Oppenheimer, 1904-1967.

Il contributo di Oppenheimeralla fisica moderna

Ricordato quasi esclusivamente per il ruolo avuto nel ProgettoManhattan, questo scienziato aveva svolto in realtà, negli anni trenta,

ricerche fondamentali per lo sviluppo della fisica teorica

di John S. Rigden

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1 16 luglio 1945, sul far del giorno,un lampo di luce innaturale squar-ciò il cielo sopra il deserto del New

Mexico. Tra i testimoni di quell'eventovi erano molti dei più celebri fisici diquesto secolo. Mentre osservavano ilbagliore accecante attraverso occhiali diprotezione da saldatori, essi furono an-che subitaneamente percossi da unadrammatica consapevolezza: l'era nu-cleare aveva avuto inizio E il testimoneprincipe - colui che aveva diretto fin da-gli esordi il progetto della bomba atomi-ca - era J. Robert Oppenheimer.

Costui era un individuo speciale. Ilsuo acume intellettuale, i suoi moltepliciinteressi, il fisico gracile e la personalitàeterea ne avrebbero fatto un uomo daicontorni leggendari. Dopo la secondaguerra mondiale Oppenheimer divenneun personaggio pubblico, noto per averguidato i fisici che costruirono la bombaatomica al Los Alamos Laboratory. Ilsuo successo nella veste di direttore delProgetto Manhattan gli conferì una no-tevole influenza, e per un certo periodopoté godere di autorevolezza indiscussae di una posizione dominante.

Ma nel giugno 1954, nel pieno dellaparanoia anticomunista alimentata dalmaccartismo, la US Atomic EnergyCommission (AEC) giudicò che Op-penheimer difettava di carattere, e loadditò come un rischio per la sicurezzanazionale. Albert Einstein e altri scien-ziati dell'Institute for Advanced Studydi Princeton, di cui Oppenheimer eradirettore, gli manifestarono pubblica-mente il loro appoggio, e in ottobrel'amministrazione dell'istituto gli pro-rogò la nomina nel ruolo, che mantennefino a un mese prima di morire, nel feb-braio 1967. Eppure, dopo le decisionidell'AEC, l'immagine diafana di Op-penheimer fu sempre più simile a quelladi un uomo a pezzi.

Ben pochi storici della scienza hanno

scritto di quell'Oppenheimer che - diecianni prima della guerra - aveva dato vi-gore alla fisica teorica statunitense. Visono due ragioni per considerare tantopiù increscioso questo disconoscimen-to. Innanzitutto, Oppenheimer avevaesordito come fisico nel più straordina-rio dei periodi: proprio quando cioè lameccanica quantistica e la fisica nu-cleare andavano prendendo forma, arre-cando grandi mutamenti ai concetti tra-dizionali della fisica. In secondo luogo,per quanto sia stato spesso descritto co-me una figura non di primo piano, Op-penheimer ha di fatto apportato molticontributi significativi in diverse areefondamentali della ricerca fisica, primadi occupare il suo posto a Los Alamos.

A Oppenheimer vanno ascritti i fon-damenti degli studi attuali di fisica mo-lecolare. Egli fu il primo a comprenderel'effetto tunnel quantistico, che è allabase del funzionamento del microsco-pio a scansione oggi impiegato per rile-vare la struttura delle superfici a scalaatomica. Oppenheimer andò vicino aprevedere l'esistenza del positrone,l'antiparticella dell'elettrone; sollevò laquestione di alcune difficoltà crucialidell'elettrodinamica quantistica; svi-luppò la teoria sulle piogge di raggi co-smici. Infine, molto prima che le stelledi neutroni e i buchi neri entrassero afar parte del nostro panorama celeste,Oppenheimer dimostrò che stelle digrande massa possono collassare sottol'influsso della forza gravitazionale.

