Lise Meitner, la fisica che non ha mai perso l’umanità

Ha dovuto lottare per poter studiare nella Vienna di inizio Novecento, lavorato come «ospite non pagata» a Berlino e spiegato la fissione nucleare mentre passeggiava nella neve in Svezia

Camminavamo su è giù nella neve, io sugli sci e lei a piedi (diceva – e a ragione – che poteva tenere il mio passo a quel modo). (Otto Frisch, tratto da «Lise Meitner: A Life In Physics» di Ruth Lewis Sime, 1996)

La scena, di una quotidianità bucolica, si svolge in una cittadina di campagna poco a nord di Göteborg, a Kungälv, in Svezia: zia e nipote chiacchierano animatamente mentre si godono la neve e l’atmosfera oramai natalizia. Siamo nel 1938 e a spingere lassù Lise Meitner e Otto Frisch è stata l’occupazione nazista di Vienna: oramai i venti di guerra stanno soffiando sempre più forti sull’Europa e l’appartenere a una famiglia di origine ebrea è un rischio per la propria libertà. Stanno discutendo di un problema che li tiene occupati da novembre, quando hanno fatto un viaggio un po’ rocambolesco fino a Copenhagen, in Danimarca, per incontrare un altro Otto, collega di Lise e probabilmente il miglior radiochimico della sua generazione: Otto Hahn.

Il problema sono i risultati di un esperimento che ha realizzato all’Istituto Kaiser Wilhelm di Chimica di Berlino assieme al suo assistente Fritz Strassmann e che li sta facendo ammattire. Dopo aver bombardato atomi di uranio con singoli neutroni, si aspettavano come la maggior parte dei loro colleghi dell’epoca di ottenere atomi di un elemento più pesante, come se l’uranio avesse “incorporato” il neutrone. Ma quello che avevano ottenuto era una certa quantità di bario, un elemento con un numero atomico quasi metà di quello dell’uranio. Si trattava di una trasmutazione che per i due chimici non aveva senso. Non per Lise Meitner, che capisce di essere di fronte a un fenomeno mai osservato prima che entrerà nel linguaggio della scienza come fissione nucleare.

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Nobel per la Fisica 2016 agli strani mondi di Flatlandia

Racconta Edwin A. Abbott di Flatlandia, uno strano luogo a due sole dimensioni, dove alcune abitudini del nostro mondo in 3D diventano assurde e altri fenomeni, per noi strani, emergono. Il libro, pubblicato nel 1884 in Gran Bretagna, è diventato un classico della divulgazione matematica e ha fatto riflettere generazioni di studenti. Fuor di metafora