ovvero, come la fisica di quegli anni ha radicalmente...

1900-1925: storie di atomi e scienziati

ovvero, come la fisica di quegli anni ha radicalmente cambiato le nostre idee sul mondo

Franco Dalfovo INO-CNR BEC Center e Dipartimento di Fisica Università di Trento

4 storie, 4 personaggi, 1 epilogo

•  Illuminazione pubblica e quanti (Planck) •  Pollini e atomi (Einstein) •  Pochi lampi nel buio (Rutherford) •  Matrici e altre complicazioni (Heisenberg)

•  Epilogo: i risultati e le responsabilità della scienza

Illuminazione pubblica e quanti

•  Personaggio principale: Max Planck •  Anno: 1900 •  Oggetto d’indagine: lo spettro delle sorgenti luminose

•  Il professore dell’Università di Berlino •  Un nuovo Istituto Imperiale di fisica e tecnica •  Il programma di ricerca •  Il fallimento e l’ultima carta da giocare


•  Il professore dell’Università di Berlino •  Un nuovo Istituto Imperiale di fisica e tecnica •  Il programma di ricerca •  Il fallimento e l’ultima carta da giocare •  La catastrofe ultravioletta è evitata se…


Take home message #1: La necessità di rispondere a bisogni pubblici pratici può condurre a risultati importanti nella cosiddetta ricerca fondamentale (lo si era già visto con la termodinamica nella rivoluzione industriale…). Ma i risultati importanti sono spesso inattesi, ottenuti per via traverse, non immediatamente riconosciuti come tali. Ciò che guida verso il risultato corretto non sembra essere tanto l’intenzione iniziale del ricercatore, o l’ostinazione nel seguire il suo programma, quanto la natura stessa del mondo fisico.


Take home message #2: Per descrivere ciò che vediamo in termini fisici usiamo numeri. La matematica c’insegna come lavorare con i numeri entro un insieme coerente di definizioni e leggi. Il fisico cerca tra queste leggi quelle che rappresentano in modo fedele il comportamento della natura. È la natura che impone la matematica giusta? Oppure è l’uomo che adatta la sua immagine della natura alla matematica di cui dispone? La costante di Planck ha un valore ben definito e solo quello (almeno nel nostro universo).


Take home message #3: A posteriori possiamo dire che l’introduzione della costante h sia stata l’atto iniziale di una rivoluzione scientifica. Ma qui non c’è una folla, non c’è la presa della Bastiglia, non c’è un re ghigliottinato. C’è invece un ricercatore disorientato e attorno a lui quasi il vuoto. Le rivoluzioni scientifiche non sono semplici come appaiono nella loro trasposizione romanzata.


Pollini e atomi •  Personaggio principale: Albert Einstein •  Anno: 1905 •  Oggetto d’indagine: moto di pollini sull’acqua

Pollini e atomi

Pollini e atomi

[…] contemplator enim, cum solis lumina cumque inserti fundunt radii per opaca domorum: multa minuta modis multis per inane videbis corpora misceri radiorum lumine in ipso et vel ut aeterno certamine proelia pugnas edere turmatim certantia nec dare pausam, conciliis et discidiis exercita crebris; conicere ut possis ex hoc, primordia rerum quale sit in magno iactari semper inani. […] quod tales turbae motus quoque materiai significant clandestinos caecosque subesse. multa videbis enim plagis ibi percita caecis commutare viam retroque repulsa reverti nunc huc nunc illuc in cunctas undique partis. scilicet hic a principiis est omnibus error.

[…] Osserva infatti, ogni volta che raggi penetrati infondono la luce del sole nell'ombra delle case: molti minuti corpi in molti modi, attraverso il vuoto vedrai mescolarsi nella luce stessa dei raggi, e come in eterna contesa attaccar battaglie e zuffe, a torme contendendo, e non far sosta, da aggregazioni e disgregazioni frequenti travagliati; sì che da ciò puoi figurarti quale sia l'eterno agitarsi dei primi principi delle cose nel vuoto immenso; […] perché tali agitazioni rivelano che ci sono movimenti di materia anche al di sotto, segreti ed invisibili. Molte particelle infatti ivi vedrai stimolate da urti ciechi cambiar cammino e indietro respinte ritornare, or qui or lì, da ogni punto verso qualunque parte. Certo questo errare ha per tutti origine dagli atomi. (traduzione da www.latinovivo.com)

Lucrezio, De rerum natura, Libro 2, vv. 95-132

Pollini e atomi

•  Gli atomi esistono? L’eredità filosofica e le nubi di Kelvin •  L’idea di Einstein •  La prova sperimentale •  Gli atomi esistono! (e anche gli elettroni, i raggi alfa, ecc.)

