokkrum orðum um það, hvernig JPL-reikniniðurstöðurnar eru notaðar til að spá fyrir um sólmyrkva og slóðir tunglskuggans á yfirborði jarðar. Svipaðar aðferðir eru notaðar fyrir tunglmyrkva og stjörnumyrkva, svo ekki verður rætt sérstaklega um þau fyrirbæri hér. Áður en lengra er haldið er einnig rétt að minna á, að markmiðið með öllum sólmyrkvareikningum er að fá sem nákvæmastar upplýsingar um hreyfifræðilegt ástand kerfisins sól-jörð-tungl sem fall af tíma. Í dag eru JPL-reikningarnir orðnir svo fullkomnir, að unnt er að segja fyrir um staðsetningar og stellingar sólar, jarðar og tungls í sólkerfinu með millisekúndna nákvæmni yfir áratugi.
Mynd IVh:Myrkvakort AAD af sólmyrkvanum 21. ágúst 2017. Tvöfalda línan sem gengur þvert yfir myndina er slóð almyrkvans. Á afmörkuðum stöðunum í kringum hana sjást hins vegar deildarmyrkvar. Þetta sama kort er að finna á bls. A92 í The Astronomical Almanac for the year 2017. Þar er jafnframt að finna frekari skýringar. Yfirlit um myrkvann er að finna í Wikipedíugreininni Solar eclipse of August 21, 2017.
Til að útbúa sólmyrkvakort eins og það sem sýnt er á mynd IVh, sem og önnur tengd kort, er venjulega aðferðafræðin hjá AA þessi: Byrjað er á því að nálgast viðeigandi gögn í JPL DE stjörnualmanakinu, þau sem tengjast hreyfingarástandi kerfisins sól-jörð-tungl og stellingu hnattanna þriggja. Næsta skref er að varpa þessum tölulegu gögnum með stærðfræðilegum aðferðum frá ICRS-kerfinu í massamiðju sólkerfisins yfir í einstaklega gagnlegt viðmiðunarkerfi í jarðarmiðju, sem hinn merki þýski stjörnufræðingur F.W. Bessel innleiddi á fyrri hluta nítjándu aldar (kerfinu verður lýst nánar hér á eftir). Þar eru JPL gögnin notuð til að reikna út svokallaða Bessell-stuðla, sem síðan er beitt til að ákvarða slóð tunglskuggans á yfirborði jarðar.
Til að taka síðasta skrefið og reikna út slóð skuggans krefst talsverðrar stærðfræðilegrar undirbúningsvinnu. Auðveldast er að gera ráð fyrir kúlulaga jörð sem snýst með jöfnum hornhraða um fastan en hallandi ás. Hægt er að nota betri nálgun, en það kostar mun meiri fyrirhöfn. Meðal annars má taka tillit til þess að jörðin er sporöskjulaga um miðjuna, einnig að snúningshraðinn getur verið örlítið óreglulegur og að hallandi möndullinn bæði veltur og riðar. Enn má gera betur, ef gert er ráð fyrir mishæðum í landslagi, bæði á jörðinni og á tunglinu.
Myrkvaupplýsingarnar sem birtar eru árlega í grunnalmanökum eins og AA byggja fyrst og fremst á notkun Bessell-stuðla. Þær eru meðal annars á formi taflna, sem gefa upp lengd og breidd, bæði fyrir miðpunkt alskuggans á yfirborði jarðar og sérvalda punkta á rönd hans sem fall af heimstíma (UT). Út frá þessum og ýmsum öðrum grunnupplýsingum er hægt að teikna myrkvakortið. Ekki þarf þó lengur að framkvæma alla reikningana í höndunum með aðstoð logrataflna, eins og tíðkaðist á dögum Bessells, því hægt er að nálgast ýmis konar forritapakka til að sjá um vinnuna, ýmist hjá NASA eða öðrum stofnunum sem og einstaklingum. Þótt ýmsir þekktir myrkrafræðingar síðustu áratuga, eins og J. Meeus og F. Espenak, hafi kannski ekki beitt nákvæmlega sömu aðferðum og höfundar AA, studdust þeir allir við stjörnualmanak JPL og aðferð Bessells.
Hið gagnlega viðmiðunarkerfi Bessels er útskýrt á næstu tveimur myndum:
Mynd IVi:Þessa mynd og þá næstu má nota til að átta sig á Bessell viðmiðunarkerfinu. Það er rétthent xyz-hnitakerfi í jarðarmiðju (E) með z-ásinn ávallt samhliða ás skuggakeilu tunglsins (það er beinu línunnar í gegnum miðjur sólar og tungls). xy-sléttan, sem er hornrétt á z-ásinn, er kölluð grunnsléttan (the fundamental plane). x-ásinn er valinn þannig, að hann stefnir á skurðpunkt grunnsléttunnar og miðbaugs. y-ásinn er þá ótvírætt ákvarðaður. Afstæð brautarhreyfing tunglsins miðað við jarðarmiðju veldur því að skugginn hreyfist eftir slóð (x(t), y(t)) í grunnplaninu sem reikna má út á grundvelli JPL-gagnanna. Þegar myndin er skoðuð ber að hafa í huga, að lengdar og stærðarhlutföllinn eru ekki rétt og tunglskugginn er því ekki jafn breiður og hann þar virðist vera. Í raun er hann örmjór miðað við fjarlægðirnar til tungls og sólar. – Myndin er fengin að láni af vefsíðu Ritu Gautschy: Canon of solar eclipses from 2501 BC to 1000 AD.
Mynd IVj:Tekninguna má nota til að skilgreina helstu Bessell-stuðlana. Á henni horfum við á rönd grunnsléttunnar (sjá einnig mynd IVi) hornrétt á x-ásinn, sem stefnir inn í myndina. y-ásinn stefnir til vinstri eftir grunnsléttunni, en z-ásinn upp og hornrétt á hana. Til samræmis við mynd IVi þarf miðpunkur kerfisins, E, að vera til hægri við myndina af sól og tungli og í grunnsléttunni. Myndin sýnir líka röndina á sléttu athuganda á yfirborði jarðar (observer plane). Í reikningum er venjulega gert ráð fyrir að lengdareiningin sé jöfn lengd jarðgeislans. – Í þessari framsetningu eru Bessell-stuðlarnir eftirfarandi: (X ,Y) eru hnit miðju alskuggans í grunnsléttunni, L1 er hálft þvermál hálfskuggans í grunnsléttunni, L2 er hálft þvermál alskuggans í grunnsléttunni, F1 er hornið milli yfirborðs hálfskuggakeilunnar og skuggaássins, F2 er hornið milli yfiborðs alskuggakeilunnar og skuggaássins, D er sjörnubreidd þess punkts á himinkúlunni sem skuggaásinn bendir á og M er tímahorn hans. – Myndin er fengin að láni af vefsíðu Ritu Gautschy: Canon of solar eclipses from 2501 BC to 1000 AD.
Af framansögðu má ljóst vera að Bessell-stuðlarnir eru föll af tíma. Breytilegir stuðlarnir eru ýmist gefnir upp í töfluformi eða með nálgunarformúlum á margliðuformi í tímanum t. Þá nægja venjulega liðir upp að t3 (sjá t.d. hér).
Þegar búið er að reikna út alla Bessell-stuðlana yfir nægjanlega langt tímabil er hægt að nota staðlaðar aðferðir (sjá heimildalistann hér fyrir neðan) eða sérstaka forritapakka til að varpa myndinni af skugganum á grunnsléttunni yfir á jarðaryfirborð sem snýst. Dæmigerða niðurstöðu af slíkum reikningum má sjá á mynd IVh. Hér má sjá annað kort af sama myrkva:
Wikipedia: Besselian elements. Bessel birti fyrstu hugmyndir sínar um aðferðina sem við hann er kennd árið 1824, en ekki á endanlegu formi fyrr en 1842.
Mynd IVm:Spákort E. Halleys um slóðir almyrkvanna 3. maí 1715 og 22. maí 1724 yfir Suður England, og í seinna tilvikinu einnig yfir Suður Írland og Frakkland.
Myrkvatöflur
Myrkvatöflur geta verið margs konar, eins og sjá má á dæmunum hér á eftir. Ákveðin tengund þeirra (yfirleitt kölluð canon á erlendum tungumálum) er yfirgripsmikil og tæmandi skrá um þúsundir sólmyrkva og/eða tunglmyrkva yfir langt tímabil, jafnvel allt frá fornöld til mátulega fjarlægrar framtíðar. Meðal annars eru gefnar ýtarlegar upplýsingar um hvern myrkva fyrir sig, hvar og hvenær hann mun eiga/átti sér stað og hvaðan hann sést/sást. Jafnframt fylgja skránum myrkvakort. Skrár af þessu tagi gagnast mörgum, meðal annars myrkvafræðingum í rannsóknum sínum á hegðun myrkva í rás tímans og sagnfræðilega þenkjandi fræðimönnum sem vilja tímasetja mikilvæga atburði í fjarlægri fortíð.
P.V. Neugebauer, 1929: Astronomische Chronologie. Einfölduð framsetning á flóknu efni. Verkið er einkum ætlað sagnfræðingum til að tímasetja atburði fyrri tíma með hjálp stjörnufræðinnar.
Mælingum Odda á göngu sólar er lýst í Stjǫrnu-Odda tölu. Hana er að finna í handritinu Rím I, § 61-§ 64, en lesa má prentaða útgáfu, bæði í Rímbeglu (1780), bls. 90- 96 og Alfræði íslenzkri II (1914-1916), bls. 48-52. Sjá einnig í þessu sambandi bloggfærsluna,
Gísli Einarsson síðar skólameistari, 1649: Almanak fyrir árið 1650. Árlegt almanak fyrir Kaupmannahöfn á dönsku. Þetta er fyrsta árlega almanakið sem vitað er til að Íslendingur hafi reiknað. Fjallað er um myrkva ársins á síðustu síðunni í kaflanum Prognosticon, sem kemur á eftir almanakinu sjálfu.
Myrkvaspár í almanaki Gísla Einarssonar. Þetta ár urðu tveir tunglmyrkvar og einnig tveir sólmyrkvar (þeir sáust ekki frá Danmörku). Þess má geta að Gísli átti eintak af Snúningum himinhvelanna (1543) eftir Kóperníkus og hefur sennilega haft aðgang að Töflum Rúdólfs (1627) eftir Kepler, sem byggðar eru á mælingum Tychos Brahe. Ekki er ólíklegt að hann hafi notað aðferðir Longomontanusar í Astronomia Danica (1622) við útreikninga á myrkvum.
Íslenskir Hafnarstúdentar, 1684: Almanak fyrir árið 1684. Þýðing úr dönsku á árlegu almanaki fyrir Kaupmannahöfn eftir Bagge Wandel.
Þórður Þorláksson biskup, 1687: Rímtal íslenskt. Eilífðarrím. Með fróðlegu viðbótarefni.
Þórður Þorláksson, 1692: Calendarium Perpetuum – Ævarande Tijmatal. Eilífðarrím. Oftast kallað Þórðarrím. Ríminu fylgir margskonar fróðleikur, m.a. um stjörnufræði.
Verkið fjallar um guðfræðilegt efni úr Gamla testamentinu, nefnilega hvort sólin hafi færst aftur á bak (38. kafli Jesaja, 8. vers) eða staðið kyrr (10. kafli Jósúabókar, 13 vers). Þetta er viðfangsefni sem hefur verið til umræðu meðal fræðimanna öldum saman. Í riti sínu færir Þorleifur rök fyrir því að sólin hafi staðið kyrr og að um kraftaverk hafi verið að ræða.
Því miður hafa ekki varðveist neinar ritsmíðar eftir Eyjólf um stjörnufræði, en hans er þó víða getið. Meðal annars vann hann að sólarrannsóknum í Sívalaturni á seinni hluta sjöunda áratugs átjándu aldar:
Myndrænar upplýsingar um deildarmyrkvann 4. júní 1769 (rúm 40%) í Kaupmannahöfn, skömmu eftir að Venus hafði gengið fyrir sólina. Í bláa sporbaugnum vinstra megin má sjá upphaf myrkvans, sem Eyjólfur Jónsson mældi. Í fjólubláa sporbaugnum hægra megin er sýnd mæling prófessors Christians Horrebow á lokum myrkvans. Til samanburðar er svo sýnt, hvar þvergöngu Venusar lauk fimm tímum fyrr (rauði hringurinn). Þarna má einnig sjá fjölda sólbletta. Myndin er úr meistararitgerð C.S. Jörgensens (bls. 95).
Lievog var norskur en bjó og starfaði á Íslandi í aldarfjórðung (1779-1805) og er því talinn með hér. Sjá eftirfarandi bloggfærslur um hann og verk hans:
Tvær síður úr stjarnmælingabók Rasmusar Lievogs stjörnumeistara frá vorinu 1791. Teikningin efst til hægri sýnir hringmyrkva á sólu, sem stjörnumeistarinn fylgdist með frá Lambhúsastöðinni 3. apríl það ár. Þar fyrir neðan er mynd af stöðu sólbletta skömmu fyrir myrkvann. Teikningarnar til vinstri sýna sólblettina daginn áður, eins og þeir birtust í tveimur mismunandi sjónaukum. Myndin er úr greininni Rasmus Lievog og stjörnuathuganirnar í Lambhúsum, frá 2018.
Mynd úr bókinni Entretiens sur la pluralité des mondes (1686) eftir B. de Fontenelle lýsir fræðsluhugsjónum upplýsingarinnar á táknrænan hátt. Sem kunnugt er, var Magnús Stephensen einn fremsti fulltrúi þeirrar stefnu hér á landi
Útgáfa hins árlega Íslandsalmanaks (síðar Almanaks Háskólans) hófst árið 1837. Danskir stjörnufræðingar reiknuðu það í fyrstu, eða allt til ársins1922, þegar íslenskir raunvísindamenn tóku við. Sjá nánar í lok þessarar færslu.
Teikningin á að sýna tunglið í jarðskini. Bjarti hnötturinmn á myndinni er jörðin séð frá tunglinu. Úr bókinni Á öðrum hnöttum: Getgátur og vissa, frá 1915 (bls. 9) eftir Sigurð Þórólfsson blaðamann og skólastjóra.
Á tímabilinu 1923 til 1951 reiknaði Þorkell Íslandsalmanakið ásamt Ólafi Daníelssyni. Auk þess skrifaði hann ýmislegt um íslenskt tímatal og myrkvasögu:
Snertibraut (= tímabundinn Keplerssporbaugur) smástirnisins Akkillesar í byrjun janúar 1929. Úr grein Steinþórs frá 1933, bls. 292. Grunnstærðir brautarinnar í fremri dálknum eru miðaðar við stöðu vorpunkts í upphafi ársins 1925. Í aftari dálknum er a hálfur langás sporbaugsins, μ er meðaltalið af eiginhreyfingu Akkillesar í bogasekúndum á sólarhring og φ er hornið á milli skammáss brautarinnar og línu, sem tengir annan endapunkt hans við stöðu sólar í brennipunkti. Miðskekkja sporbaugsins er svo gefin með jöfnunni e = sinφ = 0,15. Vegna truflana frá öðrum hnöttum, einkum Júpíter og Satúrnusi og eins vegna pólveltu og pólriðu jarðarinnar, breytast þessar stærðir lítillega með tíma. Hér eru þær miðaðar við stöðuna eins og hún var í ársbyrjun 1925. – Nýjustu tölur má hins vegar finna hér og einnig mynd af snertibrautinni eins og hún er í dag.
Spá þeirra Trausta og Leifs Ásgeirssonar stærðfræðings um slóð almyrkvans 30. júní 1954, eins og hún birtist í Almanaki um árið 1954. Þorsteinn Sæmundsson sagði síðar um þessa mynd: „Það er umhugsunarefni hvílíkt verk það hefur verið fyrir þá að reikna út feril myrkvans án þess að hafa reiknivél af nokkru tagi.“
Fylgst var með sólmyrkvanum 30. júní 1954 um allt land.
Þessar raðmyndir af almyrkvanum ásamt textanum birtist á forsíðu Morgunblaðsins 1. júlí 1954. Athugið að atburðarásin er frá vinstri til hægri.
Þorsteinn skrifaði fjölda verka um stjörnufræði, eins og sjá má á viðamikilli ritskrá hans. Þar má meðal annars nálgast margar greinar með því að smella á bláu slóðirnar. Hér eru nokkur sýnishorn:
Myndin sýnir Þorstein (lengst til hægri) í hópi bandarískra áhugamanna um sólmyrkva í flugferð yfir hafið milli Íslands og Grænlands. Hann skipulagði ferðina til að geta fylgst með sólmyrkvanum 3. október 1986.. Ragnar Axelsson tók myndina. Sjá nánar í ofannefndum greinum Þorsteins frá 1986 og 2021.
Sólmyrkvinn 3. október 1986: „Þessa mynd tók Ragnar Axelsson þegar myrkvinn var mestur. Hún sýnir vel „demantshringinn“ sem svo er kallaður með perlum Bailys. Rauði liturinn stafar frá lithvolfi sólar, en kórónan er of dauf til að sjást. Myndin er tekin með 300 mm linsu á Kodacolor 100 filmu. Ragnar tók myndir með 5 sekúndna millibili.“ Mynd og texti úr grein Þorsteins Sæmundssonar um myrkvann frá 2021.
Þessi fræga mynd birtist fyrst í tímaritinuThe Illustrated London News, hinn 22. nóvember 1919. Hún gefur dágóða lýsingu á því helsta, sem tengist sólmyrkvamælingunum 29. maí sama ár. Grunnmyndin sýnir sjónaukana í Sobral (í kofanum neðst til vinstri) og hvernig þyngd sólar sveigir ljósgeisla frá fjarlægri stjörnu. Efst til hægri má sjá hvernig sveigjuhornið er mælt. Fyrir miðju er kort af braut almyrkvans. Þar fyrir neðan er ljósmynd af kórónu sólar. Sjá nánar í greininni Sólmyrkvinn sem skaut Einstein upp á stjörnuhimininn frá 2015.
Þórður Arason: Sólmyrkvavefur. Þar á meðal um sólmyrkvann 12. ágúst 2026.
Í grein Þórðar frá 2026, bls. 36-43, er ákaflega fróðleg umfjöllun um almyrkvann sem gekk yfir norðausturland 28. júlí 1851 (sjá einnig bls. 67 í grein Þórðar frá 2025) og virðist að mestu „hafa gleymst“ hér á landi. Eins og fram kemur hjá Þórði er myrkvinn á margan hátt athygilsverður. Hann er til dæmis síðasti almyrkvi sem sést hefur í Danmörku og sá fyrsti sem náðist á ljósmynd:
Snævarr er forstöðumaður Náttúrustofu Suðausturlands á Höfn í Hornafirði. Eins og flestum mun kunnugt er hann einnig fremsti áhugastjörnufræðingur landsins og notast við eigin stjörnuathugunarstöð, Stjörnustöðina í Nesjum, í rannsóknum sínum á stjarnfræðilegum fyrirbærum. Segja má að afköst hans á því sviði séu undraverð, einkum þegar haft er í huga að auk stjarnmælinga er hann á kafi í jöklarannsóknum. Hann var kjörinn heiðursfélagi í Alþjóðasambandi stjarnvísindamanna á alsherjarþingi þess árið 2024 fyrir störf á sviði stjarnvísinda. Hann er að auki góður ljósmyndari og hefur vefsíða Almanaks Háskóla Íslands oft notið góðs af þeim hæfileikum hans.
Tunglið myrkvar Venus. Stutt myndband. Snævarr tók myndirnar milli kl. 08:30 – 09:30, 9. nóvember 2023.
Tímaröð mynda af almyrkva á sólu sem Snævarr tók í í Antalya í Tyrklandi hinn 29. mars árið 2006. Athugið að atburðarásin er frá hægri til vinstri.
Helstu rannsóknarverkefnum Snævarrs er lýst á vefsíðu hans um eigin athuganir. Þau viðfangsefni sem einkum snerta umfjöllunarefni þessarar færslu má auðveldlega fella undir myrkvarannsóknir í víðum skilningi. Þar er annars vegar um að ræða mælingar Snævarrs á myrkvastjörnum og hins vegar á fjarreikistjörnum.
Þeim sem vilja kynna sér verk Snævarrs nánar er bent á ritaskrá hans. Einnig er ástæða til að vekja athygli á þremur vönduðum alþýðuritum um stjarnvísindi sem hann hefur sent frá sér:
Snævarr Guðmundsson: 2004: Íslenskur stjörnuatlas. Bókin er því miður uppseld, en verður vonandi endurprentuð.
Eins og flestum mun kunnugt er Stjörnu-Sævar hin eini og sanni „Herra stjörnufræði“ í hugum Íslendinga, og hefur verið um margra ára skeið. Hann er tíður gestur í fjölmiðlum, auk þess sem hann flytur almenna fyrirlestara um stjörnufræði, kynnir hana með heimsóknum í skóla og á aðra vinnustaði, heldur úti vandaðri vefsíðu um stjörnufræði sem og sérstakri síðu um sólmyrkvann í ágúst 2026. Þá hefur hann gefið út margar bækur til að örva vísindalæsi, núna síðast bók um sólmyrkva. Áður hafði hann gefið út bókina Sjörnuskoðun fyrir alla fjölskylduna (2016). Er þá ekki allt talið. Þegar þetta er skrifað vinnur hann ötullega að því að búa landsmenn, sem og aðra, undir almyrkvann 12. ágúst 2026.
Athygli er vakin á tveimur mjög fróðlegum og reyndar nátengdum greinum um almyrkva og hringmyrkva á Íslandi, allt frá ármiðöldum (árinu 600) til upphafs þarnæstu aldar (ársins 2200):
Þórður Arason, 2025: Sólmyrkvar á Íslandi. Náttúrufræðingurinn, 95, 1.- 4. hefti, bls. 56‒69.
Þórður Arason jarðeðlisfræðingur og forsíðan á grein hans í Náttúrufræðingnum.
Í fyrri greininni ræðir Þórður almennt um sólmyrkva og þau fyrirbæri sem fólk ætti helst að fylgjast með þegar almyrkvi verður á sólu. Auk þess fjallar hann ítarlega um komandi almyrkva, hinn 12. ágúst 2026, og segir sérstaklega frá almyrkvunum 30. júní 1954 og 28. júlí 1851. Þá getur hann um fjölda ritaðra samtímaheimilda um sögulega myrkva á Íslandi. Þeim heimildum eru svo gerð mun ítarlegri skil í seinni greininni.
Það gefur greinum Þórðar sérstakt gildi að þar birtir hann tölvuteiknaðar myndir af brautum allra al- og hringmyrkva á Íslandi á ofangreindu tímabili (600-2200 e.o.t.). Textinn er mjög fróðlegur, skýr og vel fram settur. Greinarnar eru því miklilvægt framlag til sólmyrkvasögu Íslendinga.
Sævar Helgi Bragason: Fésbókarsíða. M.a. um sólmyrkvann 12. ágúst 2026.
Sólmyrkvi. Skýringarmyndir úr Stjörnufræði Ursins frá 1842. Athugið að myndirnar eru aftast í bókinni, en umfjöllunina er að finna í Fjórðu grein, bls. 43-55.
Tvær síður úr stjarnmælingabók Rasmusar Lievogs stjörnumeistara frá vorinu 1791. Teikningin efst til hægri sýnir hringmyrkva á sólu, sem stjörnumeistarinn fylgdist með 3. apríl það ár. Þar fyrir neðan er mynd af stöðu sólbletta skömmu fyrir myrkvann. Teikningarnar til vinstri sýna sólblettina daginn áður, eins og þeir birtust í tveimur mismunandi sjónaukum. Myndin er úr greininni Rasmus Lievog og stjörnuathuganirnar í Lambhúsum frá 2018.
Sólmyrkvinn sem Lievog fylgdist með 3. apríl 1791: „Miðja hringmyrkvans var á brúnu línunni og grænu línurnar afmarka svæðið þar sem hringmyrkvi hefur sést. Utan þeirra hefur sést deildarmyrkvi.“ Mynd og texti úr skýrslu Þórðar Arasonar, Sólmyrkvar á Íslandi – yfirlit um ritaðar samtímaheimildir, bls. 33.
Þórður Arason, 2025: Sólmyrkvar á Íslandi. Þar á meðal sólmyrkvinn 12. ágúst 2026.
Sólmyrkvinn 3. október 1986: „Þessa mynd tók Ragnar Axelsson þegar myrkvinn var mestur. Myndin sýnir vel „demantshringinn“ sem svo er kallaður með perlum Bailys. Rauði liturinn stafar frá lithvolfi sólar, en kórónan er of dauf til að sjást. Myndin er tekin með 300 mm linsu á Kodacolor 100 filmu. Ragnar tók myndir með 5 sekúndna millibili.“ Mynd og texti úr grein Þorsteins Sæmundssonar um myrkvann.
.
Viðauki: Sólmyrkvinn 29. maí 1919
Matthias Baldursson Harksen, 2025: Sólmyrkvi staðfestir afstæðiskenninguna. Erindi á vegum Stjarnvísindafélags Íslands og Stjörnuskoðunarfélags Seltarnarness. Myndband.
Þessi fræga mynd birtist fyrst í tímaritinuThe Illustrated London News, hinn 22. nóvember 1919. Hún gefur dágóða lýsingu á því helsta, sem tengist sólmyrkvamælingunum 29. maí sama ár. Grunnmyndin sýnir sjónaukana í Sobral (í kofanum neðst til vinstri) og hvernig þyngd sólar sveigir ljósgeisla frá fjarlægri stjörnu. Til hægri er sýnt efst, hvernig sveigjuhornið er mælt. Fyrir miðju sést braut almyrkvans. Þar fyrir neðan er ljósmynd af kórónu sólar. Sjá nánar í greininni Sólmyrkvinn sem skaut Einstein upp á stjörnuhimininn frá 2015.
