La biografia di un fisico geniale alla ricerca di se stesso: Wolfgang Pauli.
Wolfgang Pauli (1900-1958)
Wolfgang Pauli nacque a Vienna il 25 aprile del 1900 in una famiglia di forte tradizione ebraica. Suo padre era un noto chimico dell’Università di Vienna. Sua madre scriveva per vari giornali.
Forse per facilitare la sua carriera universitaria, il padre lasciò la religione ebraica e il piccolo Wolfgang fu battezzato in una chiesa cattolica. Dopo qualche anno, però, ci fu un nuovo cambio di religione. Entrambi i genitori passarono dal cattolicesimo al protestantesimo.
A quattordici anni, mentre frequentava la scuola a Vienna, Wolfgang Pauli padroneggiava già il calcolo infinitesimale e amava approfondire argomenti di fisica con l’aiuto di professori colleghi o amici del padre. A diciotto anni, subito dopo il diploma, scrisse un saggio sulla relatività generale di Einstein e decise di frequentare l’Università di Monaco per seguire le lezioni del fisico Arnold Sommerfeld che ammirava molto, avendo ascoltato a Vienna una sua conferenza sulla fisica quantistica.
Quando Sommerfeld conobbe il nuovo allievo rimase colpito dalla sua preparazione in campo scientifico. Apprezzò molto il saggio di Pauli sulla relatività generale e, poiché egli stesso stava preparando un articolo sullo stesso tema, gli affidò il compito di completarlo essendo egli molto impegnato nell’attività universitaria. Il lungo articolo fu pubblicato come libro e fu lodato da Einstein, anche perché scritto da un giovane di ventuno anni.
Come corporatura Pauli era piuttosto grassottello e di bassa statura.
Seguiva poco le lezioni universitarie. Studiava soprattutto da autodidatta perché la mattina si alzava molto tardi. Infatti, egli amava la vita notturna di Monaco e fino a tarda notte frequentava un quartiere ricco di bar e birrerie dove aveva occasione di conoscere numerosi artisti e, soprattutto, donne di facili costumi. Si poteva anche incontrare il giovane Adolf Hitler che preparava dipinti con le vedute del quartiere per poi venderli ai frequentatori dei bar.
Intanto, Pauli aveva cominciato a collaborare con Sommerfeld nell’attività universitaria.
Tra gli studenti da seguire c’era il giovane Werner Heisenberg. Avendo una comune passione per la fisica, divennero presto amici pur avendo gusti molto diversi riguardo al tempo libero. Mentre Heisenberg amava lo sport e la vita all’aria aperta, Pauli passava le serate nelle osterie e nei caffè per poi dedicarsi allo studio della fisica fino a tarda notte. I colleghi conoscevano bene il suo umorismo tagliente e la sua vita privata non certo irreprensibile, perché trascorreva le serate facendo baldoria con ballerine di cabaret e qualche volta perfino ubriacandosi.
Intanto il fisico Max Born, venuto a conoscenza delle grandi capacità matematiche di Pauli, lo invitò a trascorrere sei mesi presso il suo istituto a Gottinga.
Egli accettò l’invito ma la nuova attività non era compatibile con il suo modo di vivere.
Max Born era spesso costretto a farlo svegliare la mattina per far fronte agli impegni universitari. Per sua fortuna, dopo qualche mese gli fu offerto un posto di assistente all’Università di Amburgo ed egli lasciò Gottinga molto volentieri.
Vi tornò poi nel giugno del 1922 ed ebbe così occasione di ascoltare alcune conferenze tenute dal famoso fisico Niels Bohr. A Gottinga incontrò di nuovo Heisenberg, anche lui invitato, ed entrambi trovarono molto stimolante la teoria di Bohr sulla struttura dell’atomo.
Secondo Bohr, gli elettroni ruotavano intorno al nucleo dell’atomo formando un guscio elettronico.
Essi erano disposti su più livelli e per ogni livello il numero di elettroni era dato dalla formula 2∙n2. Il livello più vicino al nucleo, con n=1, poteva contenere solo due elettroni. Nel secondo livello, con n=2, il numero degli elettroni che ruotavano intorno al nucleo era 2∙22 = 8 e così di seguito.
