TecaLibri: Francesco Cordella: Enrico Fermi

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Cronologia fermiana

1901 Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre
1915 muore il fratello Giulio
     diventa amico di Enrico Persico
1918 licenza liceale
     ammesso alla Scuola Normale Superiore di
        Pisa
     diventa amico di Franco Rasetti
1921 pubblica i primi lavori, sulla relatività
1922 laurea in fisica (luglio)
     conosce Orso Mario Corbino
1923 a Gottinga da Max Born (gennaio-agosto)
1923-24 incarico di Matematica per chimici a
        Roma
1924 perde la madre (maggio)
     conosce Laura Capon (tarda primavera)
     a Leida da Paul Ehrenfest
        (settembre-dicembre)
1924-26 incarico di Fisica matematica a Firenze
1926 pubblica gli articoli sulla nuova
        statistica quantica
     vince la cattedra di Fisica teorica a Roma
        (autunno)
1927 si riunisce a Rasetti; sono reclutati come
        laureandi Emilio Segrè, Edoardo Amaldi,
        Ettore Majorana
1927-33 ricerche spettroscopiche
1928 sposa Laura Capon (luglio)
1929 accademico d'Italia
1931 il gruppo romano comincia ad occuparsi di
        fisica del nucleo
     organizza a Roma il Congresso
        internazionale di fisica nucleare
1933 teoria del decadimento beta
1934 scoperta della radioattività indotta dai
        neutroni (marzo)
     scoperta dell'effetto delle sostanze
        idrogenate (ottobre)
1937 muore Corbino
     prima macchina acceleratrice italiana
1937-38 cerca di realizzare l'Istituto
        nazionale di radioattività
1938    decide di lasciare l'Italia (settembre)
        premio Nobel (novembre)
        partenza per gli Stati Uniti (dicembre)

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I. La fisica italiana nel primo quarto di secolo

La fisica nel primo quarto del Novecento è percorsa dalle rivoluzioni relativistica e quantistica; per contestualizzare le ricerche e le scoperte di Fermi, è opportuno fornire un breve quadro della situazione. Cercheremo inoltre di tratteggiare lo stato della fisica italiana negli anni della formazione scientifica di Fermi, confrontandolo con la condizione della fisica europea ed evidenziandone l'arretratezza, in particolare per quanto riguarda proprio la relatività e la fisica quantistica. Il lettore interessato potrà trovare maggiori dettagli sulla genesi di questi due nuovi settori di ricerca in Appendice.

Le rivoluzioni quantistica e relativistica

L'etere, ritenuto unanimemente la sede dei fenomeni elettromagnetici (e luminosi), pone all'inizio del Novecento una serie di difficoltà interpretativi, prima tra tutte quella relativa all'esperimento di Michelson e Morley, il quale sembra indicare che l'etere sia trascinato dalla Terra nel suo moto intorno al Sole. Il superamento di queste difficoltà si ha grazie alla profonda revisione dei concetti di spazio e di tempo, operata a partire dal 1905 da Albert Einstein, che dopo aver portato alla formulazione della teoria della relatività ristretta condurrà alla relatività generale.

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Dopo aver piú volte sottolineato come la formazione scientifica di Fermi avvenga nella piú completa autonomia, vorremmo evidenziare come una delle caratteristiche piú peculiari del suo approccio alla fisica teorica, cioè l'uso puramente strumentale, pragmatico della matematica è dovuto, oltre che a una sua particolare forma mentis, alle modalità della sua formazione scientifica di base. L'essersi accostato alla meccanica «superiore» attraverso lo studio del trattato di Poisson ha sicuramente svolto un ruolo notevole in questo senso. Poisson, allievo di Laplace (ideatore del metodo delle perturbazioni e contemporaneo di Fourier, del quale utilizzava il celebre sviluppo prima che se ne dimostrasse rigorosamente l'applicabilità), ha nei confronti della matematica una posizione che ritroviamo in Fermi: quando usa la matematica per risolvere un problema di fisica, lo scienziato francese ha come unico obiettivo la soluzione stessa e spesso ricorre a metodi approssimati e numerici per raggiungere il proprio scopo. La soluzione del problema della verga vibrante è un chiaro esempio di questo atteggiamento. Va ricordato che Fermi apprende i metodi di soluzione delle equazioni differenziali alle derivate parziali, come quello per serie, proprio nel trattato di Poisson. L'aver studiato questo settore dell'analisi, fondamentale per un fisico, in un libro di meccanica che non si preoccupa dei vari problemi di esistenza e unicità della soluzione, ha sicuramente improntato il modo di Fermi di intendere la matematica.