*
Viðbót, 5. febrúar 2026: Skráin með sólmyrkvagreinum Þorsteins Sæmundssonar hefur verið uppfærð eftir ábendingu frá Snævarri Guðmundssyni jöklafræðingi og forstöðumanni Náttúrustofu Suðausturlands. – Eins og flestum mun kunnugt er Snævarr einnig fremsti áhugastjörnufræðingur landsins og notast við eigin stjörnuathugunarstöð, Stjörnustöðina í Nesjum, í rannsóknum sínum á stjarnfræðilegum fyrirbærum. Þær eru meginástæða þess að hann var kjörinn heiðursfélagi í Alþjóðasambandi stjarnvísindamanna á alsherjarþingi þess árið 2024. – Snævarr er einnig góður ljósmyndari, eins og sjá má á færslu hans um almyrkva sem hann varð vitni að í Antalya í Tyrklandi hinn 29. mars árið 2006.
Athygli er vakin á nýrri grein Steindórs J. Erlingssonar vísindasagnfræðings í hausthefti Skírnis 2025 (bls. 267-300). Titill hennar er Eðlisfræðingur verður til: Nám og rannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar á árunum 1937-1947. Eins og nafnið gefur til kynna, fjallar hún um þann áratug í lífi Þorbjörns sem mótaði hann sem eðlisfræðing. Í sama hefti (bls. 301-304) birtir Steindór að auki ljúfsárt súrrealískt ljóð „Álftin og öreindirnar“ um ferðlag manns sífellt dýpra niður í efnisheiminn.
Steindór J. Erlingsson vísindasagnfræðingur (til vinstri) ásamt mynd af fyrstu síðu Skírnis-greinarinnar. Litla myndin af Þorbirni til hægri birtist fyrst í stuttri grein Steindórs í Morgunblaðinu árið 2016, Veirur, kjarnorka og eðlisvísindi á Íslandi, sem rituð var í tilefni hálfrar aldar afmælis Raunvísindastofnunar Háskólans það ár.
Í greininni fjallar Steindór af agaðri nákvæmni vísindasagnfræðingsins um þetta viðburðaríka tímabil í lífi Þorbjörns, meðal annars um kynni hans af erlendum eðlisfræðingum, tengsl rannsókna hans við nýjar uppgötvanir í kjarneðlisfræði og hvernig öll vísindastarfsemi varð fyrir beinum eða óbeinum áhrifum frá alþjóðlegri stjórnmálaþróun samtímans, sem mótaðist fyrst og fremst af uppgangi nasismans, seinni heimsstyrjöldinni og upphafi atómaldar.
Steindór hefur greinilega lagt mikla vinnu í rannsóknir á vísindaþættinum í lífi Þorbjörns á þessu mikilvæga tímabili. Í greininni er byrjað á því að fjalla um eðlisfræðinám hans við Kaupmannahafnarháskóla frá haustinu 1937 til magistersprófsins vorið 1943. Síðan eru tekin fyrir þau ár sem Þorbjörn vann erlendis að rannsóknum (í tímabundnum stöðum, sem við í dag myndum kenna við nýdoktora) fyrst í kjarneðlisfræði við Eðlisfræðistofnunina í Kaupmannahöfn og Nóbelsstofnunina í eðlisfræði í Stokkhólmi. Þá kemur lýsing á stuttum en árangursríkum ferli hans við rannsóknir í líffræðilegri eðlisfræði (biophysics) við Rockefellerstofnunina í Princeton og loks yfirgripsmikil umfjöllun um hinar mikilvægu geimgeislarannsóknir hans við Princetonháskóla.
Greinin er fræðilega vönduð, fróðleg og vel skrifuð. Hún er að hluta byggð á upplýsingum sem ekki hafa komið fram áður, enda tókst Steindóri að fá aðgang að dagbók, sem Þorbjörn hélt meðan hann dvaldi í Svíþjóð og geymd er hjá afkomendum hans. Einnig studdist Steindór við fjölda gagnlegra bréfa, sem tengjast ævi Þorbjörns á umræddu tímabili og varðveitt eru í skjalasöfnum, ýmist erlendum eða íslenskum.
Það er engin tilviljun að þessi áhugaverða grein birtist einmitt núna. Næsta haust verður óskabarn Þorbjörns, Raunvísindastofnun Háskólans, nefnilega sextíu ára, og ég reikna fastlega með að stjórn stofnunarinnar haldi veglega upp á þau merku tímamót. Einnig er rétt að nefna að sumarið 2027 verða liðin 110 ár frá fæðingu Þorbjörns.
Ég vil geta þess í lokin að þetta verk Steindórs varð mér hvatning til að leggjast sjálfur í frekari könnun á nokrum atriðum í sögu tilrauna-öreindafræðinnar er tengjast rannsóknum Þorbjörns við Princetonháskóla. Árangurinn af því grúski mínu er birt í færslunni Geimgeislarannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar í Princeton og þáttur þeirra í þróun öreindafræðinnar. Líta má á hana sem eins konar viðbót við grein Steindórs. Það skal þó skýrt tekið fram, að hann ber enga ábyrgð á misfellum sem þar kunna að leynast, og öllum athugasemdum um færsluna ber því að beina til mín á póstfangið einar@hi.is.
Í hausthefti Skírnis 2025 (bls. 267-300) birtist mjög athyglisverð grein, Eðlisfræðingur verður til: Nám og rannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar á árunum 1937-1947, eftir Steindór J. Erlingsson vísindasagnfræðing. Eins og titillinn gefur til kynna fjallar greinin um þann áratug í lífi Þorbjörns sem mótaði hann sem eðlisfræðing. Steindór gerir námi hans og síðar rannsóknum í kjarneðlisfræði í Kaupmannahöfn, Stokkhólmi og Princeton mjög góð skil, enda er umfjöllunin að hluta byggð á gögnum sem ekki hafa komið fram áður, svo sem ýmsum bréfum og dagbókarfærslum. Greinin er mikilvægt framlag til eðlisfræðisögu Íslendinga og ég hvet alla, sem áhuga hafa á því efni, að lesa þessa nýjustu ritsmíð Steindórs.
Hvað mig snertir, varð þetta verk vísindasagnfræðingsins mér hvatning til að takast á við gamalt áhugamál, það er að segja geimgeislarannsóknir Þorbjörns við Princetonháskóla og tengsl þeirra við þróun tilraunaöreindafræðinnar á tímabilinu frá byrjun kreppunnar miklu til upphafs geimaldar. Ég safnaði því saman ýmsu efni sem ég átti þegar í fórum mínum og hafði jafnframt samband við veraldarvefinn til að grafa upp frekari upplýsingar og heimildir. Árangurinn af þessu grúski mínu er að finna í því sem hér fer á eftir.
Stutt innskot: Tækjasmíði Þorbjörns í Kaupmannahöfn
MIT-hópurinn
Annað stutt innskot: Ráðstefnan á Sheltereyju í júní 1947
V. Yukawa-eindin finnst í geimgeislum
VI. Fleiri nýjar eindir – Hraðlar taka völdin – Þorbjörn enn
VII. Geimgeislamælingar í V-2 flugskeytum
Þorbjörn og geimskotið 7. nóvember 1946
Viðauki A: Öreindir og nöfn þeirra
Viðauki B: Rit um og eftir Þorbjörn Sigurgeirsson
.
I. Frá Rockefellerstofnuninni til Princetonháskóla
Eins og fram kemur hjá Steindóri í Skírnis-grein hans, breyttu kjarnorkuárásirnar á Hiroshima og Nagasaki í ágúst 1945 öllum framtíðaráformum hins þá tiltölulega nýbakaða eðlisfræðings, Þorbjörns Sigurgeirssonar.
Eftir að hafa unnið í um það bil fjóra mánuði að rannsóknum í líffræðilegri eðlisfræði (biophysics) hjá W.M. Stanley við Rockefellerstofnunina í Princeton, hóf Þorbjörn aftur rannsóknir í kjarneðlisfræði í ársbyrjun 1946, nú við eðlisfræðideild Princetonháskóla. Þar starfaði hann í rúmlega eitt og hálft ár sem gestavísindamaður (visiting Princeton Fellow) undir verndarvæng Johns A. Wheeler, vinar og fyrrum samstarfsmanns Níelsar Bohr.
Það eru ekki til margar aðgengilegar myndir af Forrestalsvæðinu frá dögum kalda stríðsins. Þessi mun vera frá seinni hluta sjötta áratugsins og sýnir alla vega hluta landskikans. Í neðra horninu vinstra megin er bygging sem hýsti samhraðall Princetonháskóla og í langa húsinu lengst til hægri munu hafa farið fram ýmsar tilraunir í loftstraumfræði. Án þess að ég viti það með vissu, grunar mig að ýmsar af byggingunum ofarlega á myndinni hafi upphaflega tilheyrt Rockefellerstofnuninni (vinnustað Þorbjörns seinni hluta ársins 1945). Ég hef hins vegar ekki hugmynd um hvar á svæðinu plasmastofnunin var staðsett á þeim tíma sem loftmyndin var tekin.
.
II. Nokkur orð um eðlisfræði við Princetonháskóla á eftirstríðsáunum
Seinni heimsstyrjöldin hafði margvísleg áhrif á bandaríska háskóla. Til dæmis munu um 75% eðlisfræðinga við Princetonháskóla hafa tekið þátt í Manhattan-verkefninu, en sem kunnugt er snerist það um smíði fyrstu kjarnorkusprengjanna. Að stríðinu loknu sneru flestir þeirra aftur til fyrri starfa við kennslu og rannsóknir.
Ljósmynd af þátttakendum á ráðstefnunni The Future of Nuclear Science, sem haldin var í Princeton í september 1946 í tilefni af tveggja alda afmælis skólans. Fjöldi þátttakenda mun hafa verið 81, langflestir frá Bandaríkjunum og þar af 22 frá Princeton (athugið að Þorbjörn er ekki á myndinni). Til gamans má geta þess, að þegar ég stundaði nám við Princetonskóla á árunum 1968-70 var helmingurinn af þessum Princetonmönnunum enn starfandi við skólann. – Myndin er af vefsíðunni JF Ptak Science Book þar sem einnig má finna nafnalista.
Palmer Hall (Palmer Physical Laboratory), aðsetur eðlisfræðideildarinnar við Princetonháskóla á árunum 1909-1969.
Í næsta nágrenni Princetonháskóla er hið þekkta og sjálfstæða fræðasetur Institute for Advanced Study, þar sem aðallega eru stundaðar rannsóknir í stærðfræði, kennilegri eðlisfræði og ýmsum hugvísindum. Þótt ekkert formlegt samband sé milli skólans og setursins er samvinna talsverð, einkum hvað varðar fyrirlestrahald og rannsóknarverkefni.
Umhverfið sem kjarneðlisfræðingurinn Þorbjörn Sigurgeirsson hrærðist í á árunum 1946-47 var því síður en svo af verri endandum og af verkum hans í Princeton má sjá, að hæfileikar hans hafa notið sín vel. Að auki er ljóst að hann var þá þegar farinn að undirbúa ferðina heim, því í viðtali sem birtist við hann eftir komuna til Íslands haustið 1947 segir meðal annars: „Ég hafði talsvert af tækjum með mér að vestan, svo að ég er starfhæfur. Ég smíðaði mér öll nauðsynlegustu áhöld á rannsóknarstofunni í Princeton og fékk þar efni eftir þörfum.“
II.1 Upphaf geimgeislarannsókna í Princeton
Þegar Wheeler kom aftur til starfa við háskólann eftir stríð var hann uppfullur af hugmyndum um ný rannsóknarverkefni á sviði kjarna- og öreindafræði. Um það má til dæmis lesa í grein P. Galisons frá 2005, Physics between War and Peace (sjá bls. 373-380) og í grein Wheelers sjálfs frá 1946, Problems and Prospects in Elementary Particle Research. Hvað varðar viðfangsefni þessarar færslu, er umfjöllun hans um miðeindir (mesons) á síðum 43-44 einna áhugaverðust, en þessar dularfullu agnir voru eitt heitasta fyrirbærið í tilraunaöreindafræði á eftirstríðsárunum. Nánar verður rætt um miðeindir hér á eftir, en þeim lesendum sem hafa áhuga á að kynna sér almenna stöðu rannsókna í öreindafræði á þessum árum má benda á eftirfarandi heimildir (sjá einnig kafla V.1):
Einnig má finna gagnlegar upplýsingar um ýmsar öreindir í viðauka A aftast í þessari færslu.
Árið 1936 hafði að frumkvæði Wigners verið settur upp hringhraðall í kjallara Palmer Hall og mun hann hafa verið notaður til ýmissa rannsókna í kjarneðlisfræði. Það var þó ekki fyrr en Wheeler kom aftur til starfa við Princetonháskóla árið 1945, sem tilraunaöreindafræði náði þar fótfestu fyrir alvöru. Um það segir í yfirlitsskýrslu öreindafræðinga skólans, sem kom út 1995 (bls. 3):
Elementary particles research at Princeton University had its beginning in a group which […] was organized by Professor John A. Wheeler in 1945 and was supported by the Office of Naval Research, which continued to supply support until 1968. The buildings, a staff of technicians, and some of the scientists came from a wartime development project, and the remainder of the scientific staff were young faculty who joined the University following the end of the war. […] The scientific impetus for the organization of the post-war research activity was Wheeler’s interest in cosmic rays, their origin and their constitution.
Þarna kemur meðal annars fram, að á eftirstríðsárunum hafði Wheeler verulegan áhuga á geimgeislum og safnaði í kringum sig hópi manna til rannsókna á þeim. Í viðtölum sem tekin voru við hann á árunum 1993-95 segir hann meðal annars þetta (session 07, bls. 16):
If an already used laboratory was to be the center for this work, then also the people with whom we started were people who had already been used. There was W. Y. Chang, Chinese, and there was Thorbjorn Sigurgeirsson from Iceland, as specially qualified physicists to begin. There is a lovely account of Sigurgeirsson’s later on in life saving Iceland’s lone south coast port from being overwhelmed by lava flow by spraying water on the lava, in a book by John McPhee.
Í öðru viðtali (session 13-22, bls. 15-16) heldur hann áfram með þessum orðum:
The Icelander Thorbjorn Sigurgeirsson brought to use on the cosmic-ray problem techniques that he had learned from nuclear physics work on the Princeton cyclotron1. Put a particle counter above a pancake-sized piece of lead to detect the arrival of a cosmic-ray particle and put a battery of counters below the pancake to discover what, if anything, came out. In this way, Thorbjorn compared lead with other materials in their ability to stop the cosmic rays. – [1Athugasemd frærsluhöfundar: Skv. þessu kann Þorbjörn að hafa unnið að einhverjum rannsóknum með hringhraðli Princetonháskóla eftir að hann hóf þar störf, en rétt er að hafa í huga að hann hafði áður unnið talsvert við slíka hraðla, bæði í Kaupmannahöfn og Stokkhólmi.]
Í þessum viðtölum, sem Wheeler notaði síðar við ritun ævisögu sinnar, Geons, Black Holes & Quantum Foam (1998), kemur glögglega fram, að helstu tilraunaeðlisfræðingarnir í geimgeislahópnum í byrjun voru þeir Þorbjörn og Kínverjinn W.Y. Chang. Síðar bættist hæfileikaríkur doktorsnemi í kennilegri öreindafræði í hópinn, Brasilíumaðurinn J. Tiomno, en þá var Þorbjörn reyndar hættur og fluttur til Íslands.
Til vinstri: Þetta mun vera húsið sem Wheeler tókst að útvega fyrir rannsóknarhóp sinn í geimgeislavísindum (Cosmic Ray Research Laboratory) árið 1945. Á stríðsárunum hafði það hýst rannsóknir á höggbylgjum undir stjórn W. Bleakneys. Eftir að önnur verkefni hlóðust á Wheeler tók G.T. Reynolds við stjórn hópsins árið 1948 og nafninu var breytt í rannsóknarstofu í öreindafræði (Elementary Particles Laboratory). Myndin er tekin í kringum 1970 og fengin að láni af vefsíðu Y.S. Kim. – Til hægri: Hluti nýlegs korts af lóð Princetonháskóla. Rauða örin bendir á staðsetningu hússins.
Áður en lengra er haldið er rétt að huga stuttlega að bakgrunni verkefnisins sem Þorbjörn vann að við Princetonháskóla, bæði sögu geimgeislarannsókna almennt og þó sérstaklega sögu rannsókna á miðeindinni. Hvað almennu söguna varðar læt ég hér nægja að benda á eftirfarandi ritsmíðar:
Þorbjörn Sigurgeirsson, 1949: Geimgeislar (gott og hnitmiðað yfirlit yfir söguna fram til 1949).
Einar Júlíusson, 1987: Geimgeislar (m.a. söguyfirlit ásamt umfjöllun um rannsóknir Þorbjörns [bls. 356-57] og Einars sjálfs [bls. 360-]).
Páll Theodórsson, 1996: Measurement of Weak Radioactivity. Mjög fróðlegt og gagnlegt yfirlitsrit. Sjöundi kaflinn fjallar um geimgeisla.
Táknræn mynd af geimgeislaskúr. Teikningin er úr grein Einars Júlíussonar frá 1987, Geimgeislar, bls. 355. Hún tengist frásögn Einars í upphafi greinarinnar af sögu geimgeislarannsókna fram að seinni heimsstyrjöldinni, eins og ráða má af eftirfarandi textabroti (bls. 354-355): „Það sem sést hér á jörðinni er ekki upprunalega geislunin [þ.e.a.s. frumgeislunin frá fjarlægum uppsprettum í geimnum], heldur það sem kalla mætti síðgerða geislun, sem myndast í andrúmsloftinu þegar frumgeislunin fellur á það. […] Ef frumgeislinn er af nægjanlegri orku gæti þessi [síðgerði eindaskúr] teygt sig alla leið niður að yfirborði jarðar [„sjávarmáli“] og dunið þar yfir jafnvel fleiri ferkílómetra svæði. [Snemma varð ljóst] að frumgeislunin væri [að mestu] jákvæð, þ.e. ekki rafeindir heldur öllu heldur róteindir. Myndinsýnir yfirlit um það sem gerist þegar þessar gífurlega orkumiklu róteindir lenda á andrúmsloftinu. Þær óstöðugu eindir er hér koma við sögu voru lítt eða ekki þekktar á þessum tíma [fjórða áratugi tuttugustu aldar] og við lítum nánar á það í næstu köflum, hvað hér er að gerast.“
.
III. Örlítið um öreindafræði fyrir daga seinni heimsstyrjaldarinnar
Við lestur þessa þessa kafla er gagnlegt að hafa í huga að í árslok 1931, einum fjórum árum eftir að nútíma skammtafræði var því sem næst fullmótuð, þekktu eðlisfræðingar aðeins þrjár til fjórar gerðir öreinda. Tilraunir höfðu sýnt fram á tilvist rafeinda, ljóseinda og róteinda, en þótt hugmyndin um fiseindina væri sett fram árið 1930 og vel tekið, fannst eindin ekki í tilraunum fyrr en 1956. Einnig er rétt að minna á, að grunnurinn að skammtarafsegulfræði var lagður árið 1927, en ýmis innri og ytri vandamál gerðu það að verkum að kenningin náði ekki fullum þroska fyrr en 1949.
Tvær nýjar öreindir, nifteindin og jáeindin, fundust árið 1932 og ýmsar aðrar merkar uppgötvanir, tengdar hinum smáa heimi, voru gerðar sama árið. Þessar nýungar urðu til þess að kjarna- og öreindafræði fékk byr undir báða vængi, reyndar svo mjög að stundum er talað um 1932 sem kraftaverkaárið.
Árið 1933 var sett fram gagnleg kenning um veika kjarnakraftinn sem þrátt fyrir ýmsa galla reyndist vel. Um svipað leyti efldust tilraunir kennilegra eðlisfræðinga til að skilja þann sterka kraft sem hlaut að verka milli róteinda til að halda þeim saman í atómkjörnum og næði einnig til nifteindanna í kjörnunum. Það varð til þess, að árið 1934 stakk Japaninn H. Yukawa upp á því að sérstök og áður óþekkt tegund öreinda bæri sterka kraftinn milli kjarnaeindanna. Hann kallaði þessa nýju ögn ýmist U-skammtinn (e. U-quantum) eða þunga skammtinn (e. heavy quantum) og áætlaði að hún væri um það bil 200 sinnum massameiri en rafeindin (og þar með um 10 sinnum massaminni en róteindin). Til þæginda verður hér, að minnsta kosti í bili, notast við nafnið Yukawa-eindin í stað nafnanna sem Yukawa sjálfur gaf ögninni.
Það tók eðlisfræðinga nokkurn tíma að melta hugmynd Yukawa, en eftir að Bandaríkjamennirnir C.D. Anderson og S.H. Neddermeyer fundu nýja eind í geimgeislum árið 1936 með massa sem var svipaður útreiknuðum massa Yukawa-eindarinnar jókst áhuginn verulega. Margir eðlisfræðingar töldu að þarna væri Yukawa-ögnin fundin og margir þeirra, þar á meðal C. Møller, fyrrum kennari Þorbjörns í Kaupmannahöfn, hófu í kjölfarið kennilegar rannsóknir, byggðar á hugmyndum Yukawa um sterka kjarnakraftinn (sjá t.d. 5. kaflann í ævisögu Møllers eftir H. Kragh frá 2023, From Quanta to Gravitation – The Science and Life of Christian Møller). Á fyrstu árunum eftir seinni heimsstyrjöldina var þetta einnig eitt helsta rannsóknarsvið J.A. Wheelers í Princeton. Jafnframt ber að geta þess, að Møller var aðalkennari Þorbjörns Sigurgeirssonar við magistersnámið í Kaupmannahöfn og leiðbeindi honum við samningu lokaritgerðarinnar, Oversigt over de foreliggende eksperimenter over sammenstød mellem nucleoner og redegørelse for de slutninger, der af disse kan drages angående kærnekræfternes beskaffenhed, sem hann varði vorið 1943. Eins og titillinn gefur til kynna fjallaði ritgerðin um sterka kjarnakraftinn.
Þeir Anderson og Neddermeyer gáfu ögninni sem þeir fundu árið 1936 nafnið mesotron. Við rannsóknirnar notuðu þeir svokallað þokuhylki, örlítið frábrugðið því sem sýnt er á myndinni hér fyrir neðan. Að auki notuðu þeir rafsegul til að mynda segulsvið inni í hylkinu.
Mynd af þokuhylki úr grein Þorbjörns Sigurgeirssonar um geimgeisla frá 1949. Um það segir hann m.a. (bls. 78-80): „[Hylkið] hefur þann góða eiginleika, að geta gert sýnilegar brautir agnanna, sem radióaktív efni senda frá sér. Hér sem oftar kemur jónmyndunin að góðum notum. Jónirnar meðfram brautum agnanna eru gerðar sýnilegar með því að láta þéttast á þeim vansdropa, og hver braut kemur fram sem röð af vatnsdropum eða þokurák. Ef nægileg lýsing er fyrir hendi, má svo ljósmynda þessar þokurákir, og er það þá einnig mynd af brautum agna þeirra, sem framleiddu jónirnar. [Myndin] sýnir i aðalatriðum hvernig þokuhylkið er gert. A er málmhólkur, en efri endi hans er lokaður með glerplötunni B. Kólfurinn C fellur loftþétt innan i hólkinn, en getur hreyfzt upp og niður. Á milli kólfsins og glerplötunnar er loftþétt hólf, sem fyllt er með einhverri lofttegund, en auk þess er það mettað vatnsgufu. Ef kólfurinn er skyndilega dreginn niður, þenst loftið i hólfinu út og kólnar, en við það verður vatnsgufan yfirmettuð. Sé loftið hreint myndast þó engir vansdropar nema þar, sem jónir eru, en hver jón safnar um sig svolitlum vatnsdropa. Á brautum agnanna, sem koma inn um rúðuna E, myndast þá þokurákir, sem eru ljósmyndaðar með ljósmyndavélinni F, um leið og ljós er sent inn um gluggann D. [Á þarnæstu mynd sjást] slíkar þokurákir, sem framkallaðar eru af [ýmsum ögnum]. Gammageislar fara aftur á móti i gegnum þokuhylkið án þess, að brautir þeirra verði sýnilegar“
Þeir C.D. Anderson (til vinstri) og S.H. Neddermeyer við þokuhylki Andersons árið 1933. Með þessu tæki fundust bæði jáeindin (1932) og mesótrónan (1936) í geimgeislaskúrum. Ljósmynd: Caltech Images Collection.
Ein af þokuhylkismyndum Andersons og Neddermeyers frá 1936. Hún sýnir þokurákir eftir geimgeislaskúr við sjávarmál. Ég hef það eftir áreiðanlegum heimildum, að rákin sem ég hef merkt með tveimur rauðum örvum (vinstra megin) sé slóð mesótrónu. Brautin er sveigð vegna ytra segulsviðs með styrk 4500 gauss. – Mynd nr. 13, bls. 270 í grein þeirra félaga frá 1936.
Áður en lengra er haldið er rétt að nefna að árið 1939 benti Indverski eðlisfræðingurinn H. Bhabha á að stytta mætti orðið mesotron í meson og var hugmynd hans tiltölulega fljótt viðtekin í heimi eðlisfræðinga. Íslenska þýðingin á orðunum er í báðum tilvikum miðeind.
Þótt það kunni að valda tímabundnum ruglingi meðal lesenda, skal þess einnig getið hér, að samkvæmt nafnakerfi nútíma öreindafræði flokkast mesótrónan nú sem létteind og ber nafnið mýeind. Samkvæmt sama kerfi tilheyrir Yukawa-eindin hins vegar flokki miðeinda og kallast píeind (sjá nánar í viðauka A aftast í færslunni).
Þessi skemmilega mynd sýnir J.A. Wheeler (þriðji frá vinstri) á gangi með eðlisfræðingunum A. Einstein, H. Yukawa og H. Bhabha í Princeton árið 1954. Þess má geta, að Bhabha var á sínum tíma fremsti kjarnorkuvísindamaður Indverja. Mynd: History in Memes.