Dalla chimica alla fisica

Come molti fisici della sua epoca,Oppenheimer aveva studiato chimica.«Rispetto alla fisica - disse - [la chimi-ca] comincia proprio nel cuore delle co-se.» Matricola ad Harvard, capì che«ciò che amavo della chimica era moltovicino alla fisica». Così, la primavera

successiva, sottopose un piano di studial Dipartimento di fisica e fu ammessoal corso di laurea. Si iscrisse a molticorsi di fisica, ma poiché i suoi interessie gli studi erano molto diversi, dichiaròpoi di aver attinto solo «una familiariz-zazione molto rapida e superficiale conalcune parti della fisica». Scrisse: «Seb-bene mi piacesse lavorare, ero statotroppo dispersivo, e me la cavai cosìcon somma fatica; ottenni il massimodei voti in tutti quegli esami, anche senon penso che l'avrei meritato».

Che ciò fosse vero o no, Oppenhei-mer acquisì una notevole esperienza la-vorando nel laboratorio di Percy W.Bridgman, un privilegio che ottenne invirtù della sua ottima preparazione. Ne-gli anni venti la fisica statunitense eradominata dagli sperimentalisti comeBridgman, che fu tra i primi a studiarele proprietà della materia ad alta pres-sione e che aveva costruito gran partedelle apparecchiature sperimentali ne-cessarie per quel tipo di studi. Quindi,per le sue esperienze di studente, Op-penheimer non faceva distinzioni tra fi-sica teorica e sperimentale, anche per-ché la prima era un'attività decisamenteeuropea. «Non sapevo che avrei finitoper fare una vita di questo genere [da fi-sico teorico]!» disse una volta, ripen-sando ai suoi giorni da studente.

Per questa ragione, mentre si avvici-nava la laurea (che avrebbe consegui-to nel 1925), aspirava a lavorare al Ca-vendish Laboratory di Cambridge conErnest Rutherford, uno dei più grandisperimentalisti del secolo. Rutherford a-veva condotto i primi tentativi per rivela-re il nucleo dell'atomo, estremamentepiccolo e pesante. Egli non fu però im-pressionato dalle credenziali di Oppen-heimer e ne respinse pertanto la doman-da. Oppenheimer scrisse allora a JosephJohn Thomson, un altro celebre speri-mentalista del Cavendish Laboratory,

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1928-1930

i

1929

1928

che accettò la sua domanda come stu-dente ricercatore e lo relegò a lavorare inun angolo della stanza, a far depositarepellicole sottili su un supporto di collo-dio. «Sto passando veramente un perio-do orribile» scrisse il 1° novembre 1925a un vecchio amico. «Il lavoro di labora-torio è di una noia mortale, e mi sentocosì male che mi è impossibile averel'impressione di imparare alcunché.»

L'inverno successivo fu un periodobuio per Oppenheimer, ma con l'iniziodella primavera si schiusero nuove possi-bilità. Rutherford finalmente gli parlò elo fece conoscere a Niels Bohr in visita alCavendish Laboratory. Inoltre, attraversoPatrick M. S. Blackett, incontrò PaulEhrenfest dell'Università di Leida. Strin-se anche amicizia con due autorevoli fisi-ci di Cambridge: Paul A. M. Dirac eRalph H. Fowler. Tutti costoro erano teo-

La formazione di uno scienziato

1925-1927

sabilità di tornare al laboratorio» dissenel 1963 in una intervista al filosofoThomas S. Kuhn.