Pauli ed Heisenberg, però, non consideravano convincente questo modello di atomo. Secondo loro mancava una spiegazione al fatto che gli elettroni più esterni, pur essendo attratti dal nucleo, non si spostavano nel livello atomico più basso. Essi ne discussero con Bohr, che apprezzò molto la profondità delle conoscenze teoriche di Pauli e lo invitò a lavorare per un anno con lui a Copenaghen. Qui gli assegnò una ricerca per la comprensione del cosiddetto “effetto Zeeman anomalo”.
Circa venti anni prima, Pieter Zeeman, ricercatore presso l’Università di Leida, in Olanda, aveva scoperto che un campo magnetico provocava la separazione delle righe spettrali.
Questo fenomeno fu chiamato «effetto Zeeman».
Continuando le sue ricerche, scoprì poi che in un campo magnetico più debole le righe spettrali si separavano in un numero maggiore di righe. Poiché questo fenomeno appariva inspiegabile, rimase conosciuto come «effetto Zeeman anomalo».
Si sapeva già, secondo la teoria di Bohr, che in un atomo, quando un elettrone si spostava da un’orbita più alta a una più bassa, veniva emessa luce che poteva essere registrata come riga spettrale. Bohr assegnò a Pauli l’incarico di studiare l’effetto Zeeman anomalo per spiegare teoricamente quello strano fenomeno.
Pauli si dedicò con passione a questo studio teorico.
1927: Fermi, Heisenberg e Pauli
Nell’autunno del 1923, tornato alla sua Università di Amburgo, era piuttosto depresso perché non era ancora riuscito a trovare una spiegazione teorica accettabile. Beveva sempre di più alcolici e frequentava nelle prime ore della notte il quartiere a luci rosse di quella città.
Continuava però le sue ricerche e riuscì a ricavare teoricamente per l’atomo la formula 2∙n2 che Bohr aveva già proposto, ma senza alcuna spiegazione scientifica. Secondo Pauli, in un atomo a ciascun elettrone dovevano essere associati quattro numeri quantici e nello stesso livello atomico due elettroni non potevano avere gli stessi numeri. Questi potevano avere gli stessi numeri quantici soltanto se si trovavano in livelli atomici diversi. Paul Dirac, un giovane fisico dell’Università di Cambridge, venuto a conoscenza di questa fondamentale scoperta, la chiamò principio di esclusione,
Intanto, Pauli vedeva in maniera sempre più negativa il suo modo di vivere.
Mentre durante il giorno era immerso nel suo lavoro di ricerca, la sera diventava un’altra persona e le donne incontrate gli offrivano un modo per dimenticare il suo senso di frustrazione.
Secondo i suoi colleghi, Pauli aveva acquisito il potere di danneggiare le apparecchiature dei laboratori soltanto con la sua presenza. Essi chiamavano questo fenomeno effetto Pauli ed erano convinti che la sua presenza anche nelle vicinanze di un laboratorio producesse guasti alle apparecchiature. Lo stesso Pauli ci credeva e pensava di possedere strani poteri.
Egli aveva alcuni amici astronomi che lavoravano nell’Osservatorio di Bergedorf.
Poiché nelle notti di luna piena non era possibile osservare il cielo, egli andava a trovarli per passare alcune ore in allegria. Durante una di queste visite il telescopio rimase molto danneggiato per un incidente e tutti pensarono all’effetto Pauli.
Un’altra volta, mentre Max Born e i suoi collaboratori stavano lavorando nel laboratorio di Gottinga, un guasto mise fuori uso importanti apparecchiature. Come battuta Max Born disse che stranamente non era presente Pauli, ma dopo qualche minuto arrivò una telefonata di saluti da parte di Pauli che si trovava di passaggio nella locale stazione ferroviaria.
Intanto Heisenberg aveva affrontato i fenomeni della fisica atomica in maniera originale con la cosiddetta meccanica quantistica che, però, utilizzava una matematica piuttosto complessa e difficile da apprendere. Pauli cominciò ad applicare con entusiasmo questa teoria con la quale pensava di poter risolvere i problemi lasciati in sospeso nel modello atomico di Bohr.