.
IV. Hvernig sýnt var fram á að mesótrónan væri ekki Yukawa-eindin
Við samningu þessa kafla studdist ég talsvert við eftirfarandi grein og heimildirnar sem þar eru nefndar:
Samkvæmt kenningu Yukawa gat eind hans hvort heldur verið neikvætt eða jákvætt hlaðin. Hún var jafnframt óstöðug og átti að sundrast í rafeind/jáeind og fiseind á tiltölulega skömmum tíma. Mælingar á mesótrónum sýndu fljólega að eiginleikar þeirra uppfylltu þessi skilyrði (þótt ekki tækist að sjá fiseindirnar). Mælingarnar sýndu einnig, að meðalævi mesótrónunar væri á bilinu 1 til 5 míkrósekúndur í kyrrstöðu (sjá í þessu sambandi umfjöllun um afstæðileg hrif á bls. 85-87 í grein Þorbjörns um geimgeisla frá 1949). Vandinn var bara sá, að kennilegair útreikningar bentu til þess að meðalævi Yukawa-eindarinnar ætti að vera um hundrað sinnum styttri. Þrátt fyrir þetta voru flestir kjarneðlisfræðingar þeirrar skoðunar að mesótrónan væri í raun Yukawa-eindin.
Árið 1939 birtu Yukawa og nemandi hans T. Okayama niðurstöður útreikninga á líkindindum þess að atómkjarnar hremmdu frjálsar en hægfara Yukava-eindir. Niðurstaða þeirra, byggð á kenningu Yukawa um sterka kjarnakraftinn, var sú að líkindin væru hverfandi í gasi. Í þéttum efnum væru líkindi á hremmingu hins vegar ávallt meiri en líkindin á betasundrun. Árið eftir bentu samlandar þeirra, þeir S. Tomonaga og G. Araki á, að í reikningunum hefði gleymst að taka tillit til rafkraftanna milli atómkjarnanna og hinna rafhlöðnu Yukawa-einda. Þeir Tomonaga og Araki endurreiknuðu síðan líkindin og tóku nú tillit til rafkraftanna. Áhrif þeirra reyndust umtalsverð. Hremmingarlíkindin reyndust minni en líkindin á sundrun nema fyrir þær eindir sem höfðu stöðvast í efninu. Hremmingarlíkindin fyrir jákvæðar Yukawa-eindir voru hverfandi, en fyrir kyrrstæðar neikvæðar eindir voru þær mun meiri en hjá Yamakawa og Okayama, þannig að hremming slíkra einda var óhjákvæmileg. Meginniðurstaðan var því sú, að í mælingum ættu að sjást dóttureindir frá betasundrun því sem næst allra jákvæðra og kyrrstæðra Yukawa-einda í öllum efnum, en engar frá þeim neikvæðu.
Á þessum tíma var seinni heimsstyrjöldin þegar farin að hafa gífurleg og lamandi áhrif á allar þær vísindarannsóknir í Evrópu, sem ekki tengdust hernaði. Fjöldi framúrskarandi vísindamanna, ekki síst frá Mið-Evrópu og Ítalíu, höfðu flúið land, margir til Bandaríkjanna. Þegar Bandaríkjamenn hófu þáttöku í hildarleiknum í árslok 1941 versnaði ástandið í frjálsum vísindarannsóknum enn frekar. Það var því ekki fyrr en í stríðslok 1945 sem vísindamenn gátu almennt farið að anda léttar. Þetta átti til dæmis við um eðlisfræðinga, þar á meðal öreindafræðinga.
IV.1 Miðeindin (mesótrónan) á eftirstríðsárunum
Þegar kjarna- og öreindafræðingar Bandamanna sneru aftur til starfa að stríðinu loknu höfðu margir þeirra öðlast dýrmæta reynslu og þekkingu við vinnu, sem tengdist smíði kjarnorkusprengjunnar. Ekki hafði þó enn tekist að móta fullnægjandi kenningu um sterka kjarnakraftinn, en stóraukin fjárframlög til rannsókna í kjarneðlisfræði, einkum í Bandaríkjunum, gerði það að verkum að menn höfðu nú mun betri aðstöðu en áður til frekari og flóknari rannsókna.
Meðal þeirra fjölmörgu verkefna, sem tekin voru upp af fullum krafti á ný, voru rannsóknir á Yukawa-eindinni og mesótrónunni, sem flestir voru nú farnir að kalla miðeind. Meðal helstu hvatamanna að frekari rannsóknum á því sviði var J.A. Wheeler, eins og fram kemur í hinu þekkta erindi hans frá því í nóvember 1945:
The mesons present us with the important question of possible modes of destruction other than simple radioactive decay:
can confirmation be obtained for preliminary indications that roughly half of the mesons whose energies are moderated in solid bodies undergo capture;
are negative mesons captured by atomic nuclei; and if so is the capture cross section a selective or a smoothly varying function of atomic numer;
is a radiative capture into a Bohr orbit ever a preliminary to complete absorption of a meson;
do positive mesons capture electrons;
if either type of capture process takes place, what are the end productives of the reaction?
Þarna er meðal annars að finna óbeinar tilvísanir í grein þeirra Tomonagas og Arakis frá 1940, en eins og áður var minnst á höfðu þeir sýnt fram á, að í mælingum ættu að sjást dóttureindir frá betasundrun jákvæðra Yukawa-einda í öllum efnum, en engar frá þeim neikvæðu.
Hvort sem það var Wheeler að þakka eða ekki, var á árunum 1946-47 lögð talsverð áhersla á rannsóknir á hremmingu og sundrun miðeinda í þéttu efni meðal þeirra öreindafræðinga, sem höfðu áhuga á þessum dularfullu eindum og þeir voru margir. Eitt áhugaverðasta viðfangsefnið var að kanna með tilraunum, hvort fyrrnefnd niðurstaða Tomonaga og Arakis væri rétt eða ekki. Þetta virðist meðal annars hafa leitt til vinsamlegrar samkeppni milli þriggja mismunandi rannsóknarhópa, sem öllum tókst að leysa vandamálið og birta fyrstu niðurstöður sínar árið 1947. Einn þeirra var hópur Wheelers og Þorbjörns við Princetonháskóla, annar starfaði við Rómarháskóla og hinn þriðji við MIT. Í hverjum hópi voru aðeins tveir til þrír eðlisfræðingar, sem þætti víst ekki mikið í tilraunaöreindafræði nútímans.
IV.2 Rómarhópurinn
Í Rómarhópnum voru þrír ítalskir eðlisfræðingar, þeir M. Conversi, O. Piccioni og E. Pancini, sem allir höfðu fengið menntun sína í hinu magnaða ítalska umhverfi í kjarna- og öreindafræði sem frumherjar eins og E. Fermi og B. Rossi höfðu mótað áður en þeir flúðu undan fasistum til Bandaríkjanna í lok fjórða áratugsins.
Þeir Piccioni og Conversi hófu samstarf snemma á fimmta áratugnum og ákváðu fljótlega að kanna tilgátu Tomonagas og Arakis frá 1940 með geimgeislamælingum í anda Rasettis frá 1941. Stríðið gerði allar aðstæður erfiðar, en með seiglu tókst þeim smám saman og með leynd (vegna hamlandi stefnu fasískra yfirvalda) að setja upp mun betri tilraunabúnað en Rasetti með því að nota nýjustu rafeindatækni. Árið 1944 luku þeir fyrstu mælingunum, en vegna stríðsins birtist útkoman ekki á alþjóðavettvangi fyrr en tveimur árum síðar. Niðurstöðurnar voru þær, að meðallíftími hægfara miðeinda væri í kringum 2,3 míkrósekúndur (1946a) og að um það bil helmingur þeirra sundraðist í gleypiplötu mælitækisins, sem var úr járni (1946b). Það gaf sterklega til kynna að atómkjarnar járnsins hremmdu hinn helminginn áður en hann sundraðist, rétt eins og Tomonaga-Araki kenningin sagði fyrir um.
Í þessum fyrstu mælingum gátu Ítalarnir ekki greint á milli jákvæðra og neikvæðra miðeinda. Í næstu lotu settu þeir því tvö segulmögnuð járnstykki fyrir ofan mælibúnaðinn, svokallaðar segulinsur, sem aðskildu jákvæðar og neikvæðar eindir áður þær lentu í gleypinum. Þegar hér var komið sögu hafði Pancini bætst í hópinn og með hinni nýju uppsetningu (sjá mynd af búnaðnum á næstu mynd) sýndu þremenningarnir fram á, að jákvæðar miðeindir væru fjórum sinnum líklegri til að sundrast í járngleypinum en hinar neikvæðu (1945). Sú niðurstaða var í samræmi við kenningu Tomonagas og Arakis.
Á fyrri hluta ársins 1946 virðist Rómarhópurinn hafa verið orðinn sannfærður um að miðeindirnar sem þeir höfðu verið að kanna væru í raun Yukawa-eindir. Um svipað leyti kom áðurnefnt erindi Wheelers frá því í nóvember 1945 út á prenti, þar sem meðal annars var bent á, að kanna þyrfti hvernig líkurnar á því að atómkjarnar hremdu Yukawa-eindir væru háðar sætistölunni, Z.
Þrátt fyrir að hinu gagnstæða hafi verið haldið fram, verður það að teljast ólíklegt, að Rómarhópurinn hafi ekki haft veður af hugmyndum Wheelers tiltölulega fljótlega. Í öllu falli tóku þeir sig til á seinni hluta ársins 1946 og endurtóku tilraunina frá 1945 með nokkrum endurbótum á tækjabúnaði. Í þetta skiptið notuðu þeir einnig tvö mismunandi gleypiefni í stað eins áður, það er járn (Fe, Z = 26) og kolefni (C, Z = 6). Kolefnisgleypirinn var samsettur úr sívalningslaga grafítstöngum, þar sem þeim tókst ekki að fletja grafítið út í plötur likt og járnið. Niðurstöður mælinganna birtu þeir á ensku í febrúar 1947:
Teikning af tilraunauppsetningu Ítalanna úr 1947-greininni. Geimgeisla-miðeindirnar koma flestar að ofan og lenda á segullinsunum (Magnetized Iron Plates) sem aðskilja jákvæðar og neikvæðar eindir. Eindirnar enda svo í gleypinum (absorber) sem er umkringdur blýumhverfi (ská-rúðustrikuðu dökku svæðin). Tæki merkt bóksöfunum A, B, C og D eru Geiger-teljarar (sjá einnig lýsingu á slíkum tækjum í kafla IV.4) sem tengdir eru við raftæknibúnaðinn lengst til hægri á myndinni (þeim búnaði er lýst í áðurnefndum greinum hópsins frá 1946). Teljararnir A og B voru notaðir til samtímamælinga og B og C til svokallaðra stillanlegra seinkunarmælinga (delayed coincidence counting). D-mælarnir voru hins vegar notaðir til að hreinsa óæskileg bakgrunnsmerki úr mælingunum.
Lokaniðurstöður úr mælingum Ítalanna eru sýndar í töflunni hér fyrir neðan. Á sínum tíma greindu þeir óformlega frá því að niðurstöðurnar fyrir kolefnisgleypinn hefðu komið þeim gjörsamlega í opna skjöldu, svo sannfærðir voru þeir um að mesótrónan væri Yukawa-eindin. Í greininni segja þeir þó einfaldlega (bls. 209, neðarlega í aftari dálki): „The results with carbon as absorber turn out to be quite inconsistent with Tomonaga and Araki’s prediction.“
Tafla með mæliniðurstöðum Rómarhópsins, sem birt var í grein hans frá því því í febrúar 1947. Fyrir umfjöllunina í þessari færslu eru mikilvægustu dálkarnir nr. 1, 2 og 6. Í fremsta dálknum stendur + fyrir jákvæðar miðeindir og – fyrir neikvæðar. Táknið M í sjötta dálki stendur fyrir fjölda þeirra dóttureinda sem mældar voru. Af tölunum má greinilega sjá að engar dóttureindir sáust frá neikvæðum miðeindum þegar eingöngu járn var notað sem gleypiefni (línur b og f) í samræmi við Tomonaga-Araki kenninguna. Hins vegar mældust dóttureindirnar fjölmargar frá neikvæðum miðeindum, þegar gleypirinn var kolefnislag (lína e), í fullkomnu ósamræmi við kenningu Tomonaga og Araki. Sjá einnig í þessu sambandi hinar gagnlegu glærur R.N. Pilatos frá 2024: Muon lifetime and Conversi Pancini Piccioni experiments.
Þótt það sé ekki beinlínis nefnt í greininni, sýndu þessar niðurstöður ótvírætt, að geimgeisla-miðeindirnar (mesótrónurnar) gátu ekki verið hinar eftirsóttu Yukawa-eindir.
Grein Rómarhópsins lýkur svo á málsgreininni „Further experimerits on this subject are now in progress, in an attempt to calculate the capture cross section, and to know how it depends on Z.“ – Ég verð að viðurkenna að ég hef ekki haft fyrir því að kynna mér, hvernig þessar framhaldsrannsóknir Rómarhópsins gengu. Hins vegar má benda á nokkrar heimildir sem til samans kafa mun dýpra en hér er gert í miðeindarannsóknir Rómarhópsins (og reyndar fleiri hópa) og mikilvægi þeirra í öreindafræði:
Brown, L.M. & L. Hoddeson (ritstj.), 1983: The Birth of Particle Physics. Sjá einkum greinarnar eftir Piccioni (bls. 222- 241) og Conversi (bls. 242-250).
Því miður virðist Þorbjörn Sigurgeirsson ekki hafa skilið eftir sig neinar dagbókarfærslur um þróun rannsóknarverkefnisins, sem hann vann að við Princetonháskóla frá því í ársbyrjun 1946 og fram í september 1947. Það sem við nú vitum um þetta tímabil í lífi hans er að mestu að þakka rannsóknum Steindórs J. Erlingssonar á bréfum, sem varðveitt eru á Niels Bohr skjalasafninu í Kaupmannahöfn. Þar vegur þyngst bréf sem Þorbjörn sendi prófessorunum C. Møller og S. Rozental í apríl 1946 og Steindór fjallar um í hinni nýju Skírnis-grein sinni á bls. 291-92.
Af bréfinu má sjá að verkefnið, sem Wheeler hafði bent Þorbirni á, snerist um að kanna muninn á sundrun jákvæðra og neikvæðra geimgeisla-miðeinda í þéttum efnum og mæla meðalævi þeirra. Þetta er sama viðfangsefnið og Rómarhópurinn var að fást við á svipuðum tíma.
Einnig er ljóst af bréfinu, að þegar í apríl 1946 var Þorbjörn farinn að huga að slíkum mælingum, og í því er að finna riss hans af tækjabúnaði, sem samanstendur af þokuhylki, gleypi og Geigerteljurum auk þykkrar blýplötu, sem átti að stöðva hægfara geimgeisla og draga úr hraða hinna hraðfleygu miðeinda áður en þær lentu í þokuhylkinu (sjá myndina á bls. 291 í grein Steindórs). Þess má geta hér, að Þorbörn hafði talsverða reynslu af notkun þokuhylkja, því á mánuðunum fyrir flóttann til Svíðjóðar í desember 1943 vann hann að rannsóknum með slíkum búnaði. Vegna stríðsins birtust niðurstöðurnar þó ekki fyrr en 1947 (sjá greinina Bøggild, J. K., O. H. Arrøe, & T. Sigurgeirsson, 1947: Cloud-Chamber Studies of Electronic and Nuclear Stopping of Fission Fragments in Different Gases).
Svo virðist sem Þorbjörn hafi fljótlega hætt við að nota þokuhylkið og í staðinn þróað og smíðað þann búnað, sem lýst er í hinni merku grein hans sem birtist í mars 1947, mánuði á eftir grein Rómarhópsins. Ekki er ljóst hvort aðstoðarmaður hans og meðhöfundur tók þátt í þeirri þróunarvinnu eða kom inn í verkefnið seinna á árinu. Sá var kornungur doktorsnemi í eðlisfræði, Kazuo Alan Yamakawa, sem lauk doktorsnámi við Princetonháskóla árið 1949 með ritgerð um kristalteljara, „Silver-Bromide Crystal Counters“ (sjá hér og hér) undir leiðsögn Bandaríska eðlisfræðingsins R. Hofstadters. Eftir doktorsprófið for Yamakawa að vinna við rannsóknarstofnum á vegum bandaríka hersins. Ég hef því miður ekki enn fundið af honum mynd.
Ekki er vitað hvenær ársins 1946 miðeindamælingarnar með hinum nýja búnaði hófust, en greinin með niðurstöðunum var send til tímarits (Physical Review) í lok janúar 1947. Hún kom svo á prenti í mars (til samanburðar má geta þess að febrúargrein Rómarhópsins var send sama tímariti skömmu fyrir jólin 1946). Grein með kennilegri umfjöllun Wheelers um niðurstöður Þorbjörns og Yamakawa var birt næst á eftir grein þeirra í marsheftinu.
Teikningin af mælibúnaðnum í grein Þorbjörns og Yamakawa, bls. 320:
Miðeindirnar, sem koma að ofan, eru mældar með tvöföldum samtímamælingum Geiger-teljaranna (counter trays) I og II, áður en þær lenda í gleypinum (absorber). Dóttur-rafeindir frá sundrun miðeinda í gleypinum eru svo mældar með fjórum teljarasamstæðum, III. Stillanlegar seinkunarmælingar eru gerðar milli I og II annars vegar og III hins vegar. Athugið að neikvæðar og jákvæðar miðeindir eru ekki aðskildar í tilrauninni (eins og Ítalirnir gerðu við sínar mælingar) Ekkert er rætt um raftæknibúnað í greininni og hvorki mynd né texti gefa til kynna, að notaður hafi verið blýskjöldur fyrir ofan búnaðinn til að draga úr hraða aðvífandi miðeinda.
Gleypiefnin sem þeir félagar notuðu voru ýmist berilín (Be), kolefni (C), natríumhydróxíð (NaOH), ál (Al), kísilkarbíð (SiC) eða brennisteinn (S). Samkvæmt greininni voru hrörnunarferlar miðeindanna í gleypinum frekar ónákvæmir, en ekki í ósamræmi við að meðalævi eindanna væri 2,2 míkrósekúndur.
Aðrar niðurstöður mælinganna, og þær sem mestu máli skiptu, er að finna í tveimur eftirfarandi töflum á bls. 320 í greininni:
Við skoðun á töflunum er gott að hafi í huga sætistölu atómkjarna gleypiefnanna (Z) sem þar koma við sögu: Be (Z = 4), S (Z = 16), Al (Z = 13), C (Z = 6), Na (Z = 11), O (Z = 8), H (Z = 1) og Si (Z = 14).
Meginályktunin sem þeir Þorbjörn og Yamakawa drógu af þessum mæliniðurstöðum er sett fram í upphafi greinarinnar. Hún er sú, að fyrir hverja miðeind, sem stöðvast í gleypiefni, myndast fleiri dóttur-rafeindir vegna sundrunar í efnum með lága sætistölu, en í efnum með sætistöluna 13 eða hærri.
Í lok greinarinnar segir svo í lauslegri þýðingu/endursögn minni:
Mælingar okkar staðfesta niðurstöður þeirra Conversis, Pancinis og Piccionis, að neikvæðar miðeindir, sem stöðvast í kolefni sendi frá sér dóttur-rafeindir, en stöðvist þær í járni mælast engar slíkar. Fjarveru dóttureinda frá járngleypinum má auðveldlega útskýra með því að atómkjarnarnir gleypi miðeindirnar áður en þær sundrast. Niðurstöður okkar gefa til kynna, að líkindi þess að atómkjarnarnir gleypi miðeindirnar fari smám saman vaxandi með vaxandi sætistölu, en að fjöldi gleypinga sé í algjöru ósamræmi við útreikninga byggða á Tomonaga-Araki kenningunni.
Í áðurnefndri grein Wheelers í sama hefti Physical Rewiews segir meðal annars á bls. 320-21 í lauslegri þýðingu/endursögn minni:
Rómarhópurinn komst að þeirri niðurstöðu að neikvæðar miðeindir, sem höfðu stöðvast í kolefni beta-sundruðust, en ekki þær sem stöðvuðust í járni. Mælingar Þorbjörns og Yamakawas gefa til kynna, að hremmingarlíkur séu einnig litlar í öðrum léttum efnum í samanburði við sundrunarlíkurnar (= 1/τ0 = 1/2,15 míkrósekundur, þar sem τ0 er meðalævi frjálsrar miðeindar). Jafnframt að hlutfallið hremmingarlíkur/ sundrunarlíkur fari vaxandi með með vaxandi sætistölu og taki glidið 1 fyrir sætistölu Z = Z0 ~10. […] Áætla má, að um sundrun neikvæðra miðeinda, sem stöðvast hafa í gleypi, gildi λ = 1/τ = (1/ τ0)[1+(Z/Z0)4] og að hlutfall þeirra sem sundrast sé í kringum f = [1+ (Z/Z0)4]-1.
Í framhaldi af þessari tilvitnun má benda á útleiðsluna í grein Wheelers frá 1949 og ekki síst niðurstöður hennar, bls. 142-43: Samkvæmt þeim er meðalævi neikvæðrar miðeindar í efninu τ = τ0/[1+(Zeff/Z0)4] og líkindi þess að dóttur-rafeind mælist frá neikvæðri miðeind Weff = 1/[1+(Zeff/Z0)4], þar sem Zeff = Z[1+(Z/37,2)1,54]-1/1,54 er svokölluð virk sætistala kjarnans.
Nokkrum síðum framar, í sama hefti Physical Review og greinar þeirra Þorbjörns, Yamakawas og Wheelers birtust, er grein eftir hina frægu eðlisfræðinga E. Fermi, E. Teller og V. Weisskopf. Þar er vísað í tilraunaniðurstöður Rómarhópsins og bent á, að útreiknaður hremmingartími neikvæðrar Yukawa-eindar í kolefni sé miklu mun styttri en meðalævi mesótrónunnar, eða sem nemur allt að 12 tugaþrepum. Af því leiði óhjákvæmilega, að mesótrónan geti ekki verið Yukawa-eindin. Nokkrum mánuðum seinna fylgdu þeir Fermi og Teller þessari fullyrðingu eftir með birtingu á nákvæmum útreikningum.
Þegar upp var staðið fékk Rómarhópurinn allan heiðurinn af þeirri uppgötvun, að miðeindin (mesótrónan) væri ekki Yukawa-eindin heldur ný eind, sem eins og áður sagði átti síðar eftir að fá nafnið mýeind. Ítalarnir voru lengi svo sannfærðir um að þeir hefðu náð að staðfesta Tomonaka-Araki kenninguna, að þeir framkvæmdu hina frægu tilraun sína ekki fyrr en líða tók á árið 1946 (líklega eftir að hafa haft spurnir af hugmyndum Wheelers frá 1945?). Það var um svipað leyti og (eða jafnvel eftir að) Þorbjörn, að áeggjan Wheelers, hóf smíði tilraunabúnaðarins í Princeton. Ítölunum tókst að birta niðurstöður sínar mánuði á undan Princetonhópnum og samkvæmt óskráðum reglum vísindasamfélagsins er uppgötvunin því þeirra. Þeir voru og tilnefndir til Nóbelsverðlaunanna í eðlisfræði fimm sinnum, fyrst 1957 af W.K.H. Panofsky, næst 1963 af E. Amaldi og þremur öðrum, og loks þrjú ár í röð (1972, 1973 og 1974) af Amaldi einum. Þeir fengu þó aldrei verðlaunin.
Þótt talsvert hafi verið vitnað í mæliniðurstöður Princetonhópsins á árunum í kringum 1950, ber nafn Þorbjörns sjaldan sem aldrei á góma í þessu sambandi í alþjóðlegum vísindasagnfræðiritum seinni tíma. Einstaka sinnum er þess þó getið, að Princetonhópurinn hafi staðfest niðurstöður Rómarhópsins. Ítalirnir voru hins vegar duglegir að halda nöfnum sínum á lofti, jafnt í ræðu sem riti. Eina greinin sem ég hef rekist á, þar sem einhver þeirra ræðir óformlega um niðurstöður Þorbjörns, er eftir Piccioni, „The Observation of the leptonic nature of the „mesotron“ by Conversi, Pancini, and Piccioni“, sem birtist í ritinu The Birth of Particle Physics árið 1983 (ritstj. L.M. Brown & L. Hoddeson), bls. 222-241. Þar segir hann á bls. 233:
I want to emphasize, however, that the evidence for the noncapture of negative muons could also have been reached [by the Rome group], although with less aesthetic attraction, if we had proceeded [by] measuring the decay rates with various thicknesses of carbon and above all comparing with aluminum once we had become aware of the large yield from carbon. The Z4 dependence is, in fact, such a powerful tool that T. Sigurgeirsson and A. Yamakawa at Princeton, with a very simple setup that gave a modest counting rate, confirmed our result in only eight days, comparing beryllium with sulfur.
Þorbjörn var hógvær maður og ég veit ekki til þess, að hann nokkurn tímann tjáð sig um persónulega sýn sína á atburðarásina. Það virðist þó nokkuð ljóst, að meginviðfangsefni hans í Princeton var að kanna hvernig líkurnar á hremmingu miðeinda væru háðar sætistölu gleypiefna. Þótt það sé tekið fram í grein hans og Yamakawa, að þeir hafi staðfest niðurstöður Rómarhópsins, er það í mínum huga allsendis óvíst, hvor hópurinn var í raun fyrstur til að átta sig á því að geimgeisla-miðeindin væri ekki Yukawa-eindin.
Hvernig svo sem það nú var, er mikilvægt að því sé haldið til haga, að eftir stutta dvöl við Princetonháskóla var Þorbjörn kominn í fremstu röð þeirra tilraunaeðlisfræðinga, sem lögðu stund á í geimgeislarannsóknir. Slíkum árangri nær enginn eingöngu vegna heppni eða örvandi umhverfis. Til þess þarf bæði mikla hæfileika og djúpa þekkingu á eðlisfræði.
