HomeFisica

Il 2023 anno di Oppenheimer e della Fisica

In libreria anche il saggio Scienza e pensiero comune, primo volume di una selezionata Biblioteca di fisica per celebrare l’anno di Oppenheimer e della Fisica.

Di Oppenheimer, di Relatività e di Teoria dei quanti si è parlato tanto, per tutto il 2023. Se ne è parlato già da quando, non ancora primavera, l’uscita del film di Cristopher Nolan era stata solo annunciata. Il successo del film è stato poi planetario, accompagnato, almeno in Italia, anche dal successo in libreria di una nuova edizione di: Oppenheimer. Trionfo e caduta dell’inventore della bomba atomica. Il libro di Kai Bird e Martin Sherwin, vincitore del premio Pulitzer nel 2006, dal quale Nolan ha tratto il suo film.

Al cinema e in libreria, sui media, nelle discussioni accademiche e in quelle informali, il focus sulla figura di Oppenheimer e sulla fisica atomica è stato così concentrato da accendere voglie di sapere e  interessi tuttora vivi, non limitati ai circoli degli esperti e alimentati da altre buone iniziative editoriali.

A metà settembre, infatti, da noi è comparsa, tradotta in italiano, un’altra biografia di Oppenheimer, forse la più famosa e pregevole: Oppenheimer. Ritratto di un enigma. «Un ritratto raffinato e affascinante» il cui autore è Jeremy Bernstein, biografo d’eccezione, attualmente professore emerito di fisica quantistica, molto noto anche in Italia per altre pubblicazioni ricche di ritratti biografici di altri famosi personaggi della fisica e della matematica. Una biografia che Bernstein ha pubblicato solo nel 2004 pur avendola avuta in gestazione a partire dagli anni 1957-1959, quando la sua permanenza all’Institute for Advanced Study gli permetteva di «osservare quasi quotidianamente» il suo direttore Oppenheimer. Il libro di Bernstein è così ricco di storie e così importante per la conoscenza di Oppenheimer anche per gli aspetti collegati al suo essere “insegnante” che ci ritorneremo spesso, anche in altri interventi. Adesso converrà invece dire di una nuova iniziativa editoriale che è un ulteriore raggio di luce acceso sulla fisica e su Oppenheimer.

È di queste settimane l’iniziativa dei Libri del Corriere della Sera di pubblicare dieci grandi saggi di una selezionata Biblioteca di fisica.

E il primo volume non poteva che essere suo, di Julius Robert Oppenheimer, Scienza e pensiero comune, del 1958. Un’iniziativa di grande valore perché consente di accedere al suo pensiero e alla sua personalità in modo diretto e non attraverso le voci dei suoi biografi o le immagini di un film. Il libro è di soli sei capitoli. I testi di sei conferenze tenute da Oppenheimer sulla rete nazionale della Radiotelevisione inglese nel novembre e dicembre 1953. Sei splendide lezioni sulla fisica, sulla scienza, sulla società e sulle prospettive del loro sviluppo nel terzo millennio. Un’idea che sembra avere tante analogie con quella che qualche decennio dopo sarà fatta sua nel campo della letteratura da Italo Calvino.

La fisica di cui Oppenheimer parla è soprattutto la fisica quantistica che abbraccia entrambi gli aspetti ondulatori e particellari della fisica atomica e che a partire dagli anni Venti era stata teorizzata da Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg, Paul Dirac, Niels Bohr.

In quei primi anni Venti, il clima intellettuale era di tale fermento che Niels Bohr era solito iniziare le sue conferenze sullo stato di quelle nuove idee che stavano trasformando la fisica rapportandosi a un’antica storiella ebraica.

In un villaggio d’Israele era arrivata la notizia che un famoso rabbino sarebbe giunto nella città vicina per parlare alla folla. Gli anziani del villaggio decisero allora di mandare un giovane, la cui vivacità di ingegno era nota, ad ascoltare quanto il rabbino avesse da dire. Al suo rientro tutti gli si fecero intorno e il giovane cominciò dicendo che il discorso del rabbino poteva dividerlo in tre parti.

La prima parte gli era piaciuta molto perché piena di cose che aveva capito benissimo e che il rabbino aveva esposto con grande maestria. Più interessante ancora gli era apparsa la seconda parte dove molte cose non le aveva capite ma che in compenso il rabbino esponeva con molta chiarezza mostrando di essere sicuro di quel che diceva. La parte però decisamente la più interessante dell’intero discorso era stata la terza, dove il rabbino aveva detto cose che lui non aveva capito affatto e sulle quali comunque neppure il rabbino sembrava avesse le idee chiare.

Quella nuova fisica Oppenheimer andò in Europa per impararla.