Una ventina d’anni prima Einstein aveva interpretato la luce anche sotto forma di particelle, introducendo il fotone come quanto di luce. Ora il fisico francese Louis de Broglie suggeriva che anche l’elettrone poteva essere contemporaneamente particella e onda.
Nella primavera del 1926 Erwin Schrödinger, un fisico dell’Università di Zurigo, aveva trasformato la visione di de Broglie in una teoria che egli chiamò meccanica ondulatoria. Questa appariva più familiare ed elegante in confronto con la difficile matematica utilizzata da Heisenberg e permetteva di visualizzare l’elettrone di un atomo come un’onda che circondava il nucleo.
A Gottinga, Max Born interpretò la funzione d’onda di Schrödinger come un’onda di probabilità.
Anche Pauli era convinto che con questa interpretazione fosse possibile calcolare la probabilità di trovare in un dato istante la posizione di un elettrone intorno al nucleo atomico.
Approfondendo i suoi studi sulla meccanica ondulatoria Pauli scoprì, però, che dopo aver calcolato con precisione la posizione di una particella, non era più in grado di calcolare con la stessa precisione la sua quantità di moto e viceversa. Comunicò questa sua scoperta ad Heisenberg, che approfondì lo studio di questo fenomeno e nel febbraio del 1927 scrisse un articolo nel quale faceva notare che mentre nella fisica classica era possibile misurare la posizione e la quantità di moto di un oggetto con la stessa precisione, nella meccanica quantistica ciò non era possibile.
Niels Bohr si era convinto che elettroni e luce dovevano essere interpretati sia come onde e sia come particelle. Perciò, negli esperimenti gli elettroni potevano manifestare un aspetto oppure l’altro, ma non entrambi contemporaneamente. Se in un esperimento un elettrone veniva trattato come un’onda, esso avrebbe continuato a comportarsi come onda per tutta la durata dell’esperimento. Se, invece, un elettrone veniva trattato come particella avrebbe continuato a comportarsi per tutta la durata dell’esperimento come particella.
Questa teoria prese il nome di principio di complementarità.
Pauli ne fu talmente convinto da vedere nella complementarità un modo diverso di studiare la coscienza umana. Crebbe il suo interesse per il conscio e l’inconscio e su come la fisica poteva influire nella risoluzione dei problemi psicologici.
Il 1927 fu per Pauli un anno di risultati straordinari nella ricerca fisica perché aveva aiutato Bohr e Heisenberg a correggere la teoria dei quanti e aveva collaborato con Heisenberg allo sviluppo dell’elettrodinamica quantistica di Paul Dirac. Nello stesso anno dovette, però, affrontare una difficile situazione familiare. Suo padre si era separato dalla moglie perché innamorato di una giovane scultrice e i rapporti tra padre e figlio si guastarono. Inoltre, la madre di Pauli dopo qualche mese si suicidò avvelenandosi. Dopo la morte della madre Pauli scoprì la sua ascendenza ebraica e, pur sapendo che in Germania e in Austria stava crescendo l’antisemitismo, decise di lasciare la religione cattolica per tornare ad essere ebreo.
All’inizio del 1928 gli fu offerto un incarico come docente presso l’Università di Zurigo ed egli decise di accettarlo. Ricominciò a collaborare con Heisenberg nella ricerca sulla elettrodinamica quantistica, ma le difficoltà incontrate furono tali da portarlo in uno stato di depressione. Il loro lavoro fu comunque completato e poi pubblicato.
Nella città di Zurigo vi era un’intensa attività culturale e Pauli vi partecipava con interesse.
Con le sue ricerche nella fisica Pauli accrebbe il prestigio del suo Dipartimento, ma Zurigo non aveva un quartiere a luci rosse ed egli si spostava spesso ad Amburgo e Berlino per le sue esigenze notturne. Alla fine del 1929 decise di sposare una ballerina che lavorava in un locale notturno. Il matrimonio durò meno di un anno, e fu la moglie a lasciarlo.