Á sínum tíma vöktu mælingar Þorbjörns og félaga töluverða athygli við Princetonháskóla og reyndar víðar um Bandaríkin. Sem dæmi má nefna, að 30. maí 1947 birtist í dagblaði skólans stutt yfirlit um geimgeislarannsóknir eðlisfræðideildarinnar eftir forseta hennar, áðurnefndan H.D. Smyth. Þótt Þorbjörn sé ekki nefndur þar með nafni er í lok pistilsins (á bls. 2) getið um framlag hans með orðunum, „Study of the third problem, the mechanism of absorption of slow mesons, has already produced striking results.“
Á aðventunni 1947 birtist svo eftirfarandi frétt í dagblaði, sem gefið var út í smábænum Woodstock í Illinois:
Frétt í bandaríska dagblaðinuThe Daily Sentinel (Woodstock, Illinois), 8. desember 1947, bls. 4. Eflaust hafa þessi tíðindi borist víðar um Bandaríkin.
Eftir samningu hinnar merku greinar í ársbyrjun 1947, héldu þeir Þorbjörn og Yamakawa áfram mælingum á miðeindum, nú með endurbættum búnaði, meiri nákvæmni og fleiri gleypiefnum. Rannsónirnar fóru fram í Princeton, allt þar til Þorbjörn fór til Íslands haustið 1947. Hvort Yamakawa hélt mælingunum eitthvað áfram, veit ég ekki, en árið 1948 sendu þeir félagar frá sér ítarlegt yfirlit um rannsóknir sínar, sem birt var í Reviews of Modern Physics í ársbyrjun 1949:
Jafnframt er rétt að benda sérstaklega á hina stórfróðlegu yfirlitsgrein Þorbjörns um geimgeislarannsóknir í Tímariti Verkfræðingafélags Íslands í árslok 1949:
Þorbjörn Sigurgeirsson, 1949: Geimgeislar. Sjá m.a. kaflann „Mesónan og kjarnakraftarnir“, bls. 82-83.
Á þeim tíma sem liðinn var frá birtingu hinna spennandi niðurstaða Ítalanna og Princetonhópsins árið 1947, höfðu fleiri rannsóknarhópar fengið áhuga á viðfangsefninu og tóku fljótlega að birta niðurstöður eigin mælinga og kenninga. Þorbjörn og Yamakawa gátu því borið slík verk saman við sín eigin, sem og þeir og gerðu í 1949-greininni.
Ekki er ástæða til að rekja hér efni hinnar nýju greinar þeirra félaga í neinum smáatriðum, enda er meginniðurstaða hennar staðfesting á fyrri niðurstöðum hópanna í Princeton og Róm. Henni er lýst svona í upphafi greinarinnar, bls. 124:
A year ago we presented preliminary measurements which suggested a systematic trend with atomic number in the number of decay electrons emitted when sea level mesons of assorted electric polarities are stopped in various materials. We have since considerably extended the measurements (Fig. 1.) We conclude that the division between elements of high and low electron emission comes in the neighborhood of atomic number Z0 ~ 10. We have also found that the decay curves for mixed sea level mesons, 0.75 microsec after the arrival of the meson, show a relatively small difference from element to element, as expected from simple theoretical arguments.
Our experiment was designed primarily to make a quick survey of the behavior of negative mesons as affected by the atomic number of the moderator [= absorber]. We therefore made no magnetic separation between mesons of the two polarities. We were able to assume that the unwanted positive mesons undergo decay in all substances because (a) the electrical repulsion of the nucleus prevents capture and because (b) the remarkable observation of Conversi, Pancini, and Piccioni confirmed this conclusion about positive mesons in the case of iron and carbon, and showed that the unexpected difference between the behavior of mesons in the two materials was confined entirely to the negative mesons. In our experiment the decay electrons from the positives, of course, slightly complicate the interpretation of the results and decrease the attainable statistical accuracy of conclusions about negative meson decay. However, the counting rate is many times higher than that obtained in an arrangement employing magnetic separation. In the time which has elapsed since our first report, there has of course been opportunity for other investigators to use the technique of magnetic separation to obtain in the case of certain elements results on the decay of negative mesons by themselves. Such results, where available, are plotted along with our own data in Fig. 2, where there are shown for comparison theoretical curves expected from the Z4eff, power law of meson reaction probability.
The results of our own measurements and those of others are seen to be consistent with a value of close to 10 for the atomic number, Z0 of that idealized nucleus for which meson decay and the specifically nuclear meson disappearance reaction have equal probabilities. This constant provides a means to determine the strength of coupling of the meson field to the nucleus, as shown in detail in a following paper by Tiomno and Wheeler.
Á síðu 127 er svo teikning af hinum nýja og fullkomnari tækjabúnaði þeirra félaga:
Þegar myndin af hinum endurbætta tækjabúnaði þeirra Þorbjörns og Yamakawa er skoðuð, gæti það hjálpað að bera hana saman við teikninguna af tilsvarandi búnaði Rómarhópsins frá 1947, sem birtur var hér að framan í kafla IV.2. Geimgeislarnir koma aðallega að ofan og lenda fyrst á 15 cm þykkum blýskildi (þarna á að standa Pb en ekki P8 og hið sama gildir um P6 neðar á myndinni). Hann stöðvar hægfara geimgeisla og hægir á hraðfleygum miðeindum áður en þær lenda í gleypinum (absorber). Hringirnir tákna Geiger-teljara, sem notaðir eru ýmist til samtímamælinga eða stillanlegra seinkunarmælinga á sundrunarrafeindum frá kyrrstæðum miðeindum í gleypinum, auk bakgrunnsmælinga. Hægra megin á myndinni er raftæknibúnaðurinn sýndur á táknrænan hátt. Gleypiefnin sem þeir Þorbjörn og Yamakawa notuðu í þessum mælingum voru berilín (Be; Z = 4), tetrabórkarbíð (B4C), kolefni (C; Z = 6), teflon, natrínflúoríð (NaF), magnesín (Mg; Z = 12) og brennisteinn (S; Z = 16).
IV.4 Stutt innskot: Tækjasmíði Þorbjörns í Kaupmannahöfn
Efir að að Þorbjörn hóf seinnihlutanám í kjarneðlisfræði við Eðlisfræðistofnun Kaupmannahafnarháskóla árið 1940, komst hann í kynni við marga af helstu eðlisfræðingum Dana á þeim tíma, bæði sérfræðinga í kennilegri eðlisfræði og tilraunum. Af síðarnefnda hópnum lærði hann ekki aðeins hefðbundnar vinnuaðferðir við uppsetningu tilrauna, heldur einnig nýjustu rafeindatækni og smíði nauðsynlegusu mælitækja í kjarneðlisfræði, svo sem Geiger-teljara. Sú mikilvæga þekking kom honum sannarlega í góðar þarfir eftir að hann hóf sjálfur grunnrannsóknir í eðlisfræði, ekki síst í Princeton.
Teikning af Geiger-teljara úr grein Þorbjörns um geimgeisla frá 1949. Þetta kann að vera mælir sem hann hafði sjálfur smíðaði í Princeton og komið með til Íslands árið 1947. Í texta greinarinnar segir (bls. 81-82): „Agnir geimgeislanna má telja med Geiger-teljara á sama hátt og agnir kjarnageislanna. [Myndin] gefur hugmynd um hvernig slíkur teljari er gerður. Sjálft Geiger-rörið er sívalt málmör med mjóum málmþræõi eftir miôjunni. Í báða enda er því lokað loftþétt med ebónittöppum. Inni i rörinu er argon eða önnur lofttegund blönduð alkohólgufu. Þrýstingurinn er venjulega aðeins um 10 cm Hg. Á milli rörsins og þráðarins er um 1000 volta spennumunur, þannig að rörið er negatívt. Ef hraðfleyg ögn fer i gegnum rörið og slær elektrónur út úr mólekúlum loftsins innan i rörinu, þá leita elektrónurnar inn að þráðinum, en þar er rafsviðið svo sterkt, að elektrónurnar fá nægan hraða til þess að slá út nýjar elektrónur úr mólekúlum þeim, sem þær rekast á. Þannig fjölgar stöðugt elektrónunum, sem streyma til þráðarins, unz þær skipta þúsundum miljóna. Spennumunurinn milli rörs og þráðar hefur þá lækkað og elektrónustraumurinn stöðvast. Spennukippirnir á þræðinum eru siðan styrktir í magnara og látnir reka teljara, sem sýnir hve margar agnir fara i gegnum rörið. Á þennan hátt má telja nokkur þúsund agnir á mínútu, ef á þarf að halda. Til þess að finna stefnu geimgeislanna, má nota tvö Geiger-rör. Magnarinn er þá þannig útbúinn, að hann verkar ekki á teljarann nema bæði Geiger-rörin sendi samtímis frá sér spennukipp. Þannig má telja þær agnir, sem fara i gegnum báða teljara, en við það er stefna þeirra ákveðin.“
Á síðustu námsárunum vann Þorbjörn talsvert með aðalkennara sínum í tilraunaeðlisfræði, J.C. Jacobsen, meðal annars að viðhaldi hringhraðals eðlisfræðistofnunarinnar, sem Jakobsen hafði yfirumsjón með. Prófessorinn hafði jafnframt séð um uppsetningu hraðalsins og að koma honum í gagnið árið 1938.
Þekktasta rannsóknarverkefnið, sem Þorbjörn vann með Jacobsen, var ákvörðun á helmingunartíma RaC´, efnis sem við nú vitum að er geislavirka samsætan pólon 214. Hún er hluti af úran-238 geislaættinni og lifir í mjög skamman tíma áður en hún hrörnar í blý-210 með því að senda frá sér α-ögn.
Jacobsen hafði lengi reynt að mæla meðalævi RaC´ en án árangurs. Það var ekki fyrr en Þorbjörn kom honum til aðstoðar, sem þeim tókst í sameiningu að mæla helmingunartímann, með því að nota svokallaðar (og áðurnefndar) stillanlegar seinkunarmælingar (delay coincidence method) með eigin endurbótum. Um þetta skrifuðu þeir grein, sem birtist stuttu eftir að Þorbjörn útskrifaðist sem magister:
Það er fyrst í lokaorðum greinarinnar (bls. 12) sem höfundarnir greina frá því að mældur helmingunartími RaC´ sé τ = 155 +/- 5 míkrósekúndur (viðurkennt gildi í dag mun vera 163,5 míkrósek, svo munurinn er í kringum 5%). Þetta þótti umtalsvert afrek í Kaupmannahöfn á sínum tíma og jók enn hróður Þorbjörns við Eðlisfræðistofnunina. Fréttin virðist þó ekki hafa borist víða, enda var seinni heimsstyrjöldin þá í algleymingi.
Til að gefa einhverja hugmynd um tækjabúnaðinn, sem þeir Þorbjörn og Jacobsen hönnuðu og notuðu við mælingarnar, birti ég hér tvær teikningar úr grein þeirra, ásamt frekar stuttum skýringum mínum. Nánari upplýsingar er að finna í greininni sjálfri.
Mynd 1, bls. 5, sýnir meginrásina. Lengst til vinstri eru tvö Geiger-rör og milli þeirra er þunn álþynna. Á þynnunni er komið fyrir geislavirkum afkomendum radons-222 (radium emanation), þ.e. blýi-214 (RaB) og bismút-214 (RaC). Það sem gerist í famhaldinu er að RaB β-hrörnar (τ = 26,8 mín) í RaC, sem aftur β-hrörnar (τ = 20 mín) í RaC´. Eins og áður segir α-hrörnar RaC´ í blý-210 á örskömmum tíma, og þann tíma á búnaðurinn að mæla. β-geislunin kemst í gegnum álþynnuna en α-geislunin ekki. Ef við gerum ráð fyrir að efra Geiger-rörið á myndinni sé fyrir ofan þynnuna telur það því bæði α- and β-agnir, en neðra rörið aðeins β-agnir. – Kassatáknin D1 og D2 á miðri mynd standa hvort um sig fyrir seinkunarrás (delay circuit), eins og þá sem sýnd er á mynd 2 hér fyrir neðan. – Rásin hægra megin við D-kassana (the Rossi stage) sér svo um samtímamælingar á merkjum frá seinkunarrásunum.
Mynd 2, bls. 6, sýnir rásina, sem er inni í seinkunarkössunum D1 og D2 á mynd 1. Lengst til vinstri er Geiger-rör. Þessi tegund rása mun víst ganga undir nafninu vippa á íslensku. Berist merki inn í D2 frá neðra Geiger-rörinu (the ß-counter) á mynd 1, er hægt (með breytilega þéttinum C2) að stilla rásina þannig að hún seinki merkinu, þar til það verður samtíma merkinu frá efra Geiger-rörinu (the α-counter) í D1. Þessu er lýst nánar á bls. 5 til 6 í greininni.
Í lok greinarinnar (bls. 16) gefa höfundarnir svo stutt yfirlit yfir meginþætti mælinganna og niðurstöður þeirra:
The decay constant of RaC´ has been determined by a coincidence method. Active deposit from Radium emanation is placed between two counters which are screened in such a way that one counter counts ß-particles, only, the other counts both α- and ß-particles. By means of a multivibrator, the impulses from the ß-counter are delayed relative to the impulses from the α-counter by an amount which is of the same order of magnitude as the mean lifetime of RaC´. Under these circumstances the emission of a ß-particle from RaC and the subsequent emission of an α-particle from RaC´ are observed as a coincidence. The number of coincidences as a function of the delay of the impulses from the ß-counter shows an exponential decay over a time interval of about 4 half periods; for the half period is found (1.55 ± 0 .05) • 10-4 sec, in satisfactory agreement with the value obtained previously by Rotblat.1 – [1 Rotblat, J., 1941: Application of the coincidence method for measurements of short life periods. Í grein Þorbjörns og Jacobsens segir að þeir hafi ekki séð þessa grein Rotblats fyrr en að lokinni sinni tilraun, sumarið 1942. Í því sambandi er rétt að minna á, að Þjóðverjar hernámu Danmörku í apríl 1940, og er það eflaust ástæðan fyrir töfinni.]
Að lokum má geta þess, að þekking Þorbjörns á mælingum með Geiger-teljurum kom sér vel í rannsóknum hans við Nóbelsstofnunina í Svíþjóð árið 1944 (sjá greinina Atterling, H., E. Bohr & T. Sigurgeirsson, 1946: Neutron-Induced Radioactivity in Lutecium and Ytterbium. Næst fyrsta greinin í ritinu.) og svo að sjálfsögðu við geimgeislarannsóknirnar í Princeton.
IV.5 MIT hópurinn
Eftir að hafa tekið þátt í rannsóknarátakinu mikla í Los Alamos á stríðsárunum, hóf einn fremsti geimgeislafræðingur heims, ítalsk-bandaríski eðlisfræðingurin B. Rossi, störf við Tækniháskólann í Massachusetts (MIT) haustið 1946. Þar setti hann strax á fót sérstakan hóp innan kjarnvísindadeildar skólans til rannsókna á geimgeislum (the Cosmic Ray Group).
Eins og þegar hefur komið fram, voru geimgeisla-miðeindir eitt heitasta viðfangsefni öreindafræðinga á þessum tíma og Rossi fékk því einn af samstarfsmönnum sínum við MIT, G.E. Valley, til að hefja mælingar á massa eindanna og ákvarða hremmingar- og sundrunarlíkur þeirra í þéttum efnum. Þetta var í öllum meginatriðum sama viðfangsefnið og Rómarhópurinn og Princetonhópurinn voru að glíma við á sama tíma. Engar fréttir báust þó af því til Boston, fyrr en verkefnið við MIT var hafið og vel á veg komið. Af ástæðum sem mér eru ekki kunnar, birtustu niðurstöður MIT-hópsins þó ekki fyrr en átta til níu mánuðum eftir að greinar hinna hópanna tveggja komu á prenti.
G.E. Valley (til vinstri) og B. Rossi.
Við rannsóknirnar skiptu þeir félagarnir með sér verkum. Rossi skipulagði verkefnið og hafði yfirumsjón með því, kom með hugmyndir og gaf góð ráð. Valley framkvæmdi hins vegar allar mælingarnar, vann úr þeim og skrifaði grein sem birtist í nóvember 1947. Nokkrum mánuðum síðar sendu þeir svo inn aðra grein um niðurstöður frekari mælinga á meðalævi neikvæðra miðeinda í þéttum efnum, sem þeir höfðu báðir komið að. Hún birtist í ársbyrjun 1948.
Fyrir neðan er teikning af tækjabúnaðnum sem notaður var við þessar rannsóknir MIT-hópsins (bls. 773 í 1947-greininni). Hér má svo sjá ljósmynd af Valley við mælingar. Ólíkt hópunum í Róm og Princeton notuðu MIT-mennirnir þokuhylki í segulsviði (H). Geim-miðeindirnar koma aðallega að ofan og fara í gegnum blýplötuna (L1) og teljarabúnað (1 og 2) áður en þær lenda í þokuhylkinu (c.c.). Gleypirinn (S = specimen) er umkingdur Geiger-teljurum (D) sem nema dóttur-eindir frá sundrun miðeindanna. Eins og hinir hóparnir tveir, beitti MIT-hópurinn bæði stillanlegum seinkunarmælingum og samtímamælingum. Mynd af raftæknibúnaði þeirra er að finna á bls. 774 í 1947-greininni. Í þessu sambandi má einnig benda lesendum á lýsingu Þorbjörns Sigurgeirssonar á þokuhylki í kafla III.1 hér að framan.
Niðurstöðum fyrri mælinganna lýsir Valley svo á bls.772 í fyrri greininni:
Cosmic ray mesons, after passage through a cloud chamber situated in a magnetic held, were slowed down and allowed to decay in specimens of carbon, stainless steel, brass, water and beryllium. By means of delayed coincidence circuits the cloud chamber was actuate only when a meson decayed in the specimen. In stainless steel and in brass, only positive mesons decay; in carbon, water, and beryllium both positive and negative mesons decay in such numbers as to indicate that few, if any, of the negative mesons undergo nuclear capture in these substances. It is shown that the masses of the decaying mesons are approximately two hundred times the mass of an electron.
Hann tekur einnig sérstaklega fram að mælingarnar staðfesti bæði niðurstöður Rómarhópsins og Princetonhópsins. Greininni lýkur svo á þessum orðunum, bls. 783:
The results for carbon, steel, brass and water tend to validate the method used by Sigurgiersson and Yamakawa, especially in view of the great difference in electron absorption to be expected for the steel and for the brass specimens, due to their different geometries.
Frekari frásagnir af geimgeislarannsóknum við MIT má finna í eftirfarandi heimildum:
IV.6 Annað stutt innskot: Ráðstefnan á Sheltereyju í júni 1947
Í byrjun júní 1947 var haldin mikilvæg ráðstefna á Sheltereyju í New York. Þar komu saman margir af fremstu eðlisfræðingum Bandaríkjanna til þess að ræða grundvöll skammtafræðinnar í ljósi nýjustu tilrauna og hugmynda.
Færri vita kannski, að annað af aðlumræðuefnum ráðstefnunnar voru eiginleikar geimgeisla-miðeindarinar. B. Rossi skýrði frá mæliniðurstöðum Rómarhópsins, og þótt þess sé hvergi getið i þeim heimildum sem ég hef skoðað, hefur hann án efa minnst á mælingar Princetonhópsins og MIT-hópsins. Eftir erindi hans urðu talsverðar umræður um það hvernig túlka ætti niðurstöðurnar og hvort þarna væri Yukawa-eindin á ferðinni eða ekki. Þar munu þeir Oppenheimer og Weisskopf hafa verið einna háværastir, þótt bæði Wheeler og Teller hljóti að hafa látið í sér heyra.
Umræðurnar enduðu með með því að R.E. Marshak hjó á hnútinn með uppástungu, sem flestir ráðstefnugesta virðast hafa getað sætt sig við, nefnilega að í raun væri um tvær mismunandi agnir að ræða, annars vegar mesótrónuna og hins vegar Yukawa-eindina, sem ekki hefði enn fundist. Yukawa-eindin myndaðist hátt í gufuhvolfinu við áresktur frumgeimgeisla við loftsameind og sundraðist þar tiltölulega fljótlega. Mesótrónan væri dóttureind hennar sem kæmist alla leið niður að yfirborði jarðar.
Marsahak fékk fyrrum leiðbeinanda sinn í doktorsnámi, H. Bethe, til að vinna með sér að frekri útfærslu hugmyndarinnar og um haustið birtist eftir þá grein um efnið:
Það merkilega er, að enginn af þátttakendunum á Shelterráðstefnunni höfðu haft spurnir af því, að rúmlega viku fyrir ráðstefnuna höfðu C.F. Powell og samstarfsmenn hans við Bristolháskóla birt tímamótagrein í Nature. Þar skýrðu þeir frá því, að þeir hefðu fyrir nokkru fundið Yukava-eindina í geimgeislamælingum og séð hana sundrast í mesótrónu (sjá nánar í V. kafla). Einnig má geta þess að vegna styrjaldarinnar fengu vestrænir eðlisfræðingar ekki fréttir af því fyrr en í árslok 1947, að japanskir öreindafræðingar hefðu sett fram svipaðar hugmyndir og Marshak á árunum 1942-43, annars vegar S. Sakata and T. Inoue og hins vegar Y. Tanikawa.
Hér eru í lokin tvær yfirlitsgreinar um fyrstu Sheltereyju-ráðstefnuna og þróun öreindafræðinnar í kjölfarið:
Marshak, R.E., 1983: „Particle Physics in Rapid Transition 1947-1952.“ Í ritinu The Birth of Particle Physics (ritstj. L.M. Brown & L. Hoddeson), bls. 376-401.
.
V. Yukawa-eindin finnst í geimgeislaskúrum
Við uppgötvun Yukawa-eindarinnar (píeindarinnar) vorið 1947 notaði geimgeislahópurinn í Bristol, sem auk C.F. Powells samanstóð af C. Lattes, G. Occhialini og H. Muirhead, edurbætta útgáfu af tækni, sem austurrísku eðlisfræðingarnir M. Bau og H. Wambacher höfðu upphaflega þróað og notað við merkar geimgeislamælingar fyrir stríð. Þetta var hin svokallaða geislanæmistækni sem lýst er á teikningunum hér fyrir neðan.
Myndirnar tvær eru fengnar að láni úr Wikipedíugrein um geislanæmistækni. Efri myndin sýnir rafhlaðna ögn fara í gegnum þunnt gelatínlag á ljósmyndaplötu og sú neðri, hvernig ögnin fer í gegnum stafla af slíkum plötum. Nánari skýringar má finna í Wikipedíugreininni, en í geimgeislagrein sinni frá 1949 hefur Þorbjörn þetta að segja um aðferðina (bls. 80): „Í stað þokuhylkisins má nota aðra aðferð til þess að gera brautir geimgeislanna sjáanlegar. Ef alfa-ögn fer i gegnum ljósnæmu himnuna á venjulegri ljósmyndaplötu, þá kemur við framköllunina svört rák þar, sem ögnin hefur farið. Rákin er að vísu mjög stutt og verður varla séð með berum augum, en með smásjá sést hún greinilega, og í gegnum smásjána má taka stakkaðar myndir af henni. Hin Ijósnæma himna ljósmyndaplötunnar er gerð úr örlitlum silfurbrómíðkornum, sem bundin eru saman af „gelatin“-himnu. Ef nægilega sterkt ljós skín á eitt af kornum þessum, þá verður það til þess að silfurbrómíðið redúserast við framköllunina og verður að hreinu silfri, en það eru þessi silfurkorn, sem gera plötuna svarta. Þegar alfa-ögn fer i gegnum eitt af hinum ljósnæmu kornum hefur það sömu áhrif og ljós: kornið framkallast og verður að silfri. Alfa-ögnin skilur því eftir sig röð af svörtum silfurkornum þar, sem hún hefur farið. Beta-agnir framkalla engar brautir í venjulegum ljósmyndaplötum. Áhrif þeirra á hin ljósnæmu korn, sem þær fara í gegnum, eru of lítil til þess, að þau framkallist. Á síðustu árum hefur þó tækninni fleygt mjög fram, og nú eru til svo næmar plötur, að þær sýna einnig brautir beta-agna. Í þessum plötum eru kornin miklu minni og liggja miklu þéttar en í venjulegum ljósmyndaplötum.“
Eðlisfræðingarnir sem fundu Yukawa-eindina. Frá vinstri: G. Occhialini, C. Powell og C. Lattes. Ég hef því miður ekki fundið mynd af H. Muirhead.
Fyrstu geislanæmnismælingar Bristolhópsins, sem sýndu fram á tilvist píeindarinnar í geimgeislaskúrum, voru gerðar í 2,9 km hæð á fjallinu Pic du Midi í frönsku Ölpunum árið 1947. Seinna sama ár stóðu þeir að frekari mælingum í 5,5 km hæð á fjallinu Chacaltaya í bólivísku Andesfjöllunum. Eftir að hafa legið yfir gögnunum tókst þeim að sýna fram á, að píeindin (Yukawaeindin) sundraðist flótlega í mýeind (mesótrónu) og eina (ósýnilega) fiseind.
Hér eru fyrstu myndirnar sem Bristolhópurinn birti af sundrun píeinda í mýeindir:
Myndin til vinstri (Fig. 2. úr greininni 1947a): Upprunalega píeindin kemur inn að neðan vinstra megin. Slóð hennar liggur upp eftir myndinni að punktinum A (efst uppi). Þar sundrast píeindin í mýeind sem hreyfist niður eftir slóðinni hægra megin. Fiseindin sem myndaðist í A skilur ekki eftir sig neina slóð. – Myndin til hægri (Fig. 1. úr greininni 1947a): Píeindin kemur inn frá vinstri neðst á myndinni. Slóð hennar hverfur þegar hún sundrast í mýeind og fiseind neðst til hægri í punktinum A. Engin rák sést eftir fiseindina, en nýmynduð mýendin skilur eftir sig slóð upp eftir myndinni frá A til B, þar sem hún sundrast í rafeind og fiseind (slóðir þeirra sjást ekki á myndinni).