Take home message #1: Esperimento e teoria. Prima l’uovo o prima la gallina? Meglio Bacone o Cartesio? Einstein probabilmente non sapeva nulla dei pollini di Brown, ma forse aveva letto con attenzione Boltzmann, che a sua volta forse ne aveva sentito parlare, ne aveva intuito l’interpretazione giusta, lasciandola nel vago, oppure aveva letto Lucrezio... Ma senza gli esperimenti di Perrin l’idea di Einstein sarebbe rimasta una semplice congettura, come tante altre; e senza l’idea di Einstein le osservazioni di Brown sarebbero rimaste un inutile esercizio di curiosità.

Pollini e atomi

Take home message #2: Spesso è la curiosità a spingere verso le scoperte più importanti (la buona ricerca scientifica è quasi sempre “curiosity driven” e un buon governo lo dovrebbe sapere). Le idee camminano con le gambe di persone molto diverse (filosofi, poeti, osservatori curiosi e pignoli, gesuiti eruditi, fisici intraprendenti, impiegati dell’ufficio brevetti,…) prima di diventare conoscenza. L’importanza della commistione dei saperi.

Pollini e atomi

Take home message #3: Scoperte fondamentali nascono dall’osservazione critica di piccoli dettagli o dalla predizione di piccoli effetti. Lo diceva anche Keplero: “… su questi 8 minuti d’arco edificherò un nuovo mondo!” La grandezza di nuovi territori inesplorati non dipende dalla dimensione della porta d’accesso. L’importante è trovare la porticina giusta e la chiave per aprirla.

Pollini e atomi

Pochi lampi nel buio

•  Personaggio principale: Ernest Rutherford •  Anno: 1911 •  Oggetto d’indagine: struttura degli atomi


•  Un neozelandese poco British •  Prendere l’atomo a martellate •  L’ostinazione dello sperimentatore •  L’atomo è praticamente vuoto •  Un piccolo sistema planetario? No!

hν = −hcR 1n2−122

"

#$

%

&'= En −E2

energia del quanto di radiazione

differenza di energia tra due orbite stazionarie


Take home message #1: Rappresentazioni mentali e realtà. La fisica prende l’abbrivio e la filosofia perde il passo. Ad un suo collega astronomo di Cambridge che, durante una cena, aveva suggerito che forse gli elettroni erano solo rappresentazioni mentali ma che in realtà non esistevano, Rutherford rispose: “Avete recato offesa alla donna che amo. Non esistono? Non esistono? E perché allora io riesco a vederli distintamente come vedo quel cucchiaio davanti a me?” La working philosophy dei fisici sperimentali.


Take home message #2: La scienza non chiede il passaporto a chi la fa. Ma cosa succede se i governi dichiarano le guerre e le nazioni reclamano i loro patrioti?


Take home message #2: La scienza non chiede il passaporto a chi la fa. Ma cosa succede se i governi dichiarano le guerre e le nazioni reclamano i loro patrioti?


Chaim Weizmann Otto Hahn Henry Moseley Hans Geiger James Chadwick Ernest Marsden Pyotr Kapitsa

Take home message #2: La scienza non chiede il passaporto a chi la fa. Ma cosa succede se i governi dichiarano le guerre e le nazioni reclamano i loro patrioti? Lo spirito di collaborazione internazionale che anima la scienza nelle sfide che si pone è un esempio di come dovrebbero essere i rapporti tra i popoli (almeno dal punto di vista degli scienziati…).