Comunque, l’attività scientifica di Pauli continuava ad essere molto intensa.
Cercava di comprendere il fenomeno noto come decadimento beta, quando i nuclei di certi atomi cedono l’energia posseduta in eccesso emettendo un elettrone. Le misurazioni, stranamente, davano come risultato che una parte dell’energia risultava perduta. L’energia del nucleo prima dell’emissione dell’elettrone era maggiore della somma delle energie dell’elettrone e del nucleo dopo l’emissione.
Poiché riteneva che la legge di conservazione dell’energia dovesse essere valida in ogni fenomeno fisico, egli avanzò l’ipotesi che nel decadimento beta il nucleo emettesse, oltre all’elettrone, un’altra particella ancora sconosciuta.
Annunciò questa ipotesi nell’occasione di un convegno di fisica tenuto nel 1930.
Qualche anno dopo a questa particella sconosciuta fu dato il nome di neutrino dal fisico italiano Enrico Fermi che nel 1934 elaborò la teoria del decadimento beta. Oggi sappiamo che il neutrino possiede una massa piccolissima ma non nulla e nel 1956 esso fu rilevato in laboratorio confermando definitivamente la sua esistenza.
Intanto, nell’attività universitaria molti non riuscivano a sopportare il sarcasmo di Pauli e vari docenti avevano difficoltà ad accettare l’incarico di fargli da assistente. Heisenberg lo definì maestro di spirito critico e dichiarò che, per evitare le inevitabili critiche ai suoi lavori, li aveva sempre dati a Pauli per una lettura prima di pubblicarli.
Nell’estate del 1931 Pauli tenne diverse conferenze negli Stati Uniti sulla sua nuova particella.
Nella città di Ann Arbor, che era vicina al Canada, era più facile trovare alcolici di contrabbando. Una volta egli esagerò nel bere e, perso l’equilibrio, ruzzolò per una rampa di scale. Si fratturò un braccio e durante le conferenze era costretto a parlare in pubblico col braccio rotto sollevato e sostenuto da una barra metallica. Scherzando, raccontava che quella era stata l’unica volta che aveva alzato il braccio per inneggiare ad Hitler.
Tornato a Zurigo, nel 1932 continuò con la sua vita dissoluta passando da un locale all’altro, bevendo, fumando e andando a donne. Questo suo comportamento portò le autorità accademiche a comunicargli che poteva perdere la cattedra pur avendo la fama di scienziato brillante. Egli era talmente depresso che, pur avendo risentimento verso il padre, seguì il suo consiglio di consultare il celebre psicanalista Carl Jung.
Poiché Pauli era uno scienziato famoso, Jung era interessato ad averlo come paziente per aiutarlo a recuperare l’equilibrio mentale.
Invece di curarlo personalmente, Jung lo mise inizialmente in contatto con una sua giovane allieva. Egli riteneva che, se analizzato da un uomo, Pauli avrebbe attivato i suoi meccanismi psicologici di difesa, mentre con una donna sarebbe riuscito a esprimersi più liberamente. Jung analizzava continuamente i sogni che Pauli gli raccontava e gradualmente riuscì a renderlo più calmo, meno introverso e ipercritico, anche se continuava a bere in maniera eccessiva.
Nell’occasione di un ricevimento Pauli conobbe Franciska Bertram, una donna elegante e molto bella che aveva 32 anni, un anno meno di lui.
Si sposarono a Londra il 4 aprile del 1934.
La moglie costrinse Pauli a interrompere le sedute con Jung, ma egli continuava ad avere problemi psicologici. Per esempio, durante un’escursione sciistica fu preso dal panico perché sentiva che la terra tremava sotto i suoi piedi.
Avendo con la moglie un ambiente familiare stabile e una vita ordinata, Pauli poteva ora dedicarsi indisturbato al proprio lavoro. Continuava, però, a mantenere una fitta corrispondenza con Jung per descrivergli i propri sogni. Ai suoi colleghi non parlava mai delle sue ricerche miranti a fondere la fisica e la psicologia analitica di Jung.