Fu a Gottinga che Oppenheimer pre-se per la prima volta coscienza dei pro-blemi con cui erano alle prese i fisicieuropei. «La scienza è molto migliore[qui]» scrisse nel novembre 1926 al-l'amico Francis Furgusson. A quell'e-poca Born, Werner Heisenberg e Pa-scual Jordan erano tutti a Gottinga, estavano formulando la teoria della mec-canica quantistica. Born, celebre pro-fessore, fece di Gottinga un luogo mi-gliore di ogni altro per apprendere gliintricati concetti della nuova teoria, eOppenheimer apprese in fretta. Nel di-cembre 1926, appena quattro mesi dopoaver accettato l'offerta per Gottinga, in-viò l'articolo La teoria quantistica de-gli spettri continui all'autorevole rivista

Atomi e molecole

Quando si scopri che l'atomo emettespettri discreti nelle transizioni tra statienergetici, divenne chiaro che la fisicadei secoli precedenti era ormai inade-guata. Da quel momento, atomi e mole-cole offrirono un naturale terreno diprova per la nuova teoria della mecca-nica quantistica e per Oppenheimerstesso. Il suo primo contributo fonda-mentale consistette nel trovare un mododi semplificare l'analisi degli spettrimolecolari. Interpretando gli spettri, ifisici determinano la struttura e le pro-prietà delle molecole. Ma una descri-zione quantomeccanica esatta anche diuna molecola semplice è complicata dalfatto che elettroni e nuclei atomici checostituiscono quella molecola interagi-scono tutti fra loro.

minò la probabilità che un atomo cattu-ri l'elettrone di un altro atomo. A parti-re dall'approssimazione di Born-Oppen-heimer, dimostrò che tale probabilità èindipendente dal potenziale internuclea-re tra i due atomi.

Infatti, nel 1928. Oppenheimer scoprìanche un altro comportamento quanto-meccanico: l'effetto tunnel, che si verifi-ca sotto diverse condizioni teoriche. Unelettrone, per esempio, può sfuggire daiconfini entro i quali è normalmente im-prigionato se si comporta come una infi-nitesimale palla da bigliardo. L'esempiodi effetto tunnel più famoso è quello cheavviene quando un nucleo espelle unaparticella alfa per decadimento radioatti-vo. Classicamente, la particella non haalcuna possibilità di lasciare il nucleo.Quantisticamente, invece, la particellaalfa può subire effetto tunnel attraverso

bire effetto tunnel e attraversare la bar-riera che lo lega al nucleo. Oppenheimerdimostrò che un debole campo elettricopuò liberare elettroni dalla superficie diun metallo. Nel 1982, Gerd Binnig eHeinrich Rohrer, del Laboratorio di ri-cerca IBM di Zurigo, hanno progettato ilmicroscopio a scansione a effetto tunnelsulla base di questo principio, 54 annidopo che Oppenheimer lo aveva scoper-to (si veda l'articolo II microscopio ascansione a effetto tunnel di Gerd Bin-nig e Heinrich Rohrer in «Le Scienze»n. 206, ottobre 1985).

Campi e particelle

Oppenheimer trascorse i suoi ultimimesi in Europa, dal gennaio al giugno1929, con Wolfgang Pauli alla Eidge-nossische Technische Hochschule di

ti, che contribuirono a portare la fisicastatunitense ai massimi livelli.

Una delle più accalorate controversiedell'inizio degli anni trenta riguardavauna teoria proposta da Dirac. Il 2 gen-naio 1928, il direttore della rivista«Proceedings of the Royal Society» ri-cevette un manoscritto di Dirac intito-lato La teoria quantistica dell'elettro-ne che, insieme con una seconda partepubblicata un mese più tardi, rappre-sentò probabilmente la più significa-tiva realizzazione di Dirac. L'equazio-ne d'onda relativistica che egli avevaformulato suscitò l'entusiasmo dei fisi-ci, dato che comprendeva lo spin del-la particella e i corretti autovalori delmomentomagneti-co. L'arti-colo, pe-

PERCY BRIDGMAN (a sinistra) offri a Oppenheimer un posto nel suolaboratorio alla Harvard University. Negli anni venti Bridgman era un pionie-re della fisica delle alte pressioni e costrui da sé molte delle apparecchiatu-

re necessarie per le sue ricerche. Probabilmente fu la sua manualitàa influenzare la decisione di Oppenheimer di perseguire una carriera

da fisico sperimentale dopo la laurea, conseguita nel 1925.