La lettura dell'ampio trattato di Chwolson, nel quale lo studio della fisica è di tipo fenomenologico, costituisce un'altra importante spinta verso quell'approccio che, in primo luogo, privilegia una comprensione per cosi dire globale dei fenomeni, sufficiente a riprodurre gli ordini di grandezza dei dati sperimentali e che solo in un secondo tempo ricerca gli affinamenti che forniscono una descrizione quantitativamente piú rispondente ai fenomeni stessi.

Fermi in una raccolta delle lezioni sulle Particelle elementari, tenute trentadue anni dopo presso la Yale University, preciserà:

Spesso viene usato uno strumento matematico assai complesso per dedurre risultati che non sono migliori di quelli che si possono ottenere per mezzo di una schematica valutazione di ordini di grandezza.

Hans Bethe in proposito affermerà:

Fermi [...] era capace di analizzare ogni problema, per complicato che sembrasse, riducendolo alla parte essenziale. Lo spogliava di ogni complicazione matematica e di ogni formalismo non necessario. [...] La parte fisica diveniva chiara per mezzo di un'analisi dei punti essenziali del fenomeno e qualche stima degli ordini di grandezza. Il suo metodo di attacco era del tutto pragmatico.

Bruno Pontecorvo ricorda una conversazione avuta con Fermi:

La matematica era per lui un mezzo e non uno scopo. Egli era contrario alla utilizzazione di ricercati e complessi metodi matematici per la soluzione di problemi di fisica di secondaria importanza o «già risolti». Una volta mi disse: «[...] troppo spesso oggi i matematici o i fisici di mentalità matematica inventano difficili problemi, li risolvono ed esclamano poi: "Guarda come sono intelligente!"».

Franco Rasetti, circa l'approccio alla fisica che caratterizzerà tutta la vita scientifica di Fermi, tiene a sottolineare anche la grande duttilità:

Ciò che contribuiva a caratterizzare lo stile della [sua] ricerca era, tra l'altro, la straordinaria capacità di ordinare la totalità delle conoscenze fisiche nell'ambito di pochissimi principi in forma di casi esemplari. Come un grande artigiano che sa usare a fondo i propri strumenti, aveva la capacità di adeguarli alle situazioni particolari, trovando sempre una soluzione concreta [...] anche attraverso ingegnosi stratagemmi.

Lo studio del Poisson e quello dello Chwolson hanno costituito due pietre miliari nella formazione scientifica del fisico romano.

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VI. La statistica di Fermi (1926)

La statistica di Fermi, conosciuta anche come statistica di Fermi-Dirac, è la seconda statistica quantica a essere formulata, poco dopo quella di Bose-Einstein del 1924-25. Il doppio nome, cosi frequente nelle scoperte scientifiche, sottintende spesso un'oggettività della scoperta e un certo grado di autonomia dell'approccio usato per ottenerla. Mentre nel caso di Bose e di Einstein si può parlare apertamente di collaborazione (a distanza), nel caso di Fermi e di Dirac non esiste alcuna forma di influsso reciproco e l'unico punto di contatto è costituito esclusivamente dal risultato raggiunto.