Con l’avvento del nazismo, nel marzo del 1938 l’Austria venne annessa alla Germania. Il passaporto austriaco di Pauli divenne tedesco. Egli, essendo ebreo, cercò di ottenere la cittadinanza svizzera, ma senza riuscirci. Per sua fortuna, nel maggio del 1940 fu invitato come docente negli Stati Uniti e riuscì a procurarsi i visti per sé e per la moglie. Raggiunsero gli Stati Uniti dopo un difficile viaggio perché dovettero arrivare in treno a Lisbona per imbarcarsi poi su una nave diretta a New York.
Durante questo lungo viaggio Pauli ebbe più volte attacchi di panico.
Negli Stati Uniti lavorò con Einstein, a Princeton, sulla relatività generale e continuò le sue ricerche prebelliche. I suoi colleghi giunti dall’Europa si trovavano a Los Alamos dove lavoravano al Progetto Manhattan per lo sviluppo della bomba atomica. Pauli offrì la propria collaborazione al direttore J. Robert Oppenheimer, che era stato uno dei suoi primi studenti specializzandi, ma questo respinse la sua offerta affermando che avrebbe fatto meglio a dedicarsi alla ricerca pura. E’ molto probabile che Oppenheimer temesse l’effetto Pauli, considerando che a Los Alamos c’erano molti strumenti delicati e si stava lavorando per la bomba atomica.
Nel 1945, grazie all’influenza di Einstein, Pauli ebbe l’incarico di docente all’Institute for Advanced Study e anche alla Columbia University.
Gli fu poi assegnato il Premio Nobel per la scoperta del principio di esclusione.
Nell’anno successivo gli fu concessa la cittadinanza statunitense, ma egli decise comunque di tornare all’Università di Zurigo dove riallacciò i contatti con Jung.
Nel mese di giugno del 1956 i fisici sperimentali Frederick Reines e Clyde Cowan riuscirono a verificare in laboratorio l’esistenza del neutrino, che Pauli aveva previsto ventisei anni prima. Gli inviarono un telegramma per comunicare questa importante notizia. Pauli si trovava al CERN di Ginevra per un convegno e lesse il telegramma al pubblico presente ad alta voce e con emozione.
Finita la seconda guerra mondiale, Pauli ed Heisenberg avevano ripreso la loro corrispondenza scientifica ma la loro collaborazione non era più quella di una volta. Infatti, sulla reputazione di Heisenberg pesava il fatto che durante la guerra egli era rimasto in Germania per dirigere il progetto tedesco per la costruzione della bomba atomica. Nel luglio del 1958, durante un convegno al CERN, Heisenberg fu invitato a tenere una conferenza. Pauli lasciò che Heisenberg finisse di parlare, ma poi prese la parola demolendo completamente l’intervento del suo vecchio amico e collega.
Il 5 dicembre 1958, mentre stava tenendo una lezione all’Università, fu colto da dolori lancinanti allo stomaco. Portato all’ospedale di Zurigo, gli fu scoperto un carcinoma al pancreas.
Morì dieci giorni dopo.
Il suo corpo fu cremato il 20 dicembre e nel pomeriggio dello stesso giorno si tenne una cerimonia funebre. Tennero discorsi Niels Bohr e diversi suoi ex colleghi. Jung, ormai ottantaduenne, pur essendo presente nella sala non fu invitato a parlare. Fu notata l’assenza di Heisenberg, che era stato invitato alla cerimonia perché considerato amico e collega di Pauli per tutta una vita. Egli non scrisse nemmeno una lettera di condoglianze alla vedova. Affidò questo compito a sua moglie. Le ceneri di Pauli si trovano nel cimitero di Zollikon, una cittadina tra Zurigo e Kiisnacht, dove aveva i suoi incontri con Jung.
Oggi Pauli è ricordato soprattutto per il principio di esclusione e per le sue feroci critiche, che mettevano in forte imbarazzo i colleghi.
Nell’anno 2000 la rivista «Physics World» fece un’indagine per elencare i dieci fisici più importanti del XX secolo.
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