Chaim Weizmann Otto Hahn Henry Moseley Hans Geiger James Chadwick Ernest Marsden Pyotr Kapitsa

Take home message #3: Un conto è vedere, un altro è capire! “Appena vidi la formula di Balmer, tutto quanto mi risultò chiaro”. La formula di Balmer era già presente nel libro di testo che Bohr usava per gli studi universitari. Era lì, come semplice espressione di un fatto empirico, ma vuota del suo significato concettuale. Per riconoscerne il vero contenuto, occorreva vederla con una mente pronta! (come Newton che osserva la luna... che è là da sempre...) Differenza tra legge empirica e legge fondamentale. Scavare in profondità, unificare gli schemi interpretativi e le teorie…

Pochi lampi nel buio λ = A n2

n2 − 4; n = 3, 4, 5,...

Matrici e altre complicazioni

•  Personaggio principale: Heisenberg •  Anno: 1925 •  Oggetto d’indagine: una nuova meccanica

ΔpΔx ≥ / 2

Matrici e altre complicazioni

•  Il modello di Bohr è in crisi. •  Il giovane Heisenberg va a Helgoland. •  Fidarsi solo delle grandezze

osservabili e convertirle in numeri, numeri, e ancora numeri…

•  I quanti di Planck come risultato del calcolo anziché come ipotesi ad hoc.

•  In un “articolo folle” la nascita della meccanica quantistica.

Matrici e altre complicazioni Take home message #1: “Mi sembra che vi sia una difficoltà grave. Come fa un elettrone a decidere con quale frequenza vibrerà e quando passerà da uno stato stazionario ad un altri? Mi sembra che si dovrebbe supporre che l’elettrone sappia in anticipo dove si fermerà” (Rutherford a Bohr) Inaccettabili violazioni di causalità e determinismo? Strumentalismo o il realismo? Dobbiamo veramente salvare lo spirito del vecchio sistema? L’indicibile in fisica e i problemi interpretativi. La fisica impone percorsi inediti e perigliosi (hic sunt leones).

Matrici e altre complicazioni Take home message #2: Le serie di Fourier, l’algebra delle matrici, numeri immaginari, operatori, … (Heisenberg: “Ora i dotti matematici di Gottinga non fanno che parlare di matrici hermitiane, ma io non so nemmeno cosa sia una matrice”). Newton aveva basato la meccanica sulle equazioni differenziali per grandezze continue e reali, Heisenberg sulle serie discrete, su operatori che non commutano, su numeri complessi… La fisica diventa sempre più astratta… ma è il suo destino (l’esplorazione di orizzonti lontani dal nostro senso comune).

Matrici e altre complicazioni Take home message #3: La scuola di Gottinga e i disastri della Germania nazista. Un anno dopo l’ascesa al potere di Hitler, Hilbert si trovò ad una cena seduto a fianco del Ministro dell’Educazione, Bernhard Rust, che gli chiese: “Come va la matematica a Gottinga ora che è stata liberata dall’influenza ebraica?” Hilbert replicò: “Matematica a Gottinga? Veramente non ce n’è più alcuna.” Born fuggì a Edimburgo, Pauli a Zurigo, Schrödinger a Dublino, Einstein a Princeton. Planck, Sommerfeld e Heisenberg finirono nella lista degli “ebrei bianchi” (coloro che pensavano come ebrei), ma rimasero in patria, forse attendendo tempi migliori.

Epilogo i risultati e le responsabilità della scienza

A.Einstein, Londra 1933.

Come possiamo salvare il genere umano? Come possiamo salvare l’Europa da un nuovo disastro? Solo grazie a persone libere di creare invenzioni e opere d’ingegno che rendano la vita di noi, uomini moderni, degna di essere vissuta. Senza questa libertà non ci sarebbe stato nessuno Shakespeare, nessun Goethe, nessun Newton, nessun Faraday…

Rutherford parla alla Academic Assistance Council, di cui era presidente, davanti a 10000 persone, per una raccolta fondi a favore degli scienziati in fuga dal nazismo (ottobre 1933).