Come afferma C.N. Yang, l'approccio di Fermi nel lavoro sulla statistica è ciò che si può definire come il suo «marchio di fabbrica»: un misto di solidità pratica ed immaginazione scientifica, ovverosia la capacità di cogliere gli aspetti fondamentali di un problema e di estrarne tutti gli aspetti piú rilevanti evitando qualsiasi eccesso di formalismo.

Dirac, invece, nei suoi lavori predilige il rigore formale e l'eleganza, talvolta persino a scapito di una piú immediata comprensione del problema fisico trattato.

Alcuni segnali precursori

Satyendranath Bose è un fisico indiano che nutre una grande ammirazione per Einstein, tanto da rivolgersi a lui per la pubblicazione di un proprio articolo, precedentemente rifiutato da Philosophical Magazine, nel quale viene proposta una nuova derivazione statistica per la legge di Planck.

Einstein è colpito dall'originalità del metodo seguito da Bose e traduce personalmente il lavoro inviandolo alla redazione della Zeitschrift für Physik. In seguito Einstein sviluppa ulteriormente le considerazioni di Bose riuscendo a formulare la prima statistica quantica per il gas perfetto.

Al contrario, il lavoro di Fermi non sembra avere alcuna influenza sul successivo articolo di Dirac che, pur avendolo letto, non ne coglie la grande rilevanza.

Dirac, dopo la pubblicazione del proprio articolo, riceve una dura lettera da Fermi:

Nel suo interessante lavoro «On the theory of Quantum Mechanics» [...] lei ha formulato una teoria del gas ideale basata sul principio d'esclusione di Pauli [...]. Una teoria del gas ideale che è praticamente identica è stata da me pubblicata agli inizi del 1926. [...] Poiché suppongo che lei non abbia notato il mio lavoro, mi permetto di attirare la sua attenzione su di esso...

Fermi è probabilmente ispirato da Corbino in questa sua orgogliosa rivendicazione di paternità, poiché è certamente consapevole del diverso contesto in cui si inserisce il contributo di Dirac. Ricevuta la lettera, Dirac, che in quel periodo si trova a Copenaghen, si rende conto della necessità di chiarire la situazione alquanto imbarazzante e si scusa con Fermi.

I motivi per i quali Dirac sembra dimenticare il lavoro di Fermi vertono proprio sulla diversità dei due approcci:

Quando lessi il lavoro di Fermi, non riuscivo a immaginare come esso potesse essere importante per uno qualsiasi dei problemi della teoria quantistica; era un lavoro cosi a sé stante. Mi era completamente uscito di mente e quando scrissi il mio lavoro sulle funzioni d'onda antisimmetriche, non me ne ricordavo piú.

La piccola polemica finisce subito e successivamente i rapporti fra i due fisici saranno sempre cordiali.

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Nell'accennare all'impostazione dell'elettrodinamica data da Fermi, ricorreremo all'articolo del Review of Modern Physics. Il lettore interessato agli aspetti tecnici può trovarli in una forma del tutto accessibile anche nel testo di alcune lezioni tenute da Fermi vent'anni dopo presso la Yale University, tradotte e pubblicate in Italia.

In primo luogo Fermi sottolinea che la teoria della radiazione di Dirac e l'elettrodinamica quantistica costituiscono «la base per la comprensione del campo elettromagnetico e delle particelle a questo associate», i fotoni. In particolare, questa teoria è capace di spiegare i processi di creazione di fotoni quando si ha l'emissione di luce e quelli di distruzione di fotoni quando si ha assorbimento di luce.

La teoria di Dirac è basata su un'«idea molto semplice»: invece di considerare un atomo e il campo elettromagnetico con il quale questo interagisce come due sistemi distinti, li tratta come un unico sistema la cui energia è la somma di tre termini, l'energia dell'atomo, quella del campo di radiazione e l'energia (piccola rispetto alle precedenti) dell'interazione tra atomo e campo.