1925 1926 1930

OPPENHEIMER nel 1928, un anno dopo aver conseguitoil PhD all'Università di Gottinga, dove Max Born, WernerHeisenberg e Pascual Jordan stavano formulando lateoria della meccanica quantistica. Quell'annoOppenheimer scopri l'effetto tunnel dimostrandoche un debole campo elettrico può liberare elettronidalla superficie di un metallo. Su questo principio

è basato il microscopio a scansione a effetto tunnel(a destra), inventato solo 54 anni più tardi.

1927

PAUL A. M. DIRAC (a sinistra) nel 1928 formulò un'equa-zione d'onda relativistica per descrivere l'elettrone. Il suo

lavoro, sebbene accurato secondo molti aspetti,sollevò diverse polemiche. Oppenheimer operòuna critica molto perspicace della teoria di Dirac e,nell'elaborare le sue argomentazioni, arrivò quasia prevedere l'esistenza del positrone.

Il CAVENDISH LABORATORY di Cambridge (a destra)fu la casa di Oppenheimer per un anno,dopo che ebbe lasciato Harvard. Là aveva speratodi lavorare nel laboratorio di Ernest Rutherford(a sinistra), ma questi, uno dei grandi sperimentalistidel secolo, non fu ben impressionato da Oppenheimerche, invece, fu chiamato come assistente di JosephJohn Thomson, un altro celebre fisico del Cavendish.

rici e aiutarono Oppenheimer ad amplia-re le proprie prospettive. Fowler, dotatodi particolare perspicacia, gli consigliò diimparare il nuovo formalismo quanto-meccanico di Dirac e di applicarlo aglispettri a bande, operando una fusione trala vecchia e la nuova scienza in un cam-po non ancora esplorato.

Oppenheimer fu assorbito dal proble-ma e negli anni successivi sviluppò lamoderna teoria degli spettri continui.Questo lavoro non solo lo portò a pub-blicare il suo primo articolo, ma segnòanche l'inizio della sua carriera come fi-sico teorico. Quando Max Born fu ospi-te del Cavendish Laboratory nell'estatedel 1926 e propose a Oppenheimer diproseguire gli studi al centro di fisicateorica dell'Università di Gottinga, que-sti accettò immediatamente. «Mi sentiicompletamente sollevato dalla respon-

tedesca «Zeitschrift ftir Physik». Que-sto articolo era, di fatto, un compendiodi quella che sarebbe stata la sua disser-tazione. Dopo aver conseguito il dotto-rato a Gottinga nel marzo 1927 trascor-se i due anni successivi uno negli StatiUniti e uno in Europa, come membrodel National Research Council.

Durante questo periodo Oppenhei-mer trasse grande giovamento dall'a-micizia con eminenti fisici europei. «Midiedero un certo senso e... un certo gu-sto della fisica» disse a Kuhn. Inoltre, iproblemi teorici che studiava erano disua libera scelta. Più tardi, negli annitrenta, forse a causa della sua esperien-za di laboratorio, Oppenheimer lavoròvicino a sperimentalisti, molti dei qualidovevano ammettere come la sua com-prensione dei risultati fosse miglioredella loro.

Oppenheimer comprese che, a causadella grande differenza tra la massa delnucleo e quella degli elettroni, queste in-terazioni potevano essere decisamenteignorate. I nuclei, dotati di grande mas-sa, reagiscono così lentamente alle mu-tue forze d'interazione che gli elettronicompletano diversi cicli del loro motomentre i nuclei ne percorrono solo unapiccola frazione. Mentre era in vacanza,Oppenheimer stese una breve memoriasull'argomento e la inviò a Born che,sbalordito da tanta concisione, sfornòuno scritto di 30 pagine in cui dimostra-va che il moto rotazionale e vibrazionaledei nuclei può essere trattato separata-mente dal moto degli elettroni. Oggi,l'approssimazione di Born-Oppenhei-mer è il punto di partenza per i fisici e ichimici impegnati nell'analisi molecola-re. Successivamente Oppenheimer deter-

la barriera di potenziale che la circonda esfuggire al nucleo.