Salpò per l’Inghilterra nel 1925. Per un periodo lavorò a Cambridge, al Cavendish Laboratory, poi si spostò a Göttingen invitato da Max Born per completare il suo dottorato e strinse amicizia anche con Dirac, con il quale soggiornò nella stessa pensione.

Riguardo all’insegnamento della fisica teorica in quegli anni e nei successivi, in una di quelle conferenze del 1953-54, dirà:

«Quando la teoria dei quanti fu insegnata per la prima volta nelle università e negli istituti, fu insegnata da quelli che avevano partecipato alla sua scoperta, o ne erano stati spettatori attivi. Il loro insegnamento conservava un poco dell’eccitazione e dello stupore della scoperta. Ora, dopo venti o trent’anni, la teoria dei quanti non è più insegnata dai suoi creatori, ma dagli scolari degli scolari di quei creatori.

Ed è insegnata non come storia, non come una grande avventura della conoscenza umana, ma come un complesso di nozioni, come un insieme di tecniche speciali, come una disciplina scientifica che lo studente dovrà usare per capire e indagare nuovi fenomeni nel grande laboratorio del progresso scientifico, o per studiare la sua applicazione alle invenzioni e per scopi pratici. È divenuta non un oggetto di curiosità e di studio, ma uno strumento che lo scienziato deve accettare così com’è, che deve servirgli, che deve essergli insegnato come una regola, come si insegna ai bambini a sillabare e a far di conto».

Un passo che è rivelatore della grande sensibilità pedagogica propria dell’insegnante brillante e ricercato che è stato.

Al riguardo una sua fidanzata degli anni Trenta, Jean Tatlock, cercando di spiegare a un amico chi fosse Oppenheimer disse che si “deve tenere presente che quando aveva sette anni era lui a insegnare in alcuni circoli molto eruditi”.

Un passo che suggerisce di profittare della disponibilità della riedizione del suo saggio del 1958 per riportarne altri che meglio di ogni altro commento possono dare l’idea di chi era Oppenheimer, del suo carisma di scienziato che è anche appassionato narratore di quanto ha imparato e vissuto.

Sono parti di un discorso scientifico che è un piacere leggere, tanto è pieno di scienza e di umanità. Sono stati scelti e ordinati, anche zigzagando fra le pagine del libro, in modo da dare la parola a Oppenheimer, alle sue spiegazioni, che ancora brillano malgrado i settant’anni passati, sulla fisica dei quanti, sui principi di corrispondenza e di complementarità, sulla scienza e sulla società.

Il nuovo simbolo araldico del regno atomico

[…] Il sistema atomico mostra una caratteristica discontinuità, in pieno disaccordo con le proprietà della dinamica newtoniana. Se, ad esempio,  bombardiamo degli atomi con una corrente di elettroni, gli elettroni perderanno, di regola, un po’ della loro energia iniziale. Ma queste perdite non hanno un’entità variabile; corrispondono a certe quantità di energia ben definite, caratteristiche dell’atomo in questione, riproducibili, e non eccessivamente difficili da misurare.

Quando un atomo è sottoposto a radiazioni luminose, viene espulso un elettrone, se, e soltanto se, l’energia di quella luce supera un certo minimum conosciuto come “soglia fotoelettrica”. E fu proprio questa scoperta che portò Einstein, nei primi anni del secolo, a fare sulla luce una nuova scoperta, che fu quasi altrettanto rivoluzionaria per la nostra concezione della luce quanto per quella dei sistemi atomici. Egli scoprì, per essere più precisi, che, alterando la frequenza della luce che illumina un corpo, l’energia degli elettroni espulsi aumenta con legge lineare – vale a dire proporzionalmente – con la frequenza. La costante di proporzionalità, che lega l’energia alla frequenza, è il nuovo simbolo del regno atomico.

È chiamata costante di Planck, o quanto d’azione, e misura l’energia in termini di frequenza. È il simbolo araldico sovrastante l’ingresso al nuovo mondo; esso guidò Einstein alla conclusione, ardita, ma piuttosto incomprensibile a quel tempo, che la luce, che noi conosciamo come una perturbazione elettromagnetica di campi elettrici variabili ad altissima frequenza, che conosciamo come un fenomeno ondulatorio propagantesi nel tempo e nello spazio in modo continuo, è anche, e nonostante questo, corpuscolare, e consiste di “pacchetti” di energia determinati dalla frequenza della luce e dalla costante di Planck.

Quando un sistema materiale assorbe luce, assorbe esattamente questo pacchetto, o quanto, di energia, né più né meno; e la natura discontinua degli scambi di energia fra un atomo e un elettrone corrisponde alla natura discontinua dell’energia scambiata quando la radiazione viene assorbita o emessa.