Fermi, rivelando grandissime capacità didattiche, fornisce un semplice modello analogico dell'interazione tra campo e atomo:

Consideriamo un pendolo, che corrisponde all'atomo, e una corda vibrante in prossimità del pendolo, che rappresenta il campo di radiazione. Se non vi è alcuna connessione tra il pendolo e la corda, i due sistemi oscilleranno del tutto indipendentemente l'uno dall'altro; l'energia è in questo caso semplicemente la somma dell'energia del pendolo e di quella della corda e non vi è un termine dovuto alla mutua interazione tra i due sistemi. Per ottenere una rappresentazione meccanica di questo termine, colleghiamo la massa del pendolo a un punto della corda mediante un elastico molto sottile. L'elastico perturba leggermente il moto sia del pendolo che della corda. Supponiamo, per esempio, che inizialmente la corda vibri mentre il pendolo sia fermo. Attraverso l'elastico la corda vibrante trasmette al pendolo delle piccolissime sollecitazioni aventi lo stesso periodo delle proprie oscillazioni. Se i periodi della corda e del pendolo sono diversi, l'ampiezza delle oscillazioni del pendolo rimane sempre estremamente piccola; se invece i periodi sono uguali, vi è risonanza e l'ampiezza delle oscillazioni del pendolo diviene considerevole. Questo processo corrisponde all'assorbimento della radiazione da parte di un atomo. Se al contrario supponiamo che inizialmente il pendolo oscilli e che la corda sia ferma, ha luogo il fenomeno opposto. Le sollecitazioni trasmesse attraverso l'elastico dal pendolo alla corda pongono la corda in vibrazione; ma solo le frequenze armoniche della corda che sono molto prossime alla frequenza del pendolo raggiungono un'ampiezza considerevole. Questo processo corrisponde all'emissione di radiazione da parte dell'atomo.

L'auditorio sicuramente non aveva mai sentito parlare in modo cosi semplice di un problema cosi complicato.

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IX. Neutroni a Roma (1934-1935)

Siamo giunti al punto cruciale della nostra narrazione, al 1934, anno mirabile per Fermi e per la fisica italiana che, da questo momento, occuperà un posto di rilievo nella comunità internazionale. Le scoperte del gruppo Fermi segnano un punto di svolta non solo nella fisica ma anche, come dice G. Holton, nella stessa storia del mondo, costituendo il primo passo verso la liberazione dell'energia nucleare.

Con la formulazione della statistica quantica che porta il suo nome, con la sua applicazione agli atomi con molti elettroni, con la riformulazione dell'elettrodinamica quantistica e ben presto con la teoria del decadimento beta, Fermi si è ormai conquistato in tutto il mondo la fama di grande fisico teorico. Contemporaneamente, come afferma Rasetti,

con la fama di Fermi l'interesse per la fisica moderna penetrava e si espandeva nell'ambiente universitario italiano, mentre ogni giorno diminuiva l'influenza delle tradizioni della fisica sperimentale vecchia maniera.

Fermi è infatti riuscito a destare dal lungo torpore la comunità dei fisici italiani che, anche grazie all'opera propagandistica di Persico, può finalmente contare su giovani ricercatori impegnati nei nuovi settori della fisica teorica (E. Majorana, G. Racah, G.C. Wick, A. Carrelli e altri).

A Roma è attivo, anche grazie a Corbino e a Rasetti, un gruppo sperimentale che si occupa di spettroscopia avanzata e che vanta un'ottima produzione scientifica e numerosi contatti a livello internazionale, il quale si sta convertendo alla fisica nucleare.

A Firenze, grazie a Garbasso e a Persico, si è andato costituendo un gruppo validissimo che si occupa di fisica dei raggi cosmici (B. Rossi, G. Occhialini, G. Bernardini e altri) ottenendo splendidi risultati.