Durante l'estate del 1928, i fisiciGeorge Gamow e, indipendentemente,Edward U. Condon e Ronald W. Gurneyspiegarono la disintegrazione radioattivaper effetto tunnel. I libri di testo sonoperfettamente in accordo su questa circo-stanza, ma sottintendono anche che que-sti scienziati abbiano scoperto il fenome-no, il che non è vero. Diversi mesi pri-ma, in marzo, Oppenheimer aveva pro-posto per i «Proceedings of the NationalAcademy of Sciences» un articolo in cuiconsiderava l'effetto di un campo elettri-co su un atomo. Classicamente, un ato-mo può essere dissociato soltanto da uncampo elettrico intenso. Da una prospet-tiva quantistica, invece, un debole cam-po può separare l'elettrone dal nucleo acui appartiene perché l'elettrone può su-

Zurigo. Dopo questo apprendistato, gliinteressi di Oppenheimer si spostaronodalle applicazioni della meccanicaquantistica a problemi fondamentalidella fisica. La scelta di tempo per que-sto spostamento fu perfetta. In quellaprimavera ricevette offerte dal Califor-nia Institute of Technology e dall'Uni-versità della California a Berkeley; inentrambe le sedi si svolgeva ricerca diprima linea sulle questioni fondamenta-li. Robert A. Millikan, che nel 1925aveva coniato l'espressione «raggi co-smici» era al Caltech, e Ernest O. Law-rence, che nel 1930 avrebbe costruito ilprimo ciclotrone, studiava fisica nu-cleare a Berkeley. Oppenheimer accettòentrambe le offerte, passando solita-mente il semestre invernale a Berkeleye quello estivo al Caltech. In entrambele scuole egli attrasse i migliori studen-

rò, provocò anche reazioni altamentecontrariate; nel luglio 1928 Heisenbergscrisse a Pauli:«il capitolo più triste del-la fisica moderna è e rimane la teoria diDirac». Il problema principale dell'e-quazione d'onda di Dirac era che davasoluzioni corrispondenti sia a stati dienergia positiva sia a un numero infini-to di stati di energia negativa. In una si-mile situazione, la meccanica quantisti-ca prevede che gli elettroni possano sal-tare in questi stati di energia negativa, eperciò che vi possano finire tutti quanti.Dunque, gli ordinari elettroni non do-vrebbero esistere.

Per superare questa difficoltà, Diracimmaginava che questi stati di energianegativa fossero occupati da un'infinitàdi elettroni. Se una parte di questi statinon fosse stata occupata, però, sarebbeapparsa come un insieme di lacune posi-

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1932 1933

'21111~111111211.3

tive in un mare di carica negativa. Nelmarzo 1930 Dirac pubblicò un articoloin cui asseriva che queste lacune positi-ve erano protoni ma Oppenheimer, cheaveva letto l'articolo prima della pubbli-cazione, replicò, in una lettera a «Physi-cal Review» pubblicata lo stesso mese,che non lo erano. Egli indicò che, se lelacune positive nella teoria di Dirac fos-sero protoni, allora elettroni e protoni siannichilerebbero reciprocamente, ragio-ne per cui la materia avrebbe una vitamedia di 10- 1 ° secondi. Osservò inoltreche le particelle positive postulate dalla

1931-1933

ROBERT A. miLLIKAN è qui mostrato nel 1932con un elettroscopio dotato di registratore cheaveva costruito nella cantina di casa per rivelarei «raggi cosmici». Millikan, che coniò egli stessol'espressione, fu uno dei colleghi di Oppenheimeral California Institute of Tech-nology. Fu durante gli esperi-menti sulla radiazione cosmi-ca che, nel 1932 al Caltech,Cari Anderson scopri il posi-trone. È qui mostrato con Mil-likan e un'immagine delletracce rivelatrici (a destra).