VI. Fleiri nýjar eindir – Hraðlar taka völdin – Þorbjörn enn
Segja má að þeir kjarneðlisfræðingar sem lögðu fyrir sig rannsóknir á geimgeislum á fjórða og fimmta áratugi tuttugustu aldar hafi með því komist í fremstu röð í tilraunaöreindafræði. Þorbjörn Sigurgeirsson var einn þeirra.
Nokkrir einstaklingar í hópi þessara vísindamanna uppgötvuðu nýjar eindir í geimgeislaskúrum, þar á meðal jáeindina (e+) í þokuhylki 1932 (Anderson), mýeindirnar (μ– og μ+) í (sama) þokuhylki 1936 (Anderson og Neddermeyer) og píeindirnar (π– og π+) með geislanæmistækni 1947 (Bristolhópurinn). Þótt vísbendingar um tilvist π0 hefðu áður fundist í geimgeislaskúrum, sást eindin fyrst með vissu í sérstakri gerð hringhraðals í Berkeley árið 1950. Aðrir geimgeislafræðingar gerðu grundvallaruppgötvanir um eðli þessara nýju einda með ýmsum hætti, þar á meðal Rómarhópurinn og Princetonhópurinn með Geigertalningum á mýeindum og dóttureindum þeirra 1947.
Um það leyti sem Þorbjörn yfirgaf Bandaríkin og settist að á Íslandi, haustið 1947, voru verulegar breytingar í uppsiglingu í heimi öreindafræðinnar. Mælingar lítilla rannsóknarhópa á tilfallandi geimgeislaskúrum tóku hægt og sígandi að víkja fyrir hnitmiðuðum tilraunum með sífellt stærri og öflugri hröðlum með æ fyrirferðameiri og flóknari tækjabúnaði. Þessi þróun, sem oft er kennd við Big Science, krafðist mikils fjölda vísinda- og tæknimanna auk umtalsverðra innviða og aukinna fjárveitinga.
Flestir mikilvægustu hraðlarnir á sjötta og sjöunda áratugnum voru bandarískir samhraðlar fyrir róteindir. Þeirra þekktastir í byrjun voru svokallaður Kosmótrón í Brookhaven (vígður 1953) og Bevatróninn í Berkeley (vígður 1954). Á svipuðum tíma (1952) fann Bandaríkjamaðurinn D. Glasser upp bóluhylkið, sem átti eftir að valda byltingu í öreindatilraunum. Árið 1960 hlaut Glasser Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir uppgötvun sína og einn af þeim sem tilnefndu hann til verðlaunanna var Þorbjörn Sigurgeirsson.
Bevatrón samhraðallinn í Berkeley skömmu eftir að hann var tekinn í notkun. Rauða örin bendir á mann lengst til hægri. Honum á hægri hönd er línuhraðall sem skýtur róteindum inn í samhraðalinn. Skotmörkin eru í þeim hluta hringsins sem er í mestri fjarlægð á myndinni.
Áður en hraðlar urðu allsráðandi í öreindafræði uppgötvuðu geimgeislafræðingar hinar undarlegu V-eindir, sem áttu eftir að hafa mikil áhrif á hugmyndir manna um eiginleika öreinda. Fyrstar voru káeindirnar svokölluðu (K0, K+, K–) sem fundust í desember 1947. Þær sáust í þokuhylki, og hið sama á við um lambdaeindina (Λ0) árið 1950 og xíeindirnar (Ξ–og Ξ+) 1952. Fyrsta sigmaeindin (Σ+) uppgötvaðist hins vegar með geislanæmistækni árið 1953.
Agnirnar K0, K+, K–, Λ0, Ξ –, Ξ + og Σ+ munu vera síðustu öreindirnar sem fundust í geimgeislarannsóknum. Eftir það tóku hraðlarnir við keflinu. Með þeirra aðstoð áttu eftir að finnast margar nýjar eindir (þar á meðal nýjar andeindir) sem og sívaxandi fjöldi svokallaðra hermueinda (frá og með 1952), sem ollu mönnum miklum heilabrotum í fyrstu.
Þessar uppgötvanir á nýjum og áður óþekktum eindum, fyrst í geimgeislaskúrum og síðan hröðlum, komu af stað örri þróun í kennilegri öreindafræði. Sú mikla og flókna saga verður ekki rakin hér. Ég vil þó leyfa mér að nefna nokkra hápunkta sem mér þykja mikilvægir í tengslum við efni þessarar færslu.
Undarlegir eiginleikar V-eindanna urðu til þess að innleidd var ný skammtatala, sérstöðutalan, á árunum1952-53. Hinn þekkta eindaflokkun, sem kennd er við áttfaldan veg kom til sögunnar 1961 og þremur árum seinna sá kvarkakenningin dagsins ljós. Í kringum 1970 var raf-veika kenningin fullmótuð, en hún sameinaði rafsegulvíxlverkunina og veiku víxlverkunina undir einn hatt. Haldbær kenning um sterku víxverkunina, skammtalitfræðin, kom til sögunnar 1973 og skömmu síðar var svokallað staðallíkans öreindafræðinnar orðið að veruleika. Í dag, hálfri öld síðar, er það enn eina nothæfa allsherjarkenningin sem til er um hinn smáa heim öreindanna.
Weinberg, S., 1998: Ár var alda. Þýðandi Guðmundur Arnlaugsson. Inngangur eftir Einar H. Guðmundsson. Eitt fyrsta alþýðuritið sem fjallaði um heims- og stjarnöreindafræði.
Undir lokinn er við hæfi að minna á, að Þorbjörn Sigurgeirsson var einn þeirra sem tók þátt í hraðlabyltingunni miklu á sjötta áratugnum. Að frumkvæði Níelsar Bohr dvaldi hann í tæpt ár, 1952-53, við kennilegu deildina í CERN, sem þá var til húsa við Eðlisfræðistofnun Kaupmannahafnarháskóla. Þar vann Þorbjörn að verkefnum með ýmsum öðrum, aðallega þó Þjóðverjanum G. Lüders og Ítalanum E.R. Caianiello. Þetta var hluti af undirbúningsvinnu fyrir smíði róteindasamhraðalsins PS, sem Niels Bohr vígði árið 1960 og gegnir enn mikilvægu hlutverki hjá CERN í Sviss. Meginviðfangsefnið, sem hópurinn glímdi við, var fræðileg könnun á því hvernig best væri að halda orkumiklum róteindum (eða öðrum rafhlöðnum eindum) á réttri braut í stórum samhröðlum.
Eftir tiltölulega stuttan tíma í Kaupmannahöfn lagði Þorbjörn fram tillögu um nýja lögun á skautum seglanna sem ætlað var að beina villuráfandi róteindum aftur inn í megin róteindabununa sem verið var að hraða í átt að skotmarkinu. Tillagan vakti strax verulega athygli og ég veit ekki betur en að hún hafi verið notuð, alla vega að hluta, við smíði PS-hraðalsins. Þótt tillaga Þorbjörns og tilheyrandi útreikningar hafi aðeins verið gefnir út á skýrsluformi, má enn þann dag í dag sjá vitnað í þessar hugmyndir hans á alþjóðavettvangi.
Sem kunnugt er kepptust Bandamenn við, bæði fyrir og eftir stríðslok, að ná til raunvísinda- og tæknimanna Þriðja ríkisins og flytja þá og fjölskyldur þeirra með sér heim. Afkastamestir voru Bandaríkjamenn og Sovétmenn, enda var markmið þeirra með aðgerðunum fyrst og fremst það að ná forskoti í kalda stríðinu með því að nýta þekkingu og starfskrafta þýsku sérfræðinganna við uppbyggingu raunvísinda og tækni heima fyrir, ekki síst vegna yfirvofandi vígbúnaðarkapphlaups.
Enn hvílir leynd yfir hluta þessara „herleiðinga“ en einna mest er vitað um hina svokölluðu Bréfaklemmuaðgerð Bandaríkjamanna og þá ekki síst flutninginn á þýskum eldflaugasérfræðingum frá Peenemünde, þar sem V-2 flugskeytin voru þróuð og framleidd, til bandarískra herstöðva í Texas og Nýju Mexíkó (Fort Bliss og White Sands Proving Ground).
Þar sem aðalpersónan í þessari frásögn er Þorbjörn Sigurgeirsson, verður ekki kafað dýpra í þessa margbrotnu og umfangsmiklu sögu hér (sjá þó eftirfarandi heimildaskrá), heldur mun athyglinni fyrst og fremst beint að rannsóknartengdum V-2 geimskotunum frá Hvítusöndum og þá einkum geimgeislarannsóknum á árinu 1946.
Herteknar V-2 flaugar voru fluttar í pörtum sjóleiðina frá meginlandi Evrópu til Bandaríkjanna og síðan með lestum til Hvítusanda, þar sem þær voru settar saman á ný.
Þrjátíu og fjórir þýskir eldflaugasérfræðingar á Hvítusöndum í janúar 1946.
Eftir því sem ég best veit gerðu geimgeislafræðingarnir í Princeton aðeins tvær tilraunir til rannsókna með V-2 flaugunum. Sú fyrri fór fram 15. ágúst 1946 og hin seinni 7. nóvember sama ár. Báðar misheppnuðust vegna bilana í stjórnkerfum flauganna.
Eina heimildin sem ég hef fundið um fyrra skotið má sjá á næstu mynd:
Upplýsingar um fyrra Princeton-geimskotið, hinn 15. ágúst 1946. – Úr töflu í Wikipedíugrein um geimskot fyrir 1951.
Ég hef ekki hugmynd um hvort Þorbjörn kom með einhverjum hætti að ágúst-tilrauninni, en hann tók hins vegar fullan þátt í undirbúningi og uppsetningu hinnar seinni í nóvember. Það má til dæmis sjá í eftirfarandi frétt frá því í lok október 1946:
Frétt í The Daily Princetonian, 29. október 1946, bls. 1 og 3. Eins og þarna kemur fram voru fimm sérfræðingar í hópnum sem fór til Hvítusanda. Þorbjörn var eini kjarneðlisfræðingurinn og leiðangursstjórinn, J.F. Brinster, hafði haft aðalumsjón með hönnun og smíði fjarmælingabúnaðarins. Hópurinn mun hafa dvalið í tvær vikur á Hvítusöndum. Aðeins ítarlegri umfjöllun birtist í tímaritinu Princeton Alumni Weekly, 8. nóv 1946, bls. 8: The German V-2 and Cosmic Radiation.
Í fréttinni kemur meðal annars fram, að vonast var til að flaugin kæmist í að minnsta kosti 100 km hæð svo að hægt yrði að fá einhverjar upplýsingar um frumgeislunina og upphaf geimgeislaskúra. Niðurstöður fjarmælingabúnaðarins yrðu síðan sendar til jarðar þar sem sérhönnuð móttökutæki sæu um að skrá þær.
Gengið var frá tækjabúnaði Princetonhópsins í sprengjuoddi V-2 flaugarinnar. Þar var komið fyrir tveimur jónahylkjum og nokkrum Geiger–teljurum ásamt tilheyrandi raftæknibúnaði. Í flauginni var einnig sérhannaður fjórrása fjarmælingabúnaður. Mynd úr Princeton Alumni Weekly, 8. nóvember 1946, bls. 9.
Þorbjörn og tveir aðrir við sprengjuodd V-2 flaugarinnar fyrir skotið í nóvember 1946. Sjá frétt í Þjóðviljanum, 24. september 1947, bls. 8.
V-2 flaug undirbúin fyrir flugtak á Hvítusöndum. Sprengjuoddurinn er fremst á flauginni. Princetonflaugin vó alls 15 tonn og átti að ná hámarkshraða 5.600 km á klst. Mynd úr Princeton Alumni Weekly, 8. nóvember 1946, bls. 9.
V-2 flaug tekur á loft frá Hvítusöndum. Mynd: Getti Image.
V-2 eftir lendingu. Mynd úr grein Krauss frá 1947, bls. 434.
Eins og áður sagði var heppnin var ekki heldur með með Princetonhópnum í þessari seinni tilraun. Skömmu eftir flugtak varð flaugin óstöðug og breytti um stefnu þannig að stjórnendur slökktu fljótlega á knýnum. Flaugin féll svo til jarðar innan skotsvæðisins án þess að nokkrar nothæfar geimgeislamælingar ættu sér stað.
Upplýsingar um seinna Princeton-geimskotið, hinn 7. nóvember 1946. – Úr töflu í Wikipedíugrein um geimskot fyrir 1951.
Eftir þessar tvær misheppnuðu tilraunir virðast eðlisfræðingar í Princeton hafa hætt við frekari geimgeislarannsóknir með V-2 flugskeytunum og ýmist snúið sér að öreindatilraunum með hröðlum, geimgeislamælingum á jörðu niðri (Þorbjörn og félagar) eða háloftamælingum úr loftbelgjum (sjá t.d. hér og hér). Ég veit lítið sem ekkert um það hvað kom út úr belgjarannsóknunum á þessum tíma, en þær munu hafa staðið yfir í nokkur ár (sjá t.d. hér).
Hvað Þorbjörn varðar, kom hann alkominn heim til Íslands frá Bandaríkjunum í september 1947 og hóf smám saman sitt merka uppbyggingarstarf hér á landi, einkum þó eftir að hann tók þátt í hinni afdrifamiklu Genfarráðstefnu í ágúst 1955.
Mig langar til að minna á, að auk þessarar færslu og greinar Steindórs J. Erlingssonar Eðlisfræðingur verður til: Nám og rannsóknir Þorbjörns Sigurgeirssonar á árunum 1937-1947 (hausthefti Skírnis 2025, bls. 267-300), hefur talsvert verið birt áður um ævi og störf Þorbjörns. Lista yfir flestar þær ritsmíðar, ásamt tenglum, má nálgast í bloggfærslu minni:
Í því sem á eftir fer er ætlunin að nýta tækifærið sem skammtafræðiárið 2025 býður upp á og huga að því, hvernig upplýsingar um nýjar uppgötvanir og hugmyndir nútímaeðlisfræðinnar bárust Íslendingum á sínum tíma. Orðið nútímaeðlisfræði er yfirleitt notað um rannsóknir á eðli áður óþekktrar geislunar sem uppgötvaðist í lok nítjándu aldar og jafnframt hinar torskyldu kenningar um eindir, rúm, tíma, ljós, efni, þyngd og víxlverkanir, sem settar voru fram í upphafi hinnar tuttugustu. Þar er um að ræða grundvallargreinarnar skammtafræði, takmörkuðu afstæðiskenninguna og almennu afstæðiskenninguna. Á þeim byggja svo mörg önnur svið, svo sem atóm- og sameindaeðlisfræði, kjarneðlisfræði, öreindafræði, þéttefnisfræði, stjarneðlisfræði, heimsfræði og fleiri mikilvægar greinar.
Í tilefni skammtafræðiársins verða söguþættirnir í þessum kafla fyrst og fremst takmarkaðir við þann hluta nútímaeðlisfræðinnar sem fjallar um skammtafræði, atóm og sameindir sem og öreindir og víxlverkanir þeirra. Eins og tekið var fram í kafla Ia er þeim, sem hafa meiri áhuga á að kynna sér hvernig hin megingrein grunneðlisfræðinnar, afstæðiskenningin, hélt innreið sína hér á landi, bent á eftirfarandi ritsmíðar:
Eftirfarandi myndir (frá Wikipedíu) eru af nokkrum þeim einstaklingunum sem almennt er talið að hafi hrint nútímaeðlisfræðinni úr vör á áratugunum í kringum 1900:
Þótt vissulega megi deila um það, hvenær nútímaeðlisfræðin hafi fyrst séð dagsins ljós, er miðað við það í þessu yfirliti að saga hennar hefjist í nóvember 1895. Það var þá sem þýski eðlisfræðingurinn W.C. Röntgen uppgötvaði geislana, sem nú eru við hann kenndir á flestum tungumálum. Í kjölfarið fylgdi svo skriða nýrra uppgötvana, hugmynda og kenninga. Sú mikla saga verður þó ekki rakin á þessum vettvangi, heldur er lesendum bent á eftirfarandi ritaskrá og ekki síst hina ítarlegu tímalínu í bók A. Pais frá 1986, bls. 627-637. Hér verður hin almenna og flókna þróun eðlisfræðinnar á tuttugustu öld því að mestu í bakgrunni frásagnarinnar.
Jakob Yngvason, 2015: „Atóm og sameindir: Stærð þeirra og fjöldi.“ Í bókinni Einstein. Eindir og afstæði, bls. 107-132.
Þorsteinn J. Halldórsson, 2015: „Tilgáta um tvíeðli ljóss.“ Í bókinni Einstein. Eindir og afstæði, bls. 186-220.
Þeim, sem kjósa frekar einfalt og aðgengilegt yfirlit, má benda á eftirfarandi Wikipedíugrein, þar sem hægt er að rekja sig áfram með því að smella á viðeigandi tengla:
Í eftirfarandi þáttum úr viðtökusögu nútímaeðlisfræðinnar hér á landi kýs ég að skipta tímabilinu sem til umfjöllunar er í þrjú undirtímabil, sem ég tel að endurspegli nokkuð vel þróunina á þessum árum:
Tímabilið 1896 -1919: Frá fyrstu fréttum af uppgötvun röngengeisla til stofnunar stærðfræðideildar MR árið 1919. Þessi færsla.
Tímabilið 1920 – 6. ágúst 1945: Frá stofnun stærðfræðideildar MR til upphafs atómaldar.
Tímabilið 7. ágúst 1945 -1961: Frá upphafi atómaldar til 1961.
Til frekari þæginda hef ég tekið saman tvær skrár, sem gætu komið lesendum að góðum notum. Önnur fjallar um boðbera hinna nýju vísinda (færsla II) og hin um helsu alþýðurit sem komu út á tímabilinu (færsla III). Hins vegar hef ég ekki gefið mér tíma til að kanna hvernig nútímaeðlisfræði var kynnt í hinum ýmsu kennslubókum, sem notaðar voru við íslenska menntaskóla (og Háskóla Íslands) fram til 1960. Slík vinna bíður einhvers annars.
.
1. Frá fyrstu fréttum af uppgötvun röngengeisla til stofnunar stærðfræðideildar MR árið 1919
Röntgengeislar
Í fyrsta tölublaði Eimreiðarinnar árið 1896 birtist greinin Merkileg uppgötvun eftir Nikulás Runólfsson, fyrsta íslenska eðlisfræðinginn. Í eftirmála fer ritsjórinn Valtýr Guðmundsson nokkrum orðum um höfund og innihald greinarinnar. Þar segir meðal annars (bls. 73-74):
Framanskráð grein er rituð af þeim manni, sem sjálfsagt bezt allra Íslendinga hefur vit á þessu efni, enda hefur hann, að því er hjerlend blöð skýra frá, þessa dagana verið sjálfur að fást við tilraunir með Röntgens-geisla á fjöllistaskólanum hjer í Khöfn. En síðan greinin var skrifuð hefur ýmislegt birzt um tilraunir með þessa geisla í öðrum löndum, því um allan hinn menntaða heim eru menn nú sem óðast að fást við slíkar tilraunir, og flytja blöðin nálega daglega nýjar og nýjar fregnir um árangurinn af þeim. Er prófessor Röntgen þegar orðinn heimsfrægur fyrir uppgötvan sína, enda telja rnenn hana meðal hinna þýðingarmestu á þessari öld.
Röntgen uppgötvaði geislana í annarri viku nóvember 1895, en tilkynnti ekki opinberlega um tilvist þeirra fyrr en 28. desember. Fréttin af uppgötvuninni barst eins og eldur í sinu um alla heimsbyggðina og snemma árs 1896 var niðurstaða Röntgens staðfest víða um lönd, þar á meðal í Kaupmannahöfn. Nikulás kom þar við sögu, og þegar grein hans kom út í Eimreiðinni í mars 1896 voru ekki liðnir nema rúmir tveir mánuðir frá tilkynningu Röntgens. Svo merkileg þótti Dönum þessi uppgötvun að prófessor C. Christiansen gaf út 80 síðna bók um geislana í febrúar sama ár.
Brautryðjandinn í notkun röntgengeisla hér á landi var Gunnlaugur Claessen læknir. Hann varð stúdent frá Lærða skólanum 1901 og cand. med. frá Háskólanum í Kaupmannahöfn 1910. Að prófi loknu fór hann í framhaldsnám í röntgenlækningum í Danmörku, Svíþjóð og Þýskalandi áður en hann sneri heim haustið 1913 til að hefja hér læknisstörf. Háskóli Íslands beitti sér fyrir fjárveitingu til tækjakaupa og féllst á að leggja nafn sitt við röntgenlækningar Gunnlaugs gegn því að hann kenndi lífeðlisfræði við læknadeildina. Hin svokallaða Röntgenstofnun Háskólans tók svo til starfa í ársbyrjun 1914.
Myndastofa Röntgenstofnunarinnar eins og hún leit út árið 1919. Hún var þá fyrir nokkru flutt í hús Natans & Olsens, Austurstræti 16, og samstarfinu við Háskólann var lokið. Gunnlaugur þurfti því að leita til Alþingis um fjárveitingu til að halda starfinu áfram og fékk jákvæðar undirtektir. Myndin er úr grein Ásmundar Brekkan frá 1995: Upphaf röntgenlækninga á Íslandi: Brautryðjandinn, bls. 786.
Á fimmta áratugnum gaf Gunnlaugur út kennslubók á dönsku, Röntgendiagnostik: vejledning for læger og studerende. Hún var almennt notuð við háskóla á Norðurlöndum og kom í tveimur útgáfum (1940 & 1946).
Að lokum má geta þess hér að Gunnlaugur Claessen var einnig brautryðjandi í radíumlækningum á Íslandi. Um það verður nánar rætt hér á eftir.
Smá innskot: Rafmagnseggið, loftdælan og núningsvélin
Þegar ég hóf að rýna í söguna um uppruna röntgenlampans í tengslum við þessa færslu fór engin þeirra heimilda, sem ég kannaði í upphafi, mikið lengra aftur í tímann en til fæðingar Geissler-rörsins árið 1857. Eins og flestir vita leiddi þetta tæki Geisslers til uppgötvunar bakskautsgeisla á árunum 1858-59. Það var jafnframt undanfari Crookes-rörsins, sem aftur leiddi til uppgötvunar röntgengeisla í árslok 1895 og svo rafeindarinnar 1897.
Mér datt í hug að fljótlegast væri að kafa aðeins dýpra í söguna með því að glugga næst í kaflann um rafmagnið í Eðlisfræði Fischers frá 1852, en sem kunnugt er bókin ekki aðeins fyrsta verkið sem fjallar um sígilda eðlisfræði á íslensku, heldur sú merkasta (sjá nánar hjá Einari H. Guðmundssyni, 2019: Eðlisfræði Fischers, fyrsta eðlisfræðibókin sem kom út á íslensku).
Eftir skamma leit rakst ég á litla mynd á bls. 368, sem mig rámaði í að hafa séð áður, en ekki veitt neina sérstaka athygli. Þetta var teikning af rafmagnseggi, sem oft er kennt við Frakkann J.-A. Nollet (1700-1770) þótt Englendingurinn F. Hauksbee (1660-1713) hafi uppgötvað fyrirbærið löngu á undan honum. Eftir að hafa skoðað sögu eggsins aðeins nánar finnst mér nú nokkuð ljóst að þar sé fundinn hinn eiginlegi forveri Gleisser-rörsins og þar með röntgenlampans, sem og fleiri skyldra tækja sem lengi hafa verið talin ómissandi í tæknivæddum mannheimi. Sú saga er vissulega löng og flókin og verður ekki rakin hér.
Myndinni fylgir skýringartexti, sem hljóðar svo í þýðingu Magnúsar Grímssonar (bls. 368-369):
Rafurmagnsljósið er harla fagurt í þynntu lopti. Til þess að reyna það þurfum vèr á sérstöku tóli að halda, eða svipuðu því, sem hér er sýnt í [myndinni fyrir ofan], en það er eggmynduð glerflaska. Á báðum endum hennar er látúns-umbúningur og er annar þeirra þannig búinn, að það má skrúfa hann niður á stéttina á loptsdælunni. Hinum er þar á móti svo varið, að það má færa hnappinn b’ svo nærri b, sem þurfa þykir. Ef að flaskan er nú orðin svo tæmd að lopti, sem unnt er, þá þarf ekki annað en færa leiðandann á rafurmagnsvélinni að látúnsþræðinum, sem hnappurinn b’ er á, til þess að rafurmagnið streymi inn í flöskuna og fylli hana með ljómandi birtu. […] Ef að flaskan er [nú] færð nærri einhverjum leiðandi líkama, þá færist ljósið þángað að, og verður þar bjartara. En ef dálitlu lopti er hleypt inn um hanann á flöskunni, þá myndast allt einir purpurarauðir ljósbogar á milli b og b’. Láti maður allt af renna meira og meira lopt inn í flöskuna, þá verður ljósið á endanum eins og hver annar rafurmagnsneisti.
Eins og sjá má af textanum þarf tvö tæki til framkalla ljósadýrðina sem þarna er lýst; annars vegar loftdælu og hins vegar núningsvél. Fjallað er um slík tæki í Eðlisfræði Fischers:
Tvær myndir úr Eðlisfræði Fischers. Til vinstri er loftdæla, sem fjallað er um á bls. 137. Dælan sjálf er strokkurinn (abcd) til vinstri, sem í er færanleg bulla. Í stað glerhvolfsins til hægri (q) er b-endi endi rafmagnseggsins skrúfaður á „stéttina“ (op) utan um opið n. – Myndin til hægri sýnir svo núningsvél (rafurmagnsvél) sem rædd er á bls. 357-58. Glerhjólinu (a) er snúið með sveifinni (m). Núningur við „koddana“ (e og e´) myndar rafhleðslu sem berst út í tvo látúnssívalninga – „leiðendurna“ (f og f) – sem hvíla á fjórum einangrandi glerstólpum (h). Leiðendurnir eru tengdir með leiðandi þverslá og sameinast í g. Til að hlaða rafmagnseggið er látúnsþráðurinn frá b´-enda eggsins látinn snerta g.