La teoria del decadimento beta in un primo tempo provoca però a Fermi seccature e delusioni (come si legge in Atomi in famiglia) legate al rifiuto di pubblicazione da parte di Nature. Probabilmente anche a causa di queste piccole contrarietà, il trentaduenne fisico romano è nelle giuste condizioni psicologiche per accogliere con entusiasmo la possibilità di dedicarsi a una ricerca sperimentale. D'altronde, anche precedentemente aveva con piacere indossato il camice e lavorato in laboratorio con Rasetti e con i piú giovani allievi.

Alfa a Parigi

Tutto prende le mosse dall'annuncio alla metà di gennaio del 1934 della scoperta della radioattività artificiale provocata dalle particelle alfa, fatta a Parigi dai coniugi Irène Curie (figlia della celeberrima Madame Curie) e Frédéric Jobot.

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Il premio Nobel e la partenza dall'Italia

Nel 1938, anno cruciale nel cammino verso la seconda guerra mondiale, si conclude la stagione italiana di Fermi.

A marzo le truppe tedesche invadono l'Austria e ne viene proclamata l'unione (l' Anschluss) al terzo Reich. Molti ebrei devono abbandonare precipitosamente l'Austria, nella quale entra in vigore la legislazione tedesca. Il padre della meccanica ondulatoria, Erwin Schrödinger, fuggito a piedi con solamente uno zaino per bagaglio, si presenta una mattina all'Istituto di Fisica di Roma chiedendo a Fermi, che rimane profondamente turbato, di accompagnarlo in Vaticano dove intende momentaneamente rifugiarsi. Alla fine dello stesso mese scompare, senza lasciare di sé alcuna traccia, Ettore Majorana, del quale Fermi aveva una stima tale da paragonarlo a Galileo e Newton.

Segrè - che cosi tratteggia la personalità di Fermi: profondamente onesto e laboriosissimo, estremamente giusto e imparziale in tutte le sue azioni, sempre teso a immedesimarsi e a comprendere tutti i punti di vista (specialmente quelli contrari al suo), alieno da qualunque forma di favoritismo, completamente agnostico in materia di religione, orientato verso una specie di liberalismo conservatore in campo politico e sociale, del tutto restio a intraprendere un'inutile lotta quando si trova di fronte a forze chiaramente superiori, socievole con i colleghi e ancor piú con i giovani, piuttosto limitato quanto a interessi al di fuori della fisica, pienamente consapevole del livello straordinario del proprio ingegno - cosi ne delinea la posizione nei confronti del fascismo:

Nei primi tempi Fermi fu certamente favorevole al fascismo. Poche persone piú mature e con maggiore conoscenza del mondo, come [Vito] Volterra, videro fin dal principio che il fascismo a lunga scadenza avrebbe portato conseguenze rovinose. Corbino era ambivalente. Per quanto non si facesse illusioni sul fascismo e non si sia mai iscritto al partito, aveva fatto parte dei primi governi Mussolini che erano di coalizione. Grazie a Corbino, Fermi aveva raggiunto un livello di consapevolezza politica superiore a quello raggiungibile con la lettura dei giornali [...]. Tutto sommato però Fermi si occupava poco di politica. Era estremamente preso dalle sue ricerche e aveva poco tempo per il resto. [...] Era ben conscio delle debolezze del regime e non intendeva appoggiarlo pur non avendo nessuna intenzione di partecipare a una opposizione militante. Finché era possibile occuparsi della sua scienza prediletta [...] era disposto a ignorare [il resto].

L'iscrizione al Partito nazionale fascista nell'aprile del 1929 va letta in questa prospettiva. Va anche ricordato che Fermi, insieme a G. Vallauri, costituisce la giuria della sezione di scienze dei primi Littoriali della cultura e dell'arte svoltisi a Firenze nel 1934; certo è in buona compagnia perché, secondo R. Zangrandi, un gran numero di docenti universitari, uomini di cultura, artisti e scrittori «accettano o sollecitano di essere inclusi in quelle giurie».