1931

teoria di Dirac avrebbero dovuto averela stessa massa dell'elettrone. In effetti,queste lacune positive erano positroni,le antiparticelle degli elettroni, ma nel1930 questa particella era ignota e ina-spettata. Nel contestare Dirac, comun-que, Oppenheimer andò vicino a preve-derne l'esistenza.

Anche dopo la scoperta del positro-ne, compiuta nel 1932 dal fisico CariAnderson del Caltech, il lavoro di Diracera tormentato da problemi. Oppenhei-mer e altri fisici che lavoravano all'elet-trodinamica quantistica (QED) avevanomolti dubbi sulla teoria di base. Nel1930, per esempio, Oppenheimer dimo-strò che, quando la teoria pubblicata inquello stesso anno da Heisenberg ePauli veniva applicata alle interazionitra gli elettroni, i protoni e il campoelettromagnetico, lo spostamento dellelinee spettrali era infinito. Lo scettici-smo di Oppenheimer riguardo alla QEDfu tenuto vivo per tutti gli anni trenta daanomalie nel suo lavoro sui raggi co-smici causate dal muone e da altre par-ticelle di elevata energia sconosciuteall'epoca. Se Oppenheimer avesse avu-

to a disposizione un risultato sperimen-tale sull'atomo di idrogeno ottenuto so-lo dopo la guerra dal suo allievo WillisE. Lamb, si può immaginare che avreb-be sin da allora risolto il fastidioso pro-blema degli infiniti.Nel 1931 Oppenheimer tentò di trovareper il fotone un'equazione analoga aquella di Dirac per l'elettrone. Non viriuscì, ma con quegli studi dimostròquella differenza fondamentale tra par-

ERNESTO. LAWRENCE (a destra),mostrato con Oppenheimer, costruì

il primo ciclotrone all'Universitàdella California a Berkeley nel 1930,

dove entrambi investigaronola fisica del nucleo.

ticelle a spin intero e a spin seminteroche più avanti costituì la base della di-mostrazione formale di Pauli sulla con-nessione tra spin e statistica.

Creazione e distruzione di materia

Secondo la meccanica quantistica,sia la creazione sia l'annichilazione dimateria - soggette alle leggi di conser-vazione dell'energia e del momento -sono possibili. Un raggio gamma, peresempio, può dare origine a un elettronee a un positrone attraverso un processoche prende il nome di produzione dicoppie (pair production). Stranamente,Oppenheimer non formulò l'ipotesi del-la produzione di coppie ma, insiemecon il suo allievo Milton S. Plesset, nefornì la corretta descrizione nel 1933.Un anno dopo, lavorando con WendellH. Furry, sviluppò la teoria dell'elettro-ne e del positrone essenzialmente nellasua forma moderna. Essi dimostraronoche la carica osservata dell'elettronenon è la sua carica reale, e con ciò anti-ciparono il fenomeno che prende il no-me di rinormalizzazione della carica,

che contribuì a spiegare alcune delleprime difficoltà che circondavano gliinfiniti della QED.

