1900-1925: storie di atomi e scienziati

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
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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
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Personaggio principale: Max Planck
Anno: 1900
Oggetto d’indagine: lo spettro delle sorgenti luminose
Illuminazione pubblica e quanti
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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
Illuminazione pubblica e quanti
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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…
Illuminazione pubblica e quanti
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.
Illuminazione pubblica e quanti
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).
Illuminazione pubblica e quanti
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
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Personaggio principale: Albert Einstein
Anno: 1905
Oggetto d’indagine: moto di pollini sull’acqua
Pollini e atomi
Pollini e atomi
Lucrezio, De rerum natura, Libro 2, vv. 95-132
[…]
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)
Pollini e atomi
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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.)
Pollini e atomi
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.
Pochi lampi nel buio
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Personaggio principale: Ernest Rutherford
Anno: 1911
Oggetto d’indagine: struttura degli atomi
Pochi lampi nel buio
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Un neozelandese poco British
Prendere l’atomo a martellate
L’ostinazione dello sperimentatore
L’atomo è praticamente vuoto
Un piccolo sistema planetario? No!
Pochi lampi nel buio
differenza di energia tra
due orbite stazionarie
energia del
quanto di
radiazione
"1 1%
hν = −hcR $ 2 − 2 ' = En − E2
#n 2 &
Pochi lampi nel buio
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.
Pochi lampi nel buio
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?
Pochi lampi nel buio
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
Hans Geiger
Otto Hahn
Henry Moseley
James Chadwick
Ernest Marsden
Pyotr Kapitsa
Pochi lampi nel buio
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
Hans Geiger
Otto Hahn
Henry Moseley
James Chadwick
Ernest Marsden
Pyotr Kapitsa
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…).
Pochi lampi nel buio
Take home message #3:
n2
λ=A 2
n −4
; n = 3, 4, 5,...
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…
Matrici e altre complicazioni
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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).
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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.
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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.
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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”.
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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.
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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.
Epilogo
i risultati e le responsabilità della scienza
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.