Amaldi, illustrando l'attività svolta nel 1935-36, descrive i sintomi di un certo disagio di Fermi già in quegli anni:

Risolto un problema affrontavamo immediatamente il successivo, senza esitazioni o interruzioni. Chiamavamo questo modo di lavorare «uso della fisica come soma», riferendoci a un'ipotetica sostanza che nel romanzo «Brave new world» di A. Huxley gli uomini del 2000 avrebbero usato per combattere la tristezza e l'avvilimento.

Nel maggio del 1938 Hitler, in visita ufficiale in Italia, è ricevuto in pompa magna al Quirinale.

Il 14 luglio, ha inizio la campagna razzista del fascismo: i giornali pubblicano il cosiddetto Manifesto della razza redatto da un gruppo di studiosi fascisti docenti nelle Università italiane, nel quale, in una sorta di decalogo, è fissata «la posizione» del fascismo nei confronti dei problemi della razza. Il nono punto del manifesto annuncia: «Gli ebrei non appartengono alla razza italiana».

Iniziano ben presto le misure antiebraiche. Il 2 settembre, con decreto legge del Consiglio dei ministri, gli ebrei sono esclusi dall'insegnamento nelle scuole statali, alle quali è anche loro vietata l'iscrizione. Il 10 novembre, sempre dal Consiglio dei ministri, viene proibito il matrimonio tra i cittadini italiani ed «elementi di razza non ariana», limitato fortemente per gli ebrei l'esercizio del diritto di proprietà immobiliare e di gestione aziendale, decretata l'esclusione degli ebrei dalle amministrazioni dello Stato, dalle amministrazioni parastatali, locali ed altre ancora.

Nei primi giorni di settembre Fermi e la moglie Laura, che è ebrea, decidono di abbandonare l'Italia. Tutte le testimonianze circa la causa che ha spinto Fermi a prendere questa decisione concordano nell'indicare le leggi razziali e la stessa cronologia degli eventi non lascia alcun dubbio in proposito. La decisione può essere stata favorita dalla profonda delusione del grande scienziato nel vedere frustrate le proprie speranze e i propri tentativi di mantenere le ricerche di fisica nucleare in Italia al livello di assoluta eccellenza raggiunto grazie a lui e ai suoi collaboratori.

La partenza di Fermi è fortunatamente meno drammatica di quella di tanti suoi colleghi che, come Schrödinger, per sottrarsi alle persecuzioni naziste erano dovuti fuggire dal proprio Paese solamente con pochi effetti personali. E non è una fuga: egli ottiene infatti dall'università di Roma un regolare congedo con assegni per tenere un corso di lezioni alla Columbia University di New York.

Non potendosi con certezza escludere un comunque improbabile rientro in Italia, poco prima della partenza da Roma i figli Nella (nata sul finire del '31) e Giulio (nato all'inizio del '36) sono battezzati e viene celebrato, dieci anni dopo quello civile, il matrimonio religioso tra Enrico e Laura Fermi, presso la chiesa di S. Bellarmino a Roma.

Sul finire dell'estate Fermi viene a sapere ufficiosamente da Bohr che in autunno gli verrà conferito il premio Nobel.

A seguito della richiesta di espatrio, Fermi è soggetto a controlli da parte della polizia: in una informativa si legge che ha ripetutamente manifestato la propria disapprovazione verso la campagna antiebraica, dichiarandosi felice di essere sposato a un'ebrea. Anche la sua moderazione è ormai messa a dura prova!

Il 10 novembre viene ufficialmente comunicato il conferimento a Fermi del premio Nobel per la fisica. Singolarmente, i giornali italiani riportano la notizia in poche righe: evidentemente il governo ha deciso di non dare alcun risalto alla notizia, cominciando a nutrire sospetti sulla fedeltà del fisico romano al regime.

Il 6 dicembre Enrico, Laura, Nella e Giulio Fermi partono dalla stazione Termini di Roma alla volta della Svezia. Sono a salutarli Franco Rasetti, Edoardo e Ginestra Amaldi.

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Riferimenti

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