Negli anni trenta, la maggior partedella sperimentazione in fisica delle alteenergie veniva realizzata nell'atmosferaterrestre. In quell'ambiente particelle diorigine cosmica dotate di energie del-l'ordine dei gigaelettronvolt bombarda-no gli atomi dell'atmosfera. Nel 1932,durante uno studio della radiazione co-smica in camera a nebbia, Anderson sco-prì per la prima volta il positrone. Se unalastra metallica, per esempio di piombo,

è collocata in una camera a nebbia, latraccia di un singolo raggio cosmico in-cidente sulla superficie superiore dellalastra può dar luogo a un gran numero ditracce che si dipartono da un punto dellasuperficie inferiore della lastra stessa.Oppenheimer e il suo allievo J. FranklinCarlson dimostrarono che queste «piog-ge» di raggi cosmici - che normalmenteconsistono di fotoni, elettroni e positro-ni - sono generate da una cascata di pro-duzioni di coppie elettrone-positrone. Lospessore della lastra di piombo, natural-mente, può essere fatto variare. Oppen-heimer e Carlson notarono che, se il rag-gio cosmico primario è un fotone o unelettrone, una lastra di piombo dellospessore di 20 centimetri assorbe tutta laradiazione risultante negli intervalli dienergia osservati sperimentalmente.

Ulteriori dati, tuttavia, rivelarono chela penetrazione superava le profonditàche potevano essere attribuite a un foto-ne o a un elettrone. Ne conclusero cheesistesse un altro componente dei raggi

cosmici, e infatti pochi mesi dopo grup-pi del Caltech e di Harvard scoprironocontemporaneamente una nuova parti-cella. Oppenheimer e il suo collega diBerkeley Robert Serber identificaronoimmediatamente questa particella comequella prevista dal fisico giapponeseHideki Yukawa per spiegare le forzenucleari. In effetti la nuova particella ri-sultò essere il muone. Il pione, la parti-cella prevista da Yukawa, fu scopertosuccessivamente.

A Berkeley, gli studi di Oppenheimerruotavano intorno all'acceleratore. Nel1932, quando James Chadwick scoprì ilneutrone, la teoria protone-elettrone delnucleo venne abbandonata e il modernomodello protone-neutrone ne prese ilposto. Durante la primavera del 1933Lawrence accelerò per la prima volta ideuteroni, che sono costituiti da un pro-tone e un neutrone, e li impiegò perbombardare nuclei pesanti. Scoprì cosìche i deuteroni disintegrano i nuclei conefficacia maggiore di quanto facciano iprotoni; tuttavia né Lawrence né i suoicollaboratori osservarono mai particellealfa emesse dai nuclei bersaglio.

Arrivarono quindi a un risultato enig-matico: quando deuteroni di alta ener-gia incidono su un qualsiasi nucleo, ilbersaglio emetterebbe protoni in unostretto intervallo di energia. Di fatto, ideuteroni che contaminavano l'appara-to di Lawrence offrivano la soluzionedel mistero: i protoni registrati risulta-vano tutti dalla fusione del deuterio.Prima che emergesse questa spiegazio-ne, però, l'osservazione fece sorgerequestioni sulle reazioni indotte dal deu-terio. A Berkeley, Oppenheimer e lasua allieva Melba N. Phillips dimostra-rono che, quando un deuterone collidecon un nucleo pesante, quest'ultimopuò catturare il neutrone del deuteronee liberare il protone. La teoria che Op-penheimer e Phillips proposero per que-sta reazione, e che oggi porta il loro no-me, spiegava esattamente gli strani ri-sultati di Lawrence.

Stelle di neutroni e buchi neri

Oggi accettati come fasi finali del-l'evoluzione stellare, stelle di neutroni ebuchi neri furono ipotizzati su basi teo-

riche durante gli anni trenta. Oppenhei-mer e due suoi allievi, George M.Volkov e Hartland S. Snyder, furonostudiosi di punta in queste ricerche. Op-penheimer e Volkov si interessaronoall'ipotesi di un altro scienziato secon-do la quale, una volta esaurita la suasorgente di energia termonucleare, inuna stella di grande massa si sarebbepotuto formare un nucleo di neutroni.Per provare se questo scenario fossepossibile, Oppenheimer e Volkov deci-sero di stabilire la differenza tra unatrattazione gravitazionale del processobasata sulla teoria di Newton e una con-sistente con la relatività generale diEinstein.