Il principio di corrispondenza

Qualunque siano le leggi che determinano il comportamento della luce o degli elettroni negli atomi o in altre parti del mondo atomico, quanto più ci avviciniamo al campo, che ci è familiare, dei fenomeni macroscopici, tanto più queste leggi debbono uniformarsi a quelle che sappiamo essere vere.

Questo è ciò che chiamiamo “principio di corrispondenza”. Nella sua formulazione è essenziale il concetto di quanto d’azione, la cui finitezza caratterizza i nuovi lineamenti della fisica atomica. E quindi il fisico dice che, se le azioni sono di un ordine di grandezza superiore al quanto d’azione, le leggi classiche di Newton e Maxwell sono valide. Questo, in pratica, viene a significare che, quando la massa e le distanze appartengono a un ordine di grandezza superiore a quello dell’elettrone e dell’atomo, la teoria classica è giusta.

Quando le energie sono grandi e gli intervalli di tempo lunghi a confronto delle energie e degli intervalli di tempo atomici, non abbiamo bisogno di correggere Newton. In questi casi, le leggi statistiche della fisica atomica indicano probabilità sempre più vicine alla certezza, e il carattere non causale della teoria atomica perde tutta la sua importanza, e in effetti scompare nella mancanza di precisione con cui ovviamente si pongono i problemi relativi agli eventi macroscopici.

Nelle mani di Bohr e dei membri della sua scuola questo principio di corrispondenza doveva dimostrarsi un potente strumento. Se non ci diede le leggi stesse della fisica atomica, ci fece conoscere qualcosa su di esse: cioè, che dovevano essere in armonia, nel senso detto sopra, con quelle della fisica classica, e in ultima analisi riducibili ad esse. E quando a questo principio si aggiunse la convinzione sempre più profonda che le leggi della fisica atomica dovessero riguardare non già la posizione, la velocità e l’accelerazione newtoniane che caratterizzano una particella, bensì le caratteristiche osservabili degli atomi – cioè le energie e le proprietà degli stati stazionari, e le probabilità delle transizioni fra questi stati – il terreno fu pronto per la scoperta della meccanica quantistica.

Il principio di complementarità

Nella sua forma più semplice, [il principio di complementarità] significa che un elettrone deve essere considerato a volte come un’onda e a volte come una particella – come un’onda, cioè con la propagazione continua e l’interferenza caratteristica che si imparano a capire nei laboratori di ottica, o come una particella, cioè come un’entità atomica, individuale, distinta, con una posizione ben definita in ogni momento. Lo stesso dualismo vale per tutta la materia e per la luce.

In forma un poco più sottile, complementarità significa che vi sono situazioni in cui la posizione di una particella può essere misurata, definita, pensata, senza incorrere in contraddizioni; e altre situazioni in cui ciò non è possibile, ma in cui altri aspetti, come l’energia e l’impulso del sistema, sono definiti e acquistano significato. Quanto più il primo tipo di rappresentazione si adatta a una situazione, tanto meno vi si adatta il secondo, cosicché non esistono in realtà situazioni atomiche in cui l’impulso e la posizione siano entrambi definiti con un’approssimazione sufficiente a permettere quel genere di previsioni a cui ci ha abituato la meccanica newtoniana.

La complementarità unisce esperienze della fisica atomica e vita spirituale dell’uomo.

[Le] errate applicazioni delle scoperte della fisica atomica alle cose umane non dimostrano, però, che non siano possibili analogie più valide. Le quali, ovviamente, saranno meno sottili, meno stupefacenti, meno brillanti, e si fonderanno sul fatto che forme complementari di pensiero e descrizioni complementari della realtà sono parte antica e persistente della nostra tradizione.

Tutto ciò che può fare l’esperienza della fisica atomica, sotto questo aspetto, è di ricordarci, e in un certo senso di rassicurarci, che questi modi di parlare e di pensare possono essere concreti, appropriati, precisi, e privi di elementi irrazionali. […] Il timore religioso, il senso dell’umorismo, la commozione estetica, il prendere un impegno o una decisione, il capire una verità – sono tutte forme complementari dello spirito umano. Fanno tutte parte della vita spirituale dell’uomo. Nessuna di esse può sostituire le altre, e quando una di esse viene suscitata, le altre restano in ombra.

L’unità della scienza

Unità della scienza è un’espressione ottimistica che spesso suggerisce un’idea completamente falsa: l’idea che tutte le scoperte e le nozioni scientifiche derivino da alcune verità fondamentali, da alcune tecniche, metodi e idee essenziali; e che basti raggiungere questa specie di ponte di comando perché siano chiariti gli atomi e le galassie, i geni e gli organi dei sensi. L’unità della scienza si base invece su un tipo di società come quella che ho descritto. Tutte le sue parti sono aperte a tutti, e questa non è solo una dichiarazione formale. La storia della scienza è ricca di esempi che dimostrano come sia fecondo per la ricerca di nuove verità mettere in contatto reciproco due serie di tecniche, due serie di concetti sviluppatesi ognuna per proprio conto.