Það var Frakkinn H. Becquerel sem uppgötvaði geislavirkni í mars árið 1896, aðeins tæpum fjórum mánuðum eftir uppgötvun Röntgens. Geislunin kom frá úransöltum og var það veik, miðað við röntgengeisla, að lítið var um hana fjallað í fyrstu. Það var í raun ekki fyrr en Curie hjónin fundu hið mjög svo geislavirka frumefni radíum í árslok 1898 (eftir að hafa fundið frumefnið pólon fimm mánuðum áður) sem vísindamenn fóru að veita þessari nýju geislun athygli fyrir alvöru. Sem dæmi má nefna að fyrstu tilraunir lækna til að nota radíum til lækninga voru framkvæmdar um og upp úr aldamótunum 1900. Það voru og íslenskir læknar sem komu radíum á kortið hér á landi, ekki síst Gunnlaugur Claessen.
Áhugi vísindamann jókst enn frekar árið 1903, þegar þeim P. Curie og aðstoðarmanni hans, A. Laborde, tókst að mæla hina gífurlegu orku sem losnar við útgeislun radíums. Niðurstöður þeirra sýndu að það tók eitt gram af radíum ekki nema klukkustund að hita 1,3 g af vatni frá 0o C upp að suðumarki, 100o C. Þetta þótti með ólíkindum á sínum tíma.
Þetta sama ár fengu þau Becquerel og Curie hjónin Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir rannsóknir sínar á sviði geislavirkni. Þegar fréttir af verðlaununum bárust út, varð undraefnið radíum ekki aðeins eitt heitasta umræðuefnið víða um heim, heldur rann sannkallað radíumæði á alþýðu manna. Í kjölfarið varð M. Curie einn þekktasti eðlisvísindamaður allra tíma, þar á meðal hér á landi.
Fljótlega eftir að hafa frétt af uppgötvun Becquerels hóf Nýsjálendingurinn E. Rutherford rannsóknir á geislavirkni. Árið 1899 sýndi hann fram á, að úran sendir frá sér tvenns konar geisla, sem hann kallaði α- og β-geisla og um svipað leyti uppgötvaði hann geislavirka eðalgasið radon. Jafnframt að sérhvert geislavirkt frumefni hefur sinn einkennandi helmingunartíma. Á tímabilinu 1901 til 1903 sýndi hann, ásamt enska efnafræðingnum F. Soddy, fram á að geislunin frá α- og β-virkum frumefnum breytir þeim í önnur frumefni, nokkuð sem margir eðlisvísindamenn áttu erfitt með að trúa í fyrstu. Á næstu árum tókst Rutherford svo, ásamt aðstoðarmönnum, að sannreyna eigin tilgátu um að α-ögnin væri í raun He++ jón.
Teikning úr bók Rutherfords frá 1906, Radioactive Transformations, bls. 130. Hún sýnir þann hluta af Úran-238 geislaættinni sem byrjar á radíum-226. Tveimur árum fyrir útkomu bókarinnar hafði Rutherford stungið upp á því nota mætti hlutfallslegt magn dótturefna og/eða magn helíns ásamt helmingunartíma langlífs móðurefnis til að áætla aldur bergsýna og þar með aldur jarðarinnar. Það kom í hlut hins merka bandaríska efnafræðings B. Boltwoods að fylgja þessari hugmynd eftir.
Fyrir utan allar greinarnar um rannsóknir sínar og samstarfsmanna, gaf Rutherford út þrjár bækur um geislavirkni á þeim tíma þegar hún átti hug hans allan. Þær eru Radio-Activity (1904), Radioactive Transformations (1906) og Radioactive substances and their radiations (1913). Hann hlaut og Nóbelsverðlaunin í efnafræði fyrir þessar rannsóknir árið 1908.
Eins og flestum mun kunnugt er Rutherford nú mun þekktari meðal almennings fyrir uppgövun sína á atómkjarnanum, en hinar merku rannsóknir á geislavirkni. Rætt verður nánar um atómrannsóknir hans hér á eftir og aftur í færslu Ib2.
Fyrstu kynni Íslendinga af geislavirkni
Hér á landi virðist fyrst hafa verið minnst á geislavirkni á opinberum vettvangi haustið 1903, skömmu áður en tilkynnt var um Nóbelsverðlaunin það árið. Fréttir af þessu magnaða og gagnlega, en oft hættulega, fyrirbæri hafa síðan birtst reglulega á síðum íslenskra dagblaða og tímarita, ásamt misjafnlega ítarlegum greinum um eðli þess og hagnýtingu. Hér eru nokkrar þeirra fyrstu:
Guðmundur Hannesson læknir, 1903: Nýir geislar. Um „Becquerelsgeisla“.
Fyrsti Íslendingurinn sem kom að rannsóknum á geislavirkni var Þorkell Þorkelsson. Hann hóf raunvísindanám í Kaupmannahöfn haustið 1899, árið eftir að Curie hjónin uppgötvuðu radíum, og lauk cand. mag. prófi í eðlisfræði 1903. Ári síðar varð hann aðstoðarkennari við Fjöllistaskólann og hóf þá rannsóknir á geislavirkni hveralofts á Íslandi, fyrst í samvinnu við fyrrum kennara sinn, prófessor P. K. Prytz og síðan einn. Hann safnaði ýmsum lofysýnum hér á landi sumrin 1904 og 1906 og vann áfram úr mæligögnum í Kaupmannahöfn til 1908, en þá fluttist hann heim og gerðist kennari við Möðruvallaskóla. Finna má heimildir um önnur störf hans hér á landi í færslu II. Grein Sveinbjörns Björnssonar frá 2016, Radon í hveragasi og bergi, gefur gott yfirlit yfir geislamælingar Þorkels.
Geislamælir sem Þorkell Þorkelsson notaði við mælingar á íslensku hveralofti og kynntur var í grein hans Die Ionisation in Gasen vermittels eines ungeeichten Elektroskops bestimmt frá 1906. Í mjög fróðlegri umfjöllun, Radon í hveragasi og bergi frá 2016, lýsir Sveinbjörn Björnsson þessu tæki Þorkels svo (bls. 128): „Tækið sem Þorkell notaði við mælingar á styrk radons er nefnt jónahylki. Gas sem á aõ mæla er sett inn i málmhylkið I. Ofan á því er kúlulaga málmhús rafsjár, einangrað frá málmhylkinu. Stöngin g situr i einangrandi tappa og heldur uppi miðstöng hylkisins, k. Í heild virka þessir hlutar sem tveir rafþéttar med sameiginlegt innra skaut i stöngunum k og g en ytri skaut i útveggjum jónahylkisins og rafsjárinnar. Þegar rafhleðslur sitja á innra skautinu sperrist állaufblað rafsjárinnar frá stönginni g. Geislavirkni radons jónar gasið i hylkinu. Ef miðskautið er neikætt hlaðið flykkjast jákvæðar jónir að því og minnka hleðslu þess. Við það sígur laufblaðið. Fylgst er meõ því í smásjá hve hratt hleðslan dvínar. það gerist þeim mun hraðar sem geislavirknin i gasinu er meiri.“
Til fróðleiks má geta þess hér, að hinn þekkti Geiger–Müller teljari var ekki fundinn upp fyrr en árið 1928, og að það var Þorbjörn Sigurgeirsson sem kom fyrstur með slíkt tæki til landsins haustið 1947. Teljarann hafði hann sjáfur smíðað í tengslum við geimgeislarannsóknir sínar við Princetonháskóla á árunum 1946-47. Lesendum má einnig benda á stutt en gagnlegt yfirlit um ýmsar mismunandi aðferðir til mælinga á geislavirkni hjá Flakus, F.N., 1981: Detecting and measuring ionizing radiation – a short history.
Gunnlaugur Claessen aftur
Auk Þorkels Þorkelssonar kom áðurnefndur Gunnlaugur Claessen mjög við íslenska geislavirknisögu í byrjun tuttugustu aldar. Hann varð fyrstur til að fást við radíumlækningar hér á landi og skrifaði mikð um það efni, bæði fyrir lækna og leikmenn.
Í seinni greininni segir meðal annars (bls. 52 og 55):
Þau radíumsambönd sem notuð eru til lækninga eru radíumsulphat og radíumbromid. Til þess að geta gefið hæfilegan geislaskammt, þarf auðvitað að mæla nákvæmlega þann geislakraft, er það radíum hefir, sem nota skal við sjúklinginn. Það er gert með electroscop. […] „Teknik“ við radíumlækningar er ýmsum erfiðleikum bundin. Áhrif geislanna eru algerlega „local“ og ná skammt frá efninu; radíum verður því að koma fyrir með mikilli nákvæmni. Venjulega er það haft í hylkjum, ca. 2-3 cmt. á lengd og álíka og gildur bandprjónn, eða á lakk- eða gúmmíplötu. Plöturnar eru sérstaklega notaðar þegar radíum er komið fyrir á yfirborði líkamans en hylkin látin í holrúm, t.d. uterus og rectum.
Hylki fyrir radíumsölt, sem notuð voru til lækninga á fyrri hluta tuttugustu aldar. A er hylkið sjálft og B er hólf fyrir radíumsaltið. Myndin er fengin að láni hjá Knox, R., 1918: Radiography and radio-therapeutics, bls. 501.
Fyrri grein Gunnlaugs frá 1918 birtist snemma í marsmánuði og kom strax af stað mikilli umræðu hér á landi um mikilvægi radíumlækninga fyrir Íslendinga. Það var þó ekki auðvelt að eignast nægjanlega stóra skammta af radíum. Það lá hreinlega ekki á lausu og var auk þess gífurlega dýrt. Efnaðir Íslendingar settu það þó ekki fyrir sig, og fljótlega tóku peningagjafir til kaupanna að berast Gunnlaugi. Innan skamms var sjóðurinn orðinn svo stór að Oddfellow-félagið tók að sér að halda utan um hann. Radíumsjóður Íslands var svo formlega stofnaður í maí 1918. Í ágúst 1919 sendi sóðstjórnin frá sér ítarlega skýrslu og samkvæmt henni hafði þá tekist að safna nægjanlegu fé til kaupa á rúmlega 200 milligrömmum af radíum frá Englandi og jafnframt setja upp aðstöðu til radíumlækninga við hlið röntgenstofnunar Gunnlaugs í Austurstræti.
Í október 1919 birti Gunnlaugur fróðlega grein, Radíum, um þetta furðuefni og lækningamátt þess. Í marsmánuði 1921 kom svo frá honum opinber skýrsla um fyrsta starfsár Radíumstofunnar:
Síðsumars árið 1934 átti stofan fimmtán ára afmæli. Svo vildi til að María Curie lést um sviðpað leyti úr blóðfrumuþurrð og að beiðni ritstjóra Morgunblaðsins skrifaði Gunnlaugur af því tilefni nokkur orð um radíumlækningar á Íslandi og hvernig til hefði tekist:
Á árunum 1858-59 sáu Þjóðverjarnir J. Plücker og J.W. Hittorf merkilega geislun sem stafaði frá bakskauti Geissler-rörs. Tæpum tveimur áratugum síðar var hún skýrð bakskautsgeislun, nafn sem við notum enn í dag. Með tilkomu Crookes-rörsins í kringum 1870 fengu eðlisfræðingar mikinn áhuga á þessari geislun og gerðar voru margvíslegar tilraunir til að ákvarða eðli hennar. Crookes sjálfur stakk til dæmis upp á því árið 1879 að þarna væri á ferðinni straumur einskonar rafmagnaðra sameinda („radiant matter“) og Þjóðverjinn H. Hertz að geislunin væru ölduhreyfing í ljósvakanum. Hvorug tilgátan reyndist rétt.
Árið 1897 sýndi Englendingurinn J.J. Thomson loks fram á að bakskautsgeislarnir eru straumur rafhlaðinna agna, rafeinda, sem hann kallaði einfaldlega agnir (corpuscles) í fyrstu. Jafnframt mældi hann hið svokallaða massa-hleðslu-htutfall þeirra. Tveimur árum síðar áætlaði hann hleðslu þeirra og gat þá reiknað út áætlaðan massa. Nákvæmari niðurstöður fyrir hleðslu og massa rafeinarinnar fengust ekki fyrr en Bandaríkjamennirnir R.A. Millikan og H. Fletcher framkvæmdu hina þekktu olíudropatilraun árið 1909.
Eitt af hinum frægu Crookes-rörum Thomsons, sem hann notaði við uppgötvun rafeindarinnar. Efri myndin er teikning úr grein hans frá 1897, Cathode Rays, bls. 296. Sú neðri er ljósmynd af tækinu sjálfu. Á teikningunni er C bakskautið, A og B eru geislabeinar sem til samans mynda forskautið. D og E eru plöturnar í plötuþétti og lengst til hægri í rörinu er kvarði til að mæla frávik bakskautsgeislans frá beinni línu þegar hann lendir á glerinu. Hægt er að bæta við segulsviði með því að setja skeifusegul utan um rörið þar sem þéttirinn er, eða lengra til hægri.
Eflaust hafa einhverjir Íslendingar lesið tiltölulega fljótlega um uppgötvun Thomsons í erlendum blöðum eða bókum, en fyrsta tilvísunin um rafeindina, sem ég hef rekist á í íslenskum blöðum, er frá 1903. Það er í greininni Radíum og önnur geisliefni IV, þar sem segir í tengslum við kenningu um orkulosun geislavirkra frumagna við útgeislun (bls. 35):
Eptir kenningum próf. Thomson um »elektrona« má reikna út, að hið innra táp frumagnanna mundi vera svo mikið, að enda þótt það rjenaði um 1% mundi það þó nægja til að viðhalda útgeislun radíum, eptir því sem hún er mæld af Curie, um 30,000 ár.
Víkjum nú að árinu 1910. Það er að vissu leyti tímamótaár hvað varðar alþýðufræðslu um raunvísindi í kringum næstsíðustu aldamót. Þá komu út tvær merkar greinar, önnur eftir Þorvald Thoroddsen náttúrufræðing, hin eftir Ágúst H. Bjarnason heimspeking. Báðir reyndu þeir, hvor á sinn hátt, að útskýra þróun eðlisvísindanna á árunum þar á undan:
Um rafeindir hefur Þorvaldur þetta að segja á bls. 8:
Eðlisfræðingar þykjast nú, einkum við rannsóknir J. Thomson’s í Cambridge, orðnir sannfærðir um, að neikvæða rafmagnið sé straumur af ótrúlega smáum ögnum, er þeir kalla elektróna; þær þjóta áfram með ógurlegum hraða, og hver þeirra er eigi stærri en 700. hluti úr vatnsefnis-frumögn. Jákvæða (pósitíva) rafmagnið svo kallaða er að skoðun þeirra aðeins vöntun rafmagns, straumleysi; elektrónarnir eru aðeins einnar tegundar.
Umfjöllunin er heldur ítarlegri hjá Ágústi, eins og meðal annars má sjá á bls. 270-71:
En [nú má] reikna út efnisgnægð rafeindanna. Þetta tókst próf. Thomson á hendur og sannaði hann því næst útreikning sinn með nýjum tilraunum, er nú hafa verið prófaðar á öllum höfuðbólum vísindanna og reynst réttar. En árangurinn af þessum tilraunum er sá, að það er nú talið fullsannað að til séu efniseindir, teljanlegar og mælanlegar, en þó þúsund sinnum efnisminni en efniseind sú, brint-eindin, sem hingað til hefir verið talin léttust og smæst allra efniseinda. Og þessar eindir, sem þannig eru fundnar, virðast vera minstu og frumlegustu eindir náttúrunnar. Því að eins mismunandi og eindir »frumefnanna« eru að þyngd og öðrum eiginleikum, eins líkar eru eindir þessar hver annari, úr hvaða efnum sem þær streyma. Próf. Thomson gaf smáeindum þessum nafnið corpuscula til minningar um ljósfræði Newtons. En með því að nafn þetta er nokkuð óákveðið og eindir þessar eru ávalt hlaðnar rafmagni, hafa þær nú verið skírðar elektrón þ.e. rafeindir, og af því er svo aftur dregið nafn kenningarinnar: elektróntheoria, sem þá að sjálfsögðu ber að kalla rafeinda-kenningu á íslensku. Til þess nú að gefa mönnum einhverja hugmynd, ef hugmynd skyldi kalla, um smæð þessara rafeinda, skal þess getið, að eftir útreikningi fróðra manna fara 1770 kvadriljónir negatívra rafeinda í eitt gramm, 1/5 úr kvinti, og efnisgnægð rafeindar er alt að 1/2000 hluta af efnisgnægð vatnsefniseindarinnar.
Báðir hafa þeir Þorvaldur og Ágúst stuðst við erlend alþýðurit í þessum skrifum sínum. Þorvaldur telur greinilega óþarft að geta slíkra heimilda, en það gerir Ágúst hins vegar. Þar sem það er út af fyrir sig fróðlegt að sjá hvaða erlendu heimildir hann bendir á, skal þeirra getið hér:
Duncan, R.K., 1912: The New Knowledge. Þetta er fimmta útgáfa bókar sem kom fyrst út 1904.
Þótt ýmsar vangaveltur um innri gerð atóma hafi þegar verið komnar fram á fyrri hluta nítjándu aldar, fengu þær fyrst byr undir báða vængi í kringum 1860, eftir að Þjóðverjarnir G. Kirchhoff og R. Bunsen uppgötvuðu, að sérhvert frumefni hefur sitt eigið og einstaka litróf í gasástandi. Margir náttúruspekingar töldu einsýnt að það hlyti á einhvern hátt að tengjast innri gerð atóma viðeigandi frumefnis. Sú hugmynd styrktist enn eftir að kenning D. Mendeleevs um lotukerfi frumefnanna tók að vekja almenna athygli upp úr 1870. Fram komu hinar ýmsu kenningar um innri gerð atómanna, sem ekki er rúm til að lýsa hér. Ein þeirra verðskuldar þó að vera nefnd, þar sem hún var lengi vinsæl, einkum í Englandi og Bandaríkjunum. Þar er um að ræða kenningu Bretans W. Thomsons (nú þekktari undir nafninu Kelvin lávarður) um atóm sem stöðuga hvirfla í ljósvakanum. Hún var fyrst sett fram árið 1867 og vakti strax mikla athygli. Sextán árum síðar tók J.J. Thomson við keflinu af Kelvin og setti kenninguna í mun stærðfræðilegri búning. Þótt áhugi hans á efninu dvínaði mjög upp úr 1890, hafði hvirflakenningin talsverð áhrif á seinni hugmyndir hans um atómið.
I regard the atom as containing a large number of smaller bodies which I will call corpuscles; these corpuscles are equal to each other; the mass of a corpuscle is the mass of the negative ion in a gas at low pressure, i. e. about 3 x 10 – 26 of a gramme. In the normal atom, this assemblage of corpuscles forms a system which is electrically neutral. […] The negative effect is balanced by something which causes the space through which the corpuscles are spread to act as if it had a charge of positive electricity equal in amount to the sum of the negative charges on the corpuscles.
Líkanið tók ýmsum breytingum í gegnum tíðina, en sennilega er sú útfærsla sem Thomson birti árið 1904 einna þekktust í dag:
Hugmynd Thomsons um stöðuga uppröðun punktrafeinda í atómum með allt frá einni rafeind til átta. Í hverju atómi táknar hringurinn ytri mörk kúlulaga efnisdreifingar úr samfelldum, jafndreifðum og jákvætt hlöðnum „vökva“. Atómin snúast með jöfnum hornhraða eftir hringlaga brautum um massamiðjuna og rafeindirnar halda þannig sömu afstöðu hver til annarrar og vökvans. Myndin er úr grein Thomsons frá 1905, The Structure of the Atom, bls. 2.
.
Atómið á Íslandi árið 1910
Íslendingar hafa frá upphafi þekkt til viðtekinna erlendra efniskenninga, allt frá hugmyndum um höfuðskepnur til atóma (sjá t.d. ritaskrá C). Fyrir 1780 voru það þó nær eingöngu lærðir menn, sem höfðu aðgang að þekkingu á þessu sviði, og þá einkum í gegnum erlendar kennslubækur og alfræðirit af ýmsu tagi (ritaskrá B). Árið 1781 hófst hins vegar útgáfa á almennum fræðsluritum á móðurmálinu og það var fyrst þá, sem íslenskri alþýðu gafst tækifæri til að kynnast fyrir alvöru hugmyndum erlendra manna um margvísleg mikilvæg og gagnleg málefni, þar á meðal kenningum um innsta eðli efnisins. Ég veit lítið um það, hver viðbrögð landans við erlendu náttúruspekinni voru á sínum tíma, en hitt er víst, að eina nýstárlega íslenska efniskenningin sem birst hefur á prenti, allt fram á þennan dag, er frumagnakenning Björns Gunnlaugssonar sem hann kynnti til sögunnar í náttúruspekiljóðinu Njólu árið 1842. Því miður stóðst kenning hans ekki tímans tönn.
Svo við snúum okkur aftur að nútímaeðlisfræðinni og J.J. Thomson, þá mun fyrsta íslenska lýsingin á atómkenningum hans hafa birst í áðurnefndri grein Ágústs H. Bjarnasonar frá 1910, bls. 272-73:
J.J. Thomson virðist […] rétt að ætla, að efniseindir frumefnanna svonefndu séu orðnar til úr miklu smærri eindum einhvers konar æther-eindum eins og Lord Kelvin hafði getið til, eindum sem mynda mismunandi hringiður eða öllu heldur smásólkerfi með fastastjörnum og ákveðnum fjölda reikistjarna, er fer eftir eindaþyngd hvers frumefnis. Sumir hafa jafnvel getið þess til, að þessi agnarsmáu sólkerfi efniseindanna séu á einhvern hátt orðin til úr tómum rafeindum. Hefir Perrin […] þegar fundið, að svifhraði rafeindanna um hin ýmsu efni samsvari nákvæmlega bylgjulengdinni í ljósgeislum efnanna sjálfra, er þau verða hvítglóandi. Og rafeindir virðast streyma úr öllum slíkum hvítglóandi efnum, eins og líka gefur að skilja,þar sem ljósið sjálft er ekki annað en ákveðin rafsegulhreyfing.
Í grein Þorvalds Thoroddsen frá sama ári segir, bls. 8-9:
[Nú] hafa efnafræðingarnir komist að […] niðurstöðu um samsetningu atómanna. Áður voru þau álitin ódeilanleg, einsog nafnið ber með sér (atóm = ódeili), hið minsta sem til væri, frumeindir veraldar. Nú er öll sú bygging hrunin. Nú hefir þegar verið skygnst svo djúpt í hyldýpi smæddarinnar, að mannlegan anda sundlar eins að líta þangað, eins og um stjörnudjúp alheimsins. Nú hugsa menn sér ekki lengur að atómin séu frumeindir, heldur miklu fremur nokkurskonar stjörnukerfi, þar sem óteljandi elektrónar með geysihraða þjóta eftir vissum lögum kringum einhverja þungamiðju. Í þessum geysihröðu elektrónum, sem að efni til eru frumefni allra frumefna, er mikið afl fólgið, sem losnar úr læðingi, þegar atómið liðast sundur.
Þegar þeir Ágúst og Þorvaldur skrifuðu greinar sínar höfðu óvísindalegar vangaveltur um atóm sem smækkaða mynd af sólkerfinu lengi verið á kreiki erlendis, jafnvel allt frá fyrri hluta nítjándu aldar. Hér heima má finna slíka lýsingu í seinni hluta greinarinnar Frumagnir og frumvægi VII eftir Sigurð Þórólfsson frá 1907 (ath. að Sigurður notar orðið frumvægi fyrir það fyrirbæri sem við nú köllum sameind; nálgast má aðra kafla úr grein hans í ritaskrá C).
Vera kann að við skriftirnar hafi Þorvaldur verið að glugga í bókina The Fundamental Conceptions of Chemistry (London, 1908) eftir sinn gamla efnafræðikennara frá háskólaárunum, S.M. Jørgensen, þar sem svipaða hugmynd er að að finna á síðu 26. Vísindasagnfræðingurinn H. Kragh (2010, bls. 36) telur hins vegar líklegast að vangaveltur Jørgensens séu einfaldlega byggðar á mistúlkun hans á hinu svokallaða Satúrnusarlíkani Japanans H. Nagaoka frá 1904.
Þess má einnig geta hér, að árið 1901 setti Frakkinn J. Perrin fram hugmynd um sólkerfislíkan af atóminu sem líkist mjög þeirri mynd, sem nú er einkum kennd við Rutherford. Það var í greininni „Les hypothèses moléculaires“ í tímaritinu Revue Scientifique 15, 1901, bls. 449-461. Á bls. 460 segir (í enskri þýðingu H. Kraghs, 2010, bls. 36):
Each atom will be constituted, on the one hand, by one or several masses very strongly charged with positive electricity, in the manner of positive suns whose charge will be very superior to that of a corpuscle, and, on the other hand, by a multitude of corpuscles, in the manner of small negative planets, … [with] the total negative charge exactly equivalent to the total positive charge, in such a way that the atom is electrically neutral.
Eftir að Rutherford uppgötvaði atómkjarnann árið 1911 var sólkerfislíkanið lengi notað til útskýringar á atóminu, bæði hér á landi og erlendis, jafnt í alþýðufræðslu sem kennslubókum á lægri skólastigum. Svo er kannski enn?
Myndin er úr eðlisfræðibókinni, sem færsluhöfundur var látinn lesa fyrir landspróf veturinn 1962-63 og sýnir kaflann um atómið í heild sinni. Um er að ræða Kennslubók í eðlisfræði handa unglinga- og gagnfræða-skólum eftir Jón Á. Bjarnason. Hún kom fyrst út 1941.
.