Edward Neville da Costa Andrade, fisico inglese, così racconta degli anni a Manchester nel gruppo di Rutherford (citazione da un articolo di H.Geiger in Nature, 1938):

Era come trovarsi in Utopia, davvero, con il professore in stretto contatto con tutti i suoi ricercatori, i quali, senza pensieri per il loro destino futuro, si impegnavano con ardore per cercare di ottenere risultati che sembravano lontani anni luce da qualsiasi applicazione pratica.


E.Rutherford, Londra 1936.

È certamente vero che alcuni progressi scientifici possono occasionalmente essere usati per fini ignobili, ma ciò non è colpa degli scienziati, bensì della società che fallisce nel controllo di questa prostituzione della scienza. […] Talvolta si sente dire che dovrebbero essere gli uomini di scienza a esercitare un controllo sull’uso scriteriato delle proprie scoperte. Dubito, però, che anche il più geniale degli scienziati, a parte rare eccezioni, sia in grado di prevedere l’effetto finale di una qualsiasi scoperta.


Sir Maurice Hankey, ex segretario del Committee of Imperial Defence, cita una conversazione con E.Rutherford, avuta a margine di una riunione, nei primi anni 30, in cui lo stesso diceva che:

[…] gli esperimenti sulla trasformazione nucleare che stava seguendo a Cambridge […] avrebbero un giorno potuto rivelarsi di grande importanza per la difesa del paese. Non sapeva bene in che modo ciò sarebbe avvenuto […] ma un suo qualche senso più profondo, per il quale non riusciva a trovare nessuna apparente spiegazione scientifica, lo avvertiva, per correttezza, che qualcuno doveva, diciamo così, “tenere gli occhi aperti”.


W. Heisenberg, Fisica e filosofia, 1958., Cap.1.

Quando si parla oggi di fisica moderna, il primo pensiero che sorge è quello delle armi atomiche. Ognuno afferra subito l’influenza che hanno queste armi sulla struttura politica del mondo attuale ed è disposto ad ammettere che mai prima d’ora l’influenza della fisica è stata così grande come appare oggi.


W. Heisenberg, Fisica e filosofia, 1958, Il ruolo della fisica moderna nell’attuale sviluppo del pensiero umano.

Qualsiasi onesta dichiarazione a favore della pace deve essere un’enumerazione dei sacrifici che si è disposti a fare per la sua preservazione. Ma di regola gli scienziati non hanno alcuna autorità per fare dichiarazioni del genere. Nello stesso tempo lo scienziato può fare del suo meglio per promuovere la cooperazione internazionale nel proprio campo.

Epilogo i risultati e le responsabilità della scienza W. Heisenberg, Il ruolo della fisica moderna nell’attuale sviluppo del pensiero umano,1958.

[…] E’ questo un tratto caratteristico della scienza, che la rende più d’ogni altra cosa adatta a stabilire un primo intenso rapporto tra diverse tradizioni culturali. […] il fatto che le decisioni circa il valore di un determinato lavoro scientifico, su ciò che è giusto o sbagliato nell’opera, non dipende da nessuna autorità umana. Possono alle volte essere necessari molti anni prima che si possa distinguere tra la verità e l’errore; ma infine le questioni verranno decise e non sarà questo o quest’altro gruppo di scienziati a decidere ma la natura stessa. Perciò le idee scientifiche si diffondono tra quelli che si interessano alla scienza in modo interamente diverso dal propagarsi delle idee politiche.

Niels Bohr, Atomi e conoscenza, 1955.

Nella storia della scienza, l’esplorazione del mondo dell’atomo compiuta in questo secolo non ha forse paralleli, né per quanto riguarda il progresso della conoscenza, né nel dominio sulla natura acquistato dall’uomo. Ad ogni ampliamento della conoscenza e della capacità corrispondono però maggiori responsabilità.


Niels Bohr, Filosofia naturale e culture umane, 1938.

[…] non è possibile tracciare una netta separazione tra filosofia naturale e cultura umana. Le scienze fisiche sono in realtà parte integrante della nostra civiltà, non solo perché la nostra sempre crescente padronanza delle forze naturali ha radicalmente modificato le condizioni materiali di vita, ma anche perché lo studio di queste scienze ha notevolmente contribuito a chiarire i fondamenti della nostra stessa esistenza.

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