Le scienze si fertilizzano l’una con l’altra; si sviluppano mediante il contatto e la comunità di intenti Ancora una volta, ciò significa che lo scienziato può trarre profitto da ciò che impara nell’ambito di qualsiasi altra scienza; non significa che debba imparare tutto di esse. Ciò significa che l’unità è un’unità potenziale, l’unità delle cose che potrebbero essere messe insieme e potrebbero chiarirsi l’una con l’altra. Non è un’unità globale o totale o gerarchica. Anche nella scienza, ed anche senza visitarne la stanza che si chiama teoria atomica, c’è sempre qualcosa che ci ricorda gli aspetti complementari della nostra vita, e perfino della nostra vita professionale.

La scienza è riassuntiva e conservatrice e tutti insieme, sappiamo sempre di più e siamo fratelli.

Che vi sia un aspetto riassuntivo nella vita umana è inerente alla nozione stessa di cultura e di tradizione. […] Questo carattere riassuntivo, nella scienza, è molto diverso e molto più essenziale. La scienza, nonostante tutte le sue rivoluzioni, è conservatrice. […]

Ecco perché dobbiamo accettare il fatto che nessuno di noi, da solo, potrà mai sapere moltissimo. Ecco perché dobbiamo trarre conforto dal fatto che, tutti insieme, sappiamo sempre di più. Il più grande cambiamento portato dalla scienza è la sensibilità al cambiamento; la più grande novità è la diffusione della novità.

Una grande scoperta appartiene al mondo della bellezza; e la nostra fede – la nostra quieta e insopprimibile fede – è che la conoscenza sia un bene in sé e per sé. Noi scienziati […] siamo ad un tempo mezzo e fine, scopritori e maestri, attori e spettatori. Noi, come tutti gli uomini, siamo fra quelli che portano un poco di luce nella profonda oscurità senza fine della vita umana e del mondo.

Quanto a noi, in questi tempi di trasformazione, di continuo incremento della conoscenza, di potenza collettiva e impotenza individuale, di eroismo e schiavitù, di progresso e di tragedia, anche noi siamo fratelli. E se noi, che siamo gli eredi di due millenni di tradizione cristiana, comprendiamo di essere fratelli per essere prima figli di uno stesso Padre, sappiamo però che in gran parte del mondo dove non c’è tradizione cristiana, e fra uomini che non hanno mai avuto né potranno mai avere la fede cristiana, esiste tuttavia un legame di fraternità. E non sappiamo questo soltanto perché l’ideale di fraternità e società fra gli uomini ha un carattere quasi universale, ma prima ancora lo sappiamo dalle associazioni più modeste, più varie, più transitorie, che sono la sostanza della nostra vita.

L’ideale della fraternità, l’ideale di una comunione in cui tutti gli uomini, buoni e cattivi, felici e infelici, sono uniti insieme, ha il suo corrispondente nell’esperienza di comunità non ideali, non universali, imperfette, instabili, altrettanto diverse dall’ideale e altrettanto impregnate di esso quanto lo sono le branche ramificate della scienza rispetto all’ideale settecentesco di una scienza unitaria, che abbracciasse tutto. Per noi, come per tutti gli uomini, mutevolezza ed eternità, specializzazione ed unità, strumento e scopo finale, società e individualità singola, complementari l’uno all’altro, presuppongono e definiscono i nostri limiti e la nostra libertà. J. Robert Oppenheimer, Scienza e pensiero comune, 2023

Sono letture che possono informare sulle idee maturate da Oppenheimer dopo il periodo terribile della guerra e quello non meno drammatico dei processi subiti. Ma sono soprattutto letture che danno luce ad un aspetto del genio di Oppenheimer forse trascurato dai biografi, quello di insegnante ammirato e venerato, quello per il quale Benoît Mandelbrot,  fu portato a scrivere che una istituzione che aveva Oppenheimer come docente diventava automaticamente il centro degli studi della fisica teorica contemporanea. E di questo si parlerà anche in prossimi articoli.

Autore

  • Emilio Ambrisi

    Laureato in matematica, docente, preside (dal 1983) e ispettore ministeriale (dal 1991). Dal 2004 al 2015 responsabile, per il settore della matematica e della fisica, della Struttura Tecnica del Ministero dell'Istruzione. Dal 1980 Segretario Nazionale della Mathesis e, successivamente, Vice-Presidente. Dal 2009 al 2019 Presidente Nazionale e direttore del Periodico di Matematiche.

COMMENTS

WORDPRESS: 0
DISQUS: 0