Rutherford og atómkjarninn
Eins og áður hefur komið fram var plómubúðingslíkan Thomsons í stöðugri þróun í nokkur ár og hugmyndin sem slík naut almennt talsverðra vinsælda. Meðal annars studdist Rutherford lengi við hana í vangaveltum sínum um atómið og án efa hefur hún verið kveikjan að hinum merku rannsóknum hans, H. Geigers og E. Marsdens á dreifingu α-agna eftir árekstra við þunnar málmþynnur. Þeim til mikillar undrunar kom þó í ljós, árið 1909, að endurkast agnanna var ekki í samræmi við plómubúðingslíkanið og það tók Rutherford rúmt ár að átta sig á mæliniðurstöðunum. Það var því ekki fyrr en 1911 sem hann sendi frá sér hina frægu grein sína um atómkjarnann:
Til vinstri: Myndin er úr grein Rutherfords frá 1911, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of Matter, bls. 672. Jákvætt hlaðinn kjarni málmatóms er í punktinum S og gleiðboginn PAP’ er braut jákvætt hlaðinnar α-agnar sem stefnir í átt að kjarnanum í upphafi. Lengd striksins SN (e. impact parameter) er stundum kölluð kennilengd árekstrar á íslensku. Til hægri: Þverskurðarmynd af tilraunaruppsetningu Rutherfords, Geigers og Marsdens frá 1913. – Smásjáin M, sem á er fest sinksúlfíðhúðin S, gengur í gegnum hlið sívalingslaga málmhylkis, B, með möttuðu glerloki P. Hylkið umlykur málmþynnuna F (t.d. úr gulli) ásamt uppsprettu α-agna, R (t.d. radíum), inni í einangrandi umbúðum með opinu D. Hylkið er fast við málmplötuna A, sem hægt er að snúa í loftþéttu gati C á kyrri undirstöðu L. Rörið T er tengt við loftdælu, sem ekki er sýnd á myndinni. L, C, T, F og R halda kyrrstöðu sinni þótt A sé snúið. – Opið D beinir α-ögnum frá R að skotmarkinu F og með því að snúa A og þar með smásjánni má finna stefnu agnanna eftir árekstrana við málmþynnuna. Myndin er úr grein Geigers og Marsdens frá 1913: The laws of deflexion of α particles through large angles (Figure 1).
Samkvæmt hinu nýja líkani Rutherfords samanstóð atómið af þungum jákvætt hlöðnum kjarna umkringdum hinum léttu og neikvætt hlöðnu rafeindum.
Þessa mynd af atómi Rutherfords birtist í grein Ágústs H. Bjarnasonar frá 1922, Rutherford: Um gerð frumeindanna, bls. 239. Hún sýnir jákvætt hlaðinn kjarna umkringdan rafeindum. Ekki veit ég hvaðan myndin er fengin, en þótt hún sé í samræmi við hugmyndir hans, mun Rutherford sjálfur aldrei hafa birt neina slíka mynd opinberlega. Hins vegar má sjá álíka teikningu í nótum hans frá árunum 1910-11. Hann hefur og hugsanlega stuðst við hana þegar hann var að semja handritið að greininni frá 1911, þar sem hann setti fyrst fram niðurstöður sínar um tilvist atómkjarnans. Í seinni grein, The Structure of the Atom, frá 1914 segir svo á bls. 488-489: „I supposed that the atom consisted of a positively charged nucleus of small dimensions in which practically all the mass of the atom was concentrated. The nucleus was supposed to be surrounded by a distribution of electrons to make the atom electrically neutral, and extending to distance from the nucleus comparable with the ordinary accepted radius of the atom.“
Það er athyglisvert að hið nýja atómlíkan vakti litla sem enga athygli í fyrstu, nema þá í Manchester þar sem tilraunirnar voru framkvæmdar. Jafnvel Rutherford sjálfur lagði litla áherslu á að kynna það á alþjóðlegum ráðstefnum eða í alþýðlegum ritum fyrr en eftir 1913. Ástæðan kann að vera sú, að honum var fullkunnugt um að samkvæmt sígildri eðlisfræði var atómið hans óstöðugt. Ólíkt atómi Thomsons var öll jákvæða hleðslan nú samþjöppuð í miðjunni og fyrir utan hana voru rafeindirnar í tómi. Jafnvel þótt þær væru á braut um kjarnann, hlytu þær að missa orku vegna rafsegulútgeislunnar og falla inn að miðjunni eftir skamman tíma. Jafnframt sá Rutherford fyrstur manna nauðsyn þess að innan kjarnans ríkti áður óþekktur aðdráttarkraftur, eins og sjá má í bók hans frá 1913, Radioactive Substances and Their Radiations, bls. 621:
No doubt the positively charged centre of the atom is a complicated system in movement, consisting in part of charged helium and hydrogen atoms. It would appear as if the positively charged atoms of matter attract one another at very small distances, for otherwise it is difficult to see how the component parts of the centre are held together.
Þótt leyndardómar atómkjarnans hafi ekki verið afhjúpaðir fyrr en löngu síðar, tókst ungum Dana að bjarga atómi Rutherfords frá hruni, eftir að hafa verið nýdoktor hjá honum í Manchester í nokkra mánuði árið 1912. Það var nefnilega vorið 1913 sem N. Bohr setti fram hið byltingarkennda skammtalíkan sitt af atóminu og beindi með því eðlisvísindunum inn á nýjar og framandi brautir, sem enn sér ekki fyrir endann á.
Eftir því sem ég kemst næst bárust litlar sem engar fréttir af þessum merku atómrannsóknum þeirra Rutherfords, Bohrs og samstarfsmanna þeirra hingað til lands fyrr en um og upp úr 1920. Svipaða sögu er að segja um kennilegar rannsóknir Einsteins á ljósskömmtum og Brownshreyfingu, tilvist atóma, afstæði rúms og tíma, sem og þyngd. Nánar verður fjallað um viðtökusögu atómvísinda og skammtafræði í færslum Ib2 og Ib3, en fyrstu kynnum Íslendinga af afstæðiskenningum Einsteins hafa nú þegar verið gerð all ítarleg skil í þeim greinum undirritaðs, sem bent er á í byrjun þessarar færslu.
Hafa ber í huga í þessu sambandi, að á öðrum áratugi aldarinnar voru aðeins einn eðlisfræðingur, einn efnaverkfræðingur og einn stærðfræðingur við störf á Íslandi. Jafnframt má benda á þá staðreynd, að það tók alþjóðlega eðlisvísindasamfélagið nokkurn tíma að melta hinar nýju og byltingarkenndu hugmyndir nútímaeðlisfræðinnar. Meginástæða fréttaleysisins var þó án efa fyrri heimstyrjöldin, en hún olli því meðal annars að eðlisfræðirannsóknir lágu að verulegu leyti í dvala í Evrópu á árunum 1914 til 1918 og samskipti Íslendinga við útlönd voru jafnframt í lágmarki á stríðsárunum.
Merkir íslenskir boðberar nútímaeðlisvísinda á tímabilinu 1896-1919. Efri röð frá vinstri: Nikulás Runólfsson eðlisfræðingur (1851-1898), Þorvaldur Thoroddsen náttúrufræðingur (1855-1921), Ásgeir Torfason efnaverkfræðingur (1871-1916) og Ágúst H. Bjarnason heimspekingur (1875-1952). Neðri röð frá vinstri: Þorkell Þorkelsson eðlisfræðingur (1876-1961), Ólafur Daníelsson stærðfræðingur (1877-1957) og Gunnlaugur Claessen læknir (1881-1948). Lesa má um alla þessa kappa í færslu II.
.
Stærðfræðideild stofnuð við Menntaskólann í Reykjavík árið 1919
Lauslegar hugmyndir um nýja deild við Menntaskólann til undirbúnings náms við Fjöllistaskólann í Kaupmannahöfn höfðu verið til umræðu í nokkur ár, þegar þeir Þorkell Þorkelsson eðlisfræðingur og Ólafur Daníelsson stærðfræðingur tóku að berjast fyrir henni af fullum krafti. Til að koma málinu á skrið, sóttu þeir snemma árs 1919 um styrk til yfirvalda til að koma á fót og starfrækja nýjan skóla, sem myndi útskrifa stúdenta með sérmenntun í stærðfræði og eðlisfræði. Stefnt yrði að því, að próf frá skólanum gæfi rétt til inntöku í Fjöllistaskólann, Háskóla Íslands og aðra háskóla. Telja má nær fullvíst, að tilgangur þeirra félaga með umsókninni hafi verið að setja þrýsting á yfirvöld varðandi kennslu í raunvísindum.
Á fundi Verkfræðingafélags Íslands, hinn 26. mars árið 1919, gekk Þorkell í félagið og kynnti þar jafnframt hugmyndir þeirra Ólafs um aukna raungreinakennslu á Íslandi. Eftir nokkrar umræður samþykki fundurinn áskorun til yfirvalda þess efnis, að þegar í byrjun næsta skólaárs yrði komið á fót fullkominni stærðfræði- og náttúrufræðideild við Menntaskólann. Til vara var tekið fram, að ef það þætti henta betur, yrði séð fyrir sérstöku undirbúningsnámi undir Fjöllistaskólann.
Sumarið 1919 birti Ágúst H. Bjarnason heimspekiprófessor svo bráðsnjalla grein, Æðri skólar, í tímaritinu Iðunni. Hann hafði verið samtíða þeim Ólafi og Þorkatli við nám í Kaupmannahöfn og var jafnframt mikill áhugamaður um raunvísindi af öllu tagi. Í greininni gefur hann ágæta lýsingu á ástandinu í kennslu slíkra greina hérlendis og segir meðal annars, bls 87:
Allir þeir, sem verkfræði hafa viljað stunda, [hafa] orðið að eyða 1-1½ ári af hinum dýrmæta námstíma sínum erlendis til þess að vinna þessa vanrækslu upp og geta komist inn á [Fjöllistaskólann],og þó hefir þriðjungur til helmingur af þeim fallið, sakir ónógs undirbúnings, eins og títt er líka um Dani sjálfa. En alt þetta gerir nú það að verkum, að við höfum miklu færri verkfróðum mönnm á að skipa en þörf er á í nánustu framtíð og þurfum ef til vill að fá erlenda menn í þeirra stað til þess að stjórna verkfræðisfyrirtækjum vorum. Ef nú á að fara að beizla fossana, vantar okkur heilan hóp innlendra manna, sem þar hefðu getað lagt hönd á plóginn. Í stað þess höfum við nú „14 skáld í 4. bekk“ og nóg af froðusnökkum um land alt.
En ekki var öll von úti enn, því að á bls. 88-89 segir:
Nú hefir stjórnarráðinu borist umsókn frá 2 mætum mönnum, stærðfræðingnum dr. Ól. Daníelssyni og eðlisfræðingnum Þorkeli Þorkelssyni um 12,000-14,000 kr. styrk úr landssjóði til þess að stofna skóla, er búi menn undir stúdentspróf með sérmentun i stærðfræði og eðlisfræði, svo að Íslendingar geti hér eftir sem aðrir komist próflítið eða próflaust inn i verkfræðingaskóla í öðrum löndum.
Ég mundi nú vera þessari hugmynd fylgjandi, ef við að eins hefðum ráð á því að stofna enn einn skólann. […] En við höfum ekki ráð á þessu; við höfum ekki ráð á að stofna eitt skólabáknið á fætur öðru. Við verðum heldur að reyna að ditta að og fullkomna það, sem við þegar höfum, og því legg ég það nú til, að lærdómsdeildinni [í Mentaskólanum] verði þegar á næsta ári tvískift eftir námsgreinum og þessir tveir menn fengnir til að veita stærðfræði- og eðlisfræðideildinni forstöðu. Þá er málinu borgið, þótt það sé nokkuð um seinan, og þótt þetta raunar hefði átt að gerast fyrir liðugum 10 árum, þegar fyrst var stungið upp á því.
Það er reynsla manna í útlöndum, að slíkar deildir sæki þriðjungur og alt að helmingi allra stúdenta. Ef nú allir þeir, sem ætla að verða læknar, leggjast á sveif með verkfræðingaefnunum og sækja deild þessa, er engin hætta á, að hún veslist upp af mannfæð.[…] Ég vona að frá hinni nýju deild komi eins fríð sveit að öllu andlegu atgjörvi og eins þjóðnýt, eins og þegar Ecole polytechnique á Frakklandi var stofnaður […] Þaðan runnu allir frumherjar vísindanna, er gerðu Frakkland um eitt skeið að forustulandinu í öllum vísindalegum og verklegum framförum.
Grein Ágústs hafði veruleg áhrif, en einnig verður að hafa í huga, að hluti kennara við Menntaskólann og margir aðrir málsmetandi Íslendingar voru þá þegar hlynntir tvískiptingu lærdómsdeildarinnar.
Niðurstaða málsins varð á endanum sú, að tvískiptingin var samþykkt á alþingi 1919 og um haustið lét stjórnin skipta lærdómsdeild 4. bekkjar í málfræði- og sögudeild (síðar nefnd máladeild) og náttúrufræði- og stærðfræðideild (síðar nefnd stærðfræðideild). Ekkert er getið um þessa breytingu í Stjórnartíðindum og mun hún hafa verið gerð með stjórnarráðsbréfi.
Í Sögu Reykjavíkurskóla segir í þriðja bindi, bls. 63-64:
Rektor var tilkynnt skömmu fyrir skólasetningu [1919], að skipta bæri 4. bekk í tvær deildir, og þá var eftir að athuga, hverjir hefðu hug á stærðfræðideild og hvað ætti að kenna þar. Í ljós kom, að átta fjórðubekkingar vildu fara í stærðfræðideild, og mynduðu þeir því fyrsta stærðfræðibekk skólans, sem fengið var aðsetur í núverandi T-stofu. Jafnframt var ákveðið, að bekk þessum skyldi kennt eftir dönskum reglum um stærðfræðideildir, þar til settar yrðu reglur um þessa kennslu hér á landi. Þetta var í sjálfu sér eðlileg ráðstöfun, þar sem nemendur í báðum löndum stefndu einkum til náms í Fjöllistaskólanum í Kaupmannahöfn. Það vekur hins vegar furðu, að skólayfirvöld á Íslandi skuli loks setja upp í skyndingu stærðfræðideild, eftir að þær höfðu starfað í meira en 40 ár í Danmörku. En hér sannast sem oftar, að íslenzk stjórn og þing voru lengi furðu-afturhaldssöm í skólamálum.
Ólafur Daníelsson, sem þá var kennari við Kennaraskólann, var ráðinn sem stundakennari við Menntaskólann haustið 1919 til að sjá um kennsluna í stærðfræði og eðlisfræði í 4. bekk. Hann var svo fastráðinn árið eftir og var aðalkennari stærðfræðideildarinnar til 1941, þegar hann sneri sér að öðru. Þorkell tók að sér eðlisfræðikennsluna sem stundakennari haustið 1920 og kenndi til 1928. Hann var þá orðinn veðurstofustjóri og sinnti því kennslunni í hjáverkum. Honum tókst þó að leggja góðan grunn að eðlisfræðikennslunni við skólann, verk sem eftirmenn hans og reyndar landsmenn allir áttu eftir að njóta góðs af.
Með stofnun stærðfræðideildar við MR árið 1919 var lagður grunnur að uppbyggingu samfelldrar kennslu í raunvísindum á æðri skólastigum hér á landi. Þróunin var reyndar óeðlilega hæg í fyrstu og ekki dugði minna til en nýja heimsstyrjöld til að fyrrihlutanám í verkfræði yrði tekið upp við Háskóla Íslands, haustið 1940. Árið 1966 tók Raunvísinda-stofnun Háskólans svo til starfa og skömmu síðar var BS-nám í raunvísindum sett á laggirnar við skólann. Því má segja, að það hafi ekki verið fyrr en í lok sjöunda áratugs síðustu aldar sem Ísland komst í hóp þeirra þjóða sem leggja áherslu á bæði rannsóknir og kennslu í raunvísindum.
Til að forðast misskilning er rétt að geta þess, að hér er hugtakið raunvísindi takmarkað við sviðin stærðfræði, stjörnufræði, eðlisfræði og efnafræði, sem og undirgreinar þeirra.
Táknræn mynd frá síðmiðöldum sýnir konu kenna körlum flatarmyndafræði. Nánari umfjöllun er að finna hjá Wikipedíu, þaðan sem myndin er fengin að láni. Eftir því sem ég best veit er konan ekki íslensk.
Ég hef lengi fylgst með alþjóðlegri umræðu um þessi mál, ekki aðeins hvað eðlisfræði varðar, heldur einnig stærðfræði, stjörnufræði og efnafræði. Einhverra hluta vegna minnti áðurnefnd bók um kvenskammtafræðingana mig samt óþægilega á þá staðreynd, að allt of lítið er til af aðgengilegu efni um nám og störf einstakra íslenskra raunvísindakvenna og/eða persónulega reynslu þeirra af vísindasamfélaginu hér á landi. Það er ekki einu sinni til skrá yfir allar þær íslensku konur sem lokið hafa háskólanámi í raunvísindum (þetta á reyndar einnig við um raunvísindakarla). Rétt er þó að geta þess að á vef Kvennasögusafnsins má finna skrá yfir íslenska kvendoktora og á sínum tíma tók Leó heitinn Kristjánsson saman nokkrar skrár yfir nemendur sem útskrifast höfðu með BS, BA og MS próf í raunvísindum frá Háskóla Íslands á tímabilinu 1954 til 2003, bæði karla og konur:
Í grúski mínu um sögu raunvísinda á Íslandi fyrir 1960 hef ég aðeins rekist á eina konu sem starfaði á sviði raunvísinda hér á landi á framangreindu tímabili. Það er norsk-íslenski veðurfræðingurinn Teresía Guðmundsson (1901-1983). – Og nú spyr ég:Veit einhver úr hópi lesenda um aðrar íslenskar konur sem luku háskólaprófi í raunvísindum fyrir 1960 (eða jafnvel 1970) og störfuðu síðan hér á landi og/eða erlendis?
Til vinstri: Teresía Guðmundsson. – Til hægri: Jarðskjálftamælir á Veðurstofu Íslands árið 1949. Teresía (að hluta til í hvarfi lengst til hægri á myndinni) hugar að tækinu. Ónafngreind aðstoðarkona fylgist með. Myndin er úr blaðagrein Guðna Þórðarsonar frá 1949: Hvernig er veðrið?
Þegar ég byrjaði að kenna við Menntaskólann í Reykjavík, haustið 1970, fékk ég það sem aðalverkefni að taka við eðlisfræðikennslunni í náttúrufræðideild skólans. Það var þá sem við Þorsteinn áttum okkar fyrsta samtal. Það snerist um námsefni tveggja bekkja sem hann hafði kennt í aukavinnu skólaárið 1969-70 og ég átti nú að taka við og koma í gegnum stúdentspróf í eðlisfræði. Ég man vel eftir þessum fundi og þeim góðu ráðum sem ég fékk hjá Þorsteini í veganesti.
Árið 1972 fékk ég svo að kynnast því hversu góður kennari Þorsteinn var. Þá sat ég hjá honum námskeið í skammtafræði við Háskóla Íslands, en það var hluti af undirbúningi mínum fyrir meistaranám í eðlisfræði í Bandaríkjunum skólaárið 1973-74.
Eftir að Eðlisfræðifélag Íslands var stofnað 1977 hittumst við nokkrum sinnum á vettvangi þess og þar var hann yfirleitt í hlutverki fræðarans.
Þorsteini kynntist ég fyrst almennilega að loknu doktorsprófi, þegar ég hóf störf sem sérfræðingur á eðlisfræðistofu Raunvísindastofnunar Háskólans haustið 1982. Hann tók einstaklega vel á móti mér og þar hófust samskipti okkar fyrir alvöru. Þau stóðu nær óslitið í rúma fjóra áratugi.
Auk þess að vera samkennarar í eðlisfræði við Háskólann, unnum við Þorsteinn saman að margvíslegum „utanskólaverkefnum“ á sviðum eins og eðlisfræði, stjörnufræði og vísindasögu. Þar má meðal annars nefna ýmis fræðslu- og kynningarmál sem og menningar- og félagsmál. Slík verkefni voru reyndar svo mörg að ekki er raunhæft að reyna að telja þau öll upp hér. Ég mun þó minnast á nokkur þeirra hér á eftir.
Þorsteinn var viðfelldinn og vingjarnlegur maður og tryggur vinur vina sinna. Hann var mannblendinn og félagslyndur og aldrei heyrði ég hann tala illa um nokkurn mann. Honum var og ekkert mannlegt óviðkomadi, eins og sjá má á miklum fjölda greina sem eftir hann liggja um ýmis þjóðfélagsmál, svo sem umhverfis- og auðlindamál, menntamál, stjórnmál og fleira (ritaskrá Þorsteins má finna í lok þessara minningarorða). Hagsýnn var hann og ráðagóður og sýndi mikla samfélagslega ábyrgð í öllum sínum verkum.
Í umræðum sá hann yfirleitt fleiri en eina hlið á málum, og ég get vitnað um það, að á fundum eðlisfræðinga gerðist það oftar en einu sinni að hann kom í veg fyrir að mál væru afgreidd í fljótræði.
Þorsteinn var fyrst og fremst skarpgáfaður vísindamaður, rökfastur og einbeittur, sem fylgdi málum eftir af eldmóði, enda með afbrigðum vinnusamur. Aldrei varð ég þess var að honum félli verk úr hendi. Hann var mjög forvitinn um kennilegar og tæknilegar nýjungar, ekki síst í eðlisfræði, og linnti ekki látum fyrr en hann taldi sig hafa skilið þær til fullnustu. Þetta varð oftar en ekki tilefni gagnlegra og skemmtilegra umræðna í kaffitímum á Raunvísindastofnun og í samræðum við einstaka samstarfsmenn. Það kom og stundum fyrir að niðurstöður úr slíkum umræðum birtust í svörum á Vísindavefnum.
Í því sem á eftir fer verður fjallað stuttlega um valda þætti úr ævi og störfum Þorsteins, og þá eðlilega þau atriði sem ég tel mig vita eitthvað um. Ef til vill má deila um röð og áherslur, en ég vona að aðrir vinir hans, sem og ættingjar, taki að sér að fylla í helstu eyðurnar. Í því sambandi vil ég einnig benda lesendum á rúmlega klukkustundar langt viðtal sem tekið var við Þorstein hinn 21. september 2021.
Örstutt um vistina í Menntaskólanum í Reykjavík
Ég verð að viðurkenna að ég veit ósköp lítið um feril Þorsteins í MR, annað en það, að hann var í stærðfræðideild og afburða námsmaður. Hann varð og dux scholae við stúdentspróf vorið 1960.
Nemendur í 6. bekk X í MR skólaárið 1959-1960. Þorsteinn er annar frá hægri í mið-röðinni. Vinstra megin við hann er Sigurður Steinþórsson jarðfræðingur og lengst til vinstri í sömu röð stendur Jón R. Stefánsson stærðfræðingur. Fyrir miðju í fremstu röð sitja kennararnir og stærðfræðingarnir Guðmundur Arnlaugsson og Björn Bjarnason. Ljósmynd: Vigfús Sigurgeirsson.
Hinn 3. júlí 1960 birti Þjóðviljinn stutt viðtal við Þorsteinn. Þar kemur meðal annars fram að hann var þá þegar búinn að ákveða að leggja stund á eðlisfræði við Háskólann í Kaupmannahöfn. Með sumarlaunin fyrir byggingarvinnu í vasanum og hjálp hins svokallaða „stóra styrks“ gekk sú fyrirætlan eftir og eðlisfræðinámið hófst samkvæmt áætlun haustið 1960.
Eðlisfræðinám og rannsóknir í Kaupmannahöfn
Hafnarháskóli 1960-1967
Þegar Þorsteinn hóf nám við Kaupmannahafnarháskóla haustið 1960 var skólinn ekki lengur sú miðja rannsókna í skammtafræði sem hann hafði verið á millistríðsárunum. Frumkvæðið á því sviði hafði færst frá Evrópu til Bandaríkjanna og þekktustu nöfn virkra sérfræðinga í kennilegri skammtafræði voru ekki lengur Evrópubúarnir Bohr, Heisenberg, Born, Schrödinger, Dirac og Pauli, heldur Bandaríkjamennirnir Feynman og Gell-Mann.
Á þessum tíma var kjarneðlisfræði helsta rannsóknasvið sérfræðinganna við Stofnun Kaupmannahafnarháskóla í kennilegri eðlisfræði (kallað Niels Bohr Institutet (NBI) frá 1965) og aðalmennirnir á því sviði voru þeir Åge Bohr prófessor (sonur Nielsar Bohr) og Bandaríkjamaðurinn Ben Mottelson, prófessor við Nordita.
Þessi loftmynd af Níels Bohr stofnuninni var tekin árið 1965. Stofnunin afmarkast af Fælledparken að norðan og vestan, Blegdamsvej að suð-austan og Frímúrarahöllinni að norð-austan. Húsið lengst til vinstri var aðsetur Nordita, Norrænu stofnunarinnar í kennilegri eðlisfræði. Sérfræðingar Nordita héldu oft fyrirlestraraðir fyrir eðlisfræðistúdenta, kenndu stöku námskeið og tóku jafnvel að sér að leiðbeina stúdentum við meistara- og doktorsnám.Fimm íslenskir eðlisfræðinemar fyrir framan Eðlisfræðistofnunina við Blegdamsvej einhvern tímann á árunum 1961 til 1963. Frá vinstri: Þorvaldur Búason, Eysteinn Pétursson, Stefán Briem (lauk prófi við Háskólann í Árósum), Sigfús J. Johnsen og Þorsteinn. Myndin er úr safni afkomenda Þorvalds Búasonar. Á svipuðum tíma og myndin var tekin, voru þeir Örn Helgason og Einar Júlíusson einnig þarna við nám, misjafnlega langt komnir.