L'equazione di Oppenheimer-Volkov,che descrive il gradiente di pressioneall'interno della stella, rivelò che la pres-sione sarebbe aumentata più rapidamen-te penetrando in profondità nel nucleostellare di quanto ci si sarebbe aspettatida calcoli fondati sulla teoria newtonia-na. Quindi la teoria di Oppenheimer--Volkov basata sulla relatività generaleprevedeva forze gravitazionali più inten-se, e più precise, della teoria new-toniana. Oppenheimer e Volkoveffettuarono anche i primi calcolidettagliati per stabilire la strut-tura di una stella di neutroni,ponendo così i fondamentidella teoria relativistica gene-rale della struttura stellare.Nel 1939, appena prima chepubblicassero un articolo sul-l'argomento, Oppenheimer in-viò una lettera a George E.Uhlenbeck - un fisico teoricodell'Università del Michigan -che con il suo collega SamuelA. Goudsmit aveva scopertolo spin dell'elettrone. Scrisse:«Abbiamo.., lavorato su solu-zioni statiche e non statiche permasse molto grandi... vecchiestelle che forse collassano innuclei di neutroni. I risultatisono stati molto singolari...».

I risultati in effetti divenne-ro anche più strani. Più tar-di, quello stesso anno, Op-penheimer e Snyder pubbli-carono un articolo classicointitolato La contrazione

gravitazionale continuata. Avevano os-servato che quando una stella di grandemassa esaurisce la sua fonte interna dienergia nucleare, il suo destino ultimo èdeterminato da quanta massa può per-dere, o per espulsione radiativa o per ra-pida rotazione. Dopo aver sperimentato-tutti i modi possibili di espellere mate-ria, il nucleo rimanente è legato dallaforza gravitazionale. Se non c'è energiatermonucleare a svolgere la funzione diforza equilibratrice, il nucleo conti-nuerà a collassare.

Con il proseguire del collasso, la luceirraggiata dal nucleo si sposta semprepiù verso il rosso, ovvero la sua lun-ghezza d'onda aumenta; inoltre il per-corso lungo il quale questa luce puòsfuggire diventa sempre più stretto, fin-ché il cammino si chiude su se stesso,lasciando una sorgente di attrazione gra-vitazionale nascosta a qualsiasi osserva-zione esterna. Nell'elaborare questa de-scrizione Oppenheimer e Snyder esegui-rono il primo calcolo della formazionedi un buco nero. Nel marzo 1994 l'av-vincente prova del fenomeno è stata te-

stimoniata dall'occhio dello HubbleSpace Telescope, che ha registrato lapresenza di un buco nero di grande

massa nel centro della galassiaM87, la più grande e luminosa

dell'ammasso della Vergine.Il contributo di Oppenhei-

mer alla fisica del nostro se-colo è stato vasto, profondo edecisivo. L'approssimazione

di Born-Oppenheimer, la pe-netrazione degli elettroni attra-verso le barriere di potenziale,la teoria delle piogge di raggicosmici, le stelle di neutroni e ibuchi neri sono tutte parti vitalidella fisica contemporanea.

Le pulsar, ora riconosciute co-me stelle di neutroni in rotazione,furono osservate per la prima vol-ta nel 1967, l'anno in cui Op-penheimer mori di cancro a Prin-ceton. Fosse vissuto più a lungo,avrebbe potuto gioire del riconosci-mento che questa scoperta portò al-le sue ricerche dell'anteguerra, cheerano state oscurate dal suo lavoroin tempo di guerra e dalla famache «sopportò» nel dopoguerra.

JOHN S. RIGDEN ha conseguito il PhD alla JohnsHopkins University nel 1960; è oggi direttore dei programmidi fisica all'American Institute of Physics. Dal 1978 al 1988 èstato direttore dell'«American Journal of Physics» e ha pub-blicato due libri: Physics and the Sound of Music e Rabi:Scientist and Citizen.

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