Þegar Þorsteinn hóf nám í kennilegri eðlisfræði á seinni hluta við Eðlisfræðistofnunina var öreindafræði farin að ryðja sér þar til rúms, bæði í rannsóknum og kennslu, og ungu eðlisfræðistúdentarnir höfðu flestir meiri áhuga á henni en kjarneðlisfræðinnni. Í þeim hópi var Þorsteinn ásamt nokkrum dönskum stúdentum, sem síðar áttu eftir að leggja grunn að öflugri kennslu og rannsóknum í kennilegri öreindafræði við Niels Bohr stofnunina (hér má t.d. nefna þá Benny Lautrup, Poul Olesen, Holger Bech Nielsen og Jens Lyng Petersen).
Þorsteinn sagði mér á sínum tíma, að þeir Jens Lyng hefðu orðið góðir vinir og haldið sambandi eftir að Þorsteinn fluttist aftur til Íslands.
Hér ber einnig að geta þess að í miðju námi, árið 1964, gekk Þorsteinn að eiga fyrri eiginkonu sína, Ingibjörgu Björnsdóttur, og meðan á Kaupmannahafnardvölinni stóð eignuðust þau tvo syni, Vilhjálm (f. 1965) og Björn (f. 1967). Eftir heimkomuna 1969 fæddist svo dóttirin Þórdís Katrín (f. 1971). Þau Ingibjörg skildu og árið 1976 giftist Þorsteinn Sigrúnu Júlíusdóttur, síðar prófessor í félagsráðgjöf við Háskóla Íslands. Þau eignuðust saman soninn Viðar (f. 1979) og Sigrún átti fyrir Orra Vésteinsson (f. 1967) sem Þorsteinn gekk í föðurstað.
Þorsteinn (lengst til hægri) og seinni eiginkona hans, Sigrún Júlíusdóttir, í Kaupmannahöfn sumarið 2022 í fylgd með Jens Lyng Petersen og Annette Petersen. Mynd úr safni ÞV.
Ekki veit ég hverjir voru aðalkennarar Þorsteins í öreindafræði, en líklega hafa það verið kennilegu öreindafræðingarnir Niels Brene og hinn þá nýráðni Ziro Koba, báðir við NBI, sem og James Hamilton, nýráðinn prófessor við Nordita. Ég reikna með að Knud H. Hansen hafi séð um tilraunahlutann.
Þorsteinn lauk cand. scient. prófi í kennilegri öreindafræði við Kaupmannahafnarháskóla með góðum vitnisburði vorið 1967. Lokaritgerð hans bar heitið
Anvendelsen af ligetidskommutationsrelationer mellem komponenter af de svage og electromagnetiske strömme, med specielt henblik på beskrivelsen af ikke-leptoniske K-henfald. (57 bls.)
Ég hef því miður ekki séð þessa ritgerð og veit heldur ekki hver leiðbeinandi Þorsteins var.
Nordita 1967-1969
Að loknu kandidatsprófi fékk Þorsteinn tveggja ára rannsóknarstöðu við Nordita. Þótt það sé með öllu óvíst, er ekki ólíklegt að þá hafi hann þurft að flytja sig milli húsa á NBI-lóðinni. Mér finnst og sennilegt að hann hafi verið formlega skráður sem hluti af rannsóknarhópi Hamiltons, þótt ég viti það ekki með vissu.
Þorsteinn talaði lítið um reynslu sína við NBI og Nordita svo ég heyrði. Vinur hans, Jens Lyng, sem var með tímabundna rannsóknarstöðu á Nordita á sama tíma og Þorsteinn, birti hins vegar stutta en fróðlega lýsingu á dvöl sinni þar í bókinni Nordita – The Copenhagen Years, bls. 194-196.
Rétt er að hafa í huga, að á þessum tíma var nútíma öreindafræði enn í mótun og smám saman að taka á sig þá mynd sem við þekkjum í dag. Áhugi eðlisfræðinga um heim allan var mikill og fjöldi öreindafræðinga fór stöðugt vaxandi Enn var þó talsvert í land hvað heildarskilning á öreindaheiminum varðar, eins og sjá má á því, að þótt kenningin um rafveiku víxlverkunina væri að mestu frágengin var ekki sýnt fram á að hún væri endurstöðlanleg fyrr en 1971, tveimur árum eftir að Þorsteinn kom heim frá Danmörku. Kenningin um sterku víxlverkunina, skammtalitfræðin, kom til sögunar á árunum 1973 til 1974 og hugtakið staðallíkan öreindafræðinnar um svipað leyti. Hvað sem því líður, hélt Þorsteinn áfram þeim rannsóknum á Nordita, sem hafist höfðu með kandídatsverkefninu á NBI og nú í samvinnu við áðurnefndan Niels Brene og fyrrum samstúdent við NBI, Åge B. Kraemmer. Afraksturinn birtist í tveimur greinum í hinu merka tímariti Nuclear Physics B. Ekki verður gerð nein tilraun til að lýsa efni greinanna hér, en með því að smella á bláu tenglana fyrir neðan geta fróðleiksfúsir lesendur fengið aðgang að þeim báðum.
Forsíðurnar á öreindafræðigreinum Þorsteins og samhöfunda hans frá 1969 og 1970. Rétt er að benda á, að í kennilegri öreindafræði er venja að raða höfundum í stafrófsröð.
Strax að lokinni dvölinni hjá Nordita hóf Þorsteinn störf á Íslandi, fyrst sem lausráðinn sérfræðingur við stærðfræðistofu Raunvísindastofnunar 1969-1971, en síðan sem fastráðinn kennari við eðlisfræðiskor Háskólans frá og með haustinu 1971. Sem kennari hafði hann áfram starfsaðstöðu við Raunvísindastofnun, jafnvel eftir að hann fór á eftirlaun 2010.
Raunvísindastofnun Háskólans eins og hún leit út á tuttugu ára afmælinu árið 1986. Þorsteinn var með skrifstofu á annarri hæð í þessu húsi í 55 ár, frá 1969 til 2024.
Segja má að Þorsteinn hafi komið til starfa á Íslandi nákvæmlega á réttum tíma. Undirbúningur BS-náms í raunvísindum var þá á lokastigi og kennslan hófst svo með formlegum hætti við Verkfræði- og raunvísindadeild haustið 1970. Um hinn langa aðdraganda að þessum tímamótum má lesa í grein Þorsteins frá 1987, Verkfræði og raunvísindi við Háskóla Íslands: Fyrstu skrefin.
Þorsteinn tók fullan þátt í uppbyggingu kennslunnar í eðlisfræði frá byrjun BS-námsins og kenndi mikið. Hann sagði síðar, að auk þeirra áhrifa sem hann varð fyrir í Kaupmannahöfn á sínum tíma, hafi hann lært einna mest um vinnubrögð við háskólakennslu af Þorbirni Sigurgeirssyni, sem hann kenndi með grunnnámskeiðin í eðlisfræði fyrstu árin.
Þorsteinn var ávallt málsvari bættra kennsluhátta og framlag hans til þróunnar eðlisfræðikennslu við Háskólann í gegnum tíðina var verulegt. Hann stóð og fyrir því að sett var á laggirnar nýtt námskeið í sögu og heimspeki vísindanna við Háskólann árið 1980.
Eins og áður sagði var Þorsteinn góður og viðmótsþýður kennari og iðinn við að útvega nemendum viðbótarnámsefni við kennslubækurnar í þeim tilgangi að auka færni þeirra og dýpka skilning á námsefninu. Eitt af fjölmörgum dæmum um þetta er sýnt á næstu mynd:
Þetta kver Þorsteins kom fyrst út 1989 og síðan tvisvar aftur, þá aukið og endurbætt. Hann gaf líka út Fylgikver um Eðlisfræði I (1996), Fylgikver um Eðlisfræði II (1994-95) og Fylgikver um Rafsegulfræði (1996), öll þrjú í samvinnu við Leó Kristjánsson jarðeðlisfræðing og Þorstein Arnalds. Með þessu kann Þorsteinn að hafa verið að fylgja fordæmi kennara sinna í Kaupmannahöfn, sem margir gáfu út fjölritaða kennslubæklinga og fyrirlestranótur fyrir nemendur sína.
Þrátt fyrir mikla kennslu, tók Þorsteinn fullan þátt í margvíslegum stjórnunar- og nefndarstörfum, einkum fyrir Háskólann, en einnig utan hans. Í slíkum önnum hefur það sennilega runnið fljótlega upp fyrir honum að lítill tími gæfist til að stunda rannsóknir í kennilegri öreindafræði hér heima. Til viðbótar voru þeir ekki margir fræðimennirnir við Háskólann sem hægt var að eiga samstarf við á því sviði. Þá voru samskipti við útlönd einnig með talsvert öðrum hætti en nú tíðskast.
Tiltölulega fljótlega hefur Þorsteinn því greinilega ákveðið að hætta rannsóknum í öreindafræði og helga sig kennslu og stjórnun við Háskólann ásamt alþýðufræðslu og þjóðfélagsmálum í víðum skilningi. Uppúr miðjum níunda áratugi síðustu aldar mótaði hann sér þó einnig nýjan rannsóknarvettvang með fjölþættum rannsóknum á vísindum norrænna manna á miðöldum. Meir um það hér á eftir.
Alþýðufræðsla
Fljótlega eftir heimkomuna frá Kaupmannahöfn fengu menn nasasjón af því, hvers vænta mætti frá Þorsteini á sviðum alþýðufræðslu og menningarumræðu.
Í ársbyrjun 1970 þýddi hann til dæmis texta tveggja sjónvarpsmynda. Önnur fjallaði um hinn þá nýbakaða Nóbelsverðlaunahafa Gell-Mann, en hin um undraljósgjafann leysi. Á árinu hélt hann tvö erindi um öreindafræði í hljóðvarpið, sá um þrjá þætti um eðlisfræði ásamt Erni Helgasyni í svokölluðu Skólasjónvarpi og skrifaði ásamt Þorsteini Sæmundssyni stjörnufræðingi eftirmála við bók Alberts Einstein, Afstæðiskenninguna, sem Þorsteinn Halldórsson eðlisfræðingur þýddi.
Árið eftir hóf hann fjölþætt greinaskrif í íslensk tímarit og dagblöð, nokkuð sem hann átti eftir að stunda reglulega það sem eftir var ævinnar.
Fljótlega fór hann jafnframt að halda erindi um margskonar efni fyrir almenning, áhugamannahópa og félög af ýmsu tagi. Einnig þýddi hann og/eða ritstýrði ýmsum áhugaverðum ritum fyrir hinn almenna lesanda. Þá er ótalið eitt merkasta framlag hans til alþýðufræðslu, sjálfur Vísindavefurinn.
Þorsteinn heldur erindi um kjarnorkumál í Norræna húsinu í apríl 1984. Sjá nánar hér.Þetta merka verk þýddi Þorsteinn ásamt Guðmundi Finnbogasyni árið 1974.Í gegnum tíðina stóð Þorsteinn að mörgum fyrirlestraröðum fyrir almenning um vísindaleg efni. Þar á meðal var röð sem kölluð var Undur veraldar. Erindin komu út á bók árið 1998 í ritstjórn Þorsteins.Þorsteinn fylgdist nokkuð vel með raungreinakennslu í grunnskólum og fram-haldsskólum og hafði talsvert til þeirra mála að leggja. Árið 2001 þýddi hann og staðfærði Sól, tungl og stjörnur, kennslubók í stjörnufræði fyrir efstu bekki grunnskóla. Bókin var lengi notuð í íslenskum skólum.
Vísindavefurinn
Sennilega er Vísindavefurinn það verk sem Þorsteinn er lang þekktastur fyrir meðal Íslendinga. Þetta merka framlag hans til fræðslu og menningar á eflaust eftir að halda nafni hans á lofti um ókomna framtíð. Reyndar er vefurinn svo vel þekktur hér á landi að ég tel litla þörf á því að fjalla nánar um hann hér. Í staðinn vísa ég lesendum á fróðlegt viðtal við þorstein frá 2010 og sýni að auki nokkrar ljósmyndir tengdar vefnum:
Þáverandi forseti Íslands, Ólafur Ragnar Grímsson, opnar Vísindavefinn 29. janúar árið 2000. Með honum á myndinni eru Páll Skúlason þáverandi rector Háskóla Íslands og Þorsteinn. Mynd: Mbl.Árið 2003 gáfu þeir Þorsteinn og Jón Gunnar Þorsteinsson, þá aðstoðarritstjóri Vísindavefsins, út úrval spurninga og svara, sem birtst höfðu á vefnum fram að þeim tíma.Árið 2005 hlaut Þorsteinn heiðursviðurkenningu Menntamálaráðuneytisins fyrir áratuga starf og framúrskarandi árangur fyrir miðlun vísinda hér á landi.Þorsteinn (annar frá hægri) hlaut riddarakross fálkaorðunnar árið 2011 „fyrir framlag til vísinda, kennslu og miðlunar fræðilegrar þekkingar til almennings“.Árið 2024 hlaut Vísindavefurinn viðurkenningu Rannís fyrir framúrskarandi vísindamiðlun. Myndin er frá afhendingu viðurkenningarinnar á Vísindavöku. Í miðjunni standa þeir Jón Gunnar Þorsteinsson, núverandi ritstjóri Vísindavefsins og Þorsteinn, upphafsmaður vefsins og fyrsti ritstjóri. Mynd: Kristinn Ingvarsson.
Tvö mikilvæg viðfangsefni
Orðaskráin
Þorsteinn var einstakur áhugamaður um íslenskt mál og nýyrðasmíði í vísindum. Að hans frumkvæði skipaði Eðlisfræðifélag Íslands sérstaka orðanefnd árið 1981 og hann tók að sér að vera formaður. Ég var svo heppinn að vera beðinn um að sitja í nefndinni, þegar ég hóf störf við Raunvísindastofnun, enda var félagsskapurinn ekki af verri endanum og formaðurinn drífandi.
Orðanefnd Eðlisfræðifélags Íslands í desember árið 1985. Frá vinstri: Einar H. Guðmundsson, Leó Kristjánsson, Þorsteinn, Sveinbjörn Björnsson, Jakob Yngvason og Páll Theodórsson. Sjá nánar hér.
Á meðan á starfinu stóð létu nefndarmenn oft reyna á nýyrði í kennslu, greinaskrifum og erindum um eðlisfræði. Í því sambandi má til dæmis nefna hina Ensk-íslensku orðabók Arnar og Örlygs frá 1984, þar sem þeir Þorsteinn og Jakob Yngvason sáu um þýðingar orða í eðlisfræði og stjörnufræði. Haustið 1985 kom svo afrakstur nefndarstarfsins út á prenti. Um svipað leyti birti Þorsteinn ágæta grein um efnið í ráðstefnuriti Eðlisfræðifélagsins undir heitinu Íslenskan og eðlisfræðin.
Þegar nokkurra ára reynsla var komin á notkun Orðaskrárinnar og athugasemdir og nýjar tillögur höfðu borist nefndinni ákvað Þorsteinn að ganga frá endanlegri útgáfu. Hann fékk í lið með sér Viðar Guðmundsson til að sjá um uppsetningu skrárinnar á handhægu tölvutæku formi. Viðar er sjálfur eðlisfræðingur og hefur án efa lagt ýmislegt til mála, hvað nýyrði varðar. Skráin kom svo út sem bók árið 1996. Mér er til efs að þetta orðasafn hefði séð dagsins ljós á tuttugustu öld, ef ekki hefði komið til einbeittur vilji Þorsteins, úthald og dugnaður.
Lokaskrá orðanefndarinnar kom út árið 1996 í ritsjórn Þorsteins og Viðars Guðmundssonar.
Ólympíuleikarnir í eðlisfræði 1998
Eins og allir íslenskir eðlisfræðingar ættu að muna voru ólympíuleikarnir í eðlisfræði haldnir hér á landi dagana 2. til 10. júlí, 1998. Þorsteinn stjórnaði sérstökum starfshópi, sem samdi öll kennilegu verkefnin og hafði yfirumsjón með yfirferðinni á skriflegum lausnum keppenda. Þar sýndi hann sama skörungsskap og við orðaskrárvinnuna. Hann sat og í ritnefnd myndskreyttrar bókar um leikana:
Viðar Ágústsson (ritstj.), 1999: Proceedings of the 29th Internatioanl Physics Olympiad.
Ólympíuleikarnir í eðlisfræði voru haldnir í Reykjavík sumarið 1998. Því sem næst hver einasti eðlisfræðingur og eðlisfræðinemi á landinu kom að undirbúningi og/eða framkvæmd þeirra með einum eða öðrum hætti. Höfundur þessa fallega einkennismerkis leikanna er Stefán Einarsson.
Stutt yfirlit um leikana, ásamt öllum verkefnum sem keppendurnir þurftu að glíma við, er að finna í októberhefti tímaritsins International Newsletter on Physics Education frá 1998 (bls. 1,3 og 4-9).
Saga og heimspeki vísindanna – Kennsla og vísindamiðlun
Eitt af helstu afrekum Þorsteins, ásamt almenningsfræðslu, var að koma fræðasviðunum vísindasögu og vísindaheimspeki á kortið hér á landi, bæði innan Háskóla Íslands og utan. Áhugi hans á þessum fræðum hefur án efa vaknað á námsárunum við Eðlisfræðistofnun Háskólans í Kaupmannahöfn, þar sem allt frá upphafi hafði ríkt (og ríkir reyndar enn) verulegur áhugi á vísindasögu og vísindaheimspeki sem og tengslum vísinda og samfélags.
Þorsteinn mun hafa farið að sinna vísindasögu í frístundum um og upp úr 1975. Það varð til þess, að þegar Sigrún, kona hans, fór í meistaranám í klínískri félagsráðgjöf við Michiganháskóla í Ann Arbor á árunum 1977-78, slóst Þorsteinn með í för til að kynna sér betur vísindasögu og vísindaheimspeki sem fræðasvið. Þar lagði hann einnig fyrstu drögin að hinu mikla verki sínu Heimsmynd á hverfanda hveli. Þorsteinn sagði mér síðar, að sá af fræðimönnum Michiganháskóla sem hefði haft mest áhrif á sig hafi verið vísindaheimspekingurinn Lawrence Sklar. Hvernig það kemur fram í verkum hans er ég ekki fær um að dæma, en hitt veit ég að Þorsteinn var undir miklum áhrifum frá hugmyndum og verkum vísindafræðingsins Tómasar Kuhn.
Segja má að eftir heimkomuna hafi vísindasagan orðið helsta rannsóknarsvið Þorsteins. Hann hélt áfam að kenna eðlisfræðina af fullum krafti, en vann samhliða við að semja Heimsmyndina. Vorið 1980 kom hann svo, ásamt Mikael Karlssyni heimspekingi, á fót þverfaglegu námskeiði við Háskóla Íslands undir heitinu Þættir úr sögu og heimspeki vísindanna, sem fjöldi háskólanema hefur tekið í gegnum tíðina. Það lifir enn góðu lífi.
Heimsmynd á hverfanda hveli kom út í tveimur bindum á árunum 1986 til 1987 og vakti strax mikla athygli. Þorsteinn notaði verkið alla tíð sem kjölfestu við kennslu Þáttanna á sögu heimsmyndarinnar fram yfir daga Newtons, Um sögu annarra fræðigreina en stjörnufræði og eðlisfræði, til dæmis líffræði, lét hann nemendur að sjálfsögðu lesa önnur viðeigandi verk. Svo til allir, sem tóku þetta námskeið og ég hef talað við, hrósa því í hástert.
Hið mikla verk Þorsteins, Heimsmynd á hverfanda hveli, kom út í tveimur bindum á árunum 1986 og 1987. Myndin er af forsíðu seinna bindisins.
Hér er einnig við hæfi að gefa lesendum tækifæri til að kynna sér hugmyndir Þorsteins um mikilvægi vísinda, sögu þeirra og heimspeki (skráin er langt frá því að vera tæmandi):
Brautryðjandastarf Þorsteinn við rannsóknir, kennslu og kynningu á vísindasögu og vísindaheimspeki hér á landi varð á endanum til þess að stofnuð var meistaranámsleið í hugmynda- og vísindasögu við Háskóla Íslands haustið 2016. Ég varð þess heiðurs aðnjótandi að fá að koma að undibúningi þess náms og gafst jafnframt tækifæri til að koma því af stað um það leyti sem ég varð emeritus.
Einstein og verk hans
Ég reyni stundum að telja sjálfum mér trú um að upphafið að Einsteinsbók Þorsteins megi rekja til Einsteinsársins 2005 og samræðna okkar þriggja, Þorsteins, Skúla Sigurðssonar vísindasagnfræðings og mín. Þar var meðal annars rætt um það að æskilegt væri að þýða greinar meistarans frá hinu svokallaða kraftaverkaári 1905 á íslensku og gefa þær allar út með skýringum. Á þeim tíma vorum við Skúli allt of önnum kafnir við önnur verkefni til að leggja í slíka vinnu, en Þorsteinn sagðist ætla að hugsa málið betur. Nokkrum árum síðar tilkynnti hann okkur að hann væri byrjaður á verkinu og hefði fengið sér til aðstoðar eðlisfræðingana Jakob Yngvason og Þorstein Halldórsson til að skrifa skýringar með greinum Einsteins. Bókin kom svo út á aldarafmæli Almennu afstæðiskenningarinnar árið 2015.
Einsteinsbókin frá 2015
Í starfi sínu við Háskóla Íslands kenndi Þorsteinn, eins og aðrir kennarar við eðlisfræðiskor, að sjálfsögðu bæði sérnámskeið um takmörkuðu afstæðiskenninguna sem og ýmis önnur námskeið þar sem hún kemur við sögu. Hann hélt einnig alþýðleg erindi um Einstein og kenningar hans og skrifaði um það efni fyrir almenning.
Þorsteinn Sæmundsson & Þorsteinn Vilhjálmsson, 1970: „Um staðfestingu afstæðiskenningarinnar á síðari árum“, eftirmáli við bók Alberts Einstein, Afstæðiskenninguna, sem Þorsteinn Halldórsson þýddi.
Ekki veit ég hvenær Þorsteinn fék fyrst áhuga á fornnorrænni stjörnulist, en skömmu eftir að seinna bindi Heimsmyndarinnar kom út árið 1987 var hann byrjaður að kynna sér niðurstöður Stjörnu-Odda um göngu sólar. Oddi Helgason var fátækur vinnumaður, sem uppi var á fyrri hluta tólftu aldar og er talinn hafa gert framúrskarandi athuganir á sólargangi á Norðurlandi við erfiðar aðstæður.
Áður höfðu fræðimenn eins og Kr. Kaalund og N. Beckman, Björn M. Ólsen, Þorkell Þorkelsson, O. S. Reuter, E. Zinner og Trausti Einarsson fjallað um Odda í rituðu máli (sjá t.d. hér), en Þorsteinn taldi sig hafa nýja og ólíka sýn á efnið, sem vert væri að kanna nánar.
Af þessu einfalda upphafi spratt svo meiriháttar rannsóknarverkefni um þekkingu norrænna miðaldamanna (einkum Íslendinga og Norðmanna) á stjörnufræði, tímatali og siglingum, sem Þorsteinn lagði stund á allt til æviloka. Seinni árin hafði hann öðlast svo mikla þekkingu á viðfangsefninu að hann var fenginn til að skrifa um það í erlendar alfræðibækur eins og The Oxford Encylopedia of Maritime History og Reallexikon der Germanischen Altertumskunde.
Hér eru talin upp nokkur helstu verk Þorsteins um þetta áhugaverða efni:
Á aðalfundi Stjarnvísindafélags Íslands í árslok 2017 var samþykkt að heiðra minningu Stjörnu-Odda með því að reisa honum minnisvarða á heimaslóðum hans í Þingeyjarsveit. Í framhaldinu var svo ákveðið að halda málþing honum til heiðurs, strax að lokinni afhjúpun. Þorsteinn og við Þórir Sigurðsson eðlisfræðingur vorum jafnframt skipaðir í sérstaka undirbúningsnefnd.
Eftir miklar og einstaklega fróðlegar umræður í nefndinni var ákveðið að minnisvarðinn skyldi reistur að Grenjaðarstað og málþingið haldið þar. Síðan var blásið til Sólstöðuhátíðar til minningar um Stjörnu-Odda hinn 20. júní 2020. Hátíðin fór fram samkvæmt áætlun og þar héldu Þorsteinn og fleiri erindi í tilefni dagsins. Finna má upptökur af erindunum á fyrrnefndri vefsíðu og þar eru einnig tenglar á skrifað erindi Þorsteins og minnisblað sem hann dreifði á staðnum.
Þorsteinn við minnisvarðann um Stjörnu-Odda í júní 2020. Mynd: Snævarr Guðmundsson.
Vísindi og velferð
Árið 2021 stofnuðu þau hjónin, Sigrún og Þorsteinn, sérstakan sjóð við Háskóla Íslands. Hann ber nafnið Vísindi og velferð: Styrktarsjóður Sigrúnar og Þorsteins og er ætlað að efla og styrkja nám, rannsóknir og ritstörf, annars vegar í félagsráðgjöf á sviði barna- og fjölskyldumálefna og hins vegar í vísindafræðum, nánar tiltekið í vísindasögu, vísindaheimspeki og vísindamiðlun. Þegar þetta er skrifað hefur verið úthlutað úr sjóðnum í fjögur skipti.
Frá formlegri stofnun styrktarsjóðsins árið 2021. Hjónin Þorsteinn og Sigrún skrifa undir skipulagsskrá sjóðsins og Jón Atli Benediktsson rektor fylgist með. Mynd: Kristinn Ingvarsson. Lýsingu á einni úthlutunarathöfninni (árið 2023) má finna hér.
Fjölmargir hafa nú þegar hlotið styrki úr sjóðnum og í framtíðinni eiga mun fleiri eftir að njóta aðstoðar hans til góðra verka. Þetta merka frumkvæði þeirra hjóna er verðugur minnisvarði um mikilvægt framlag þeirra til íslenskrar menningar og farsælan ferill þeirra beggja við Háskóla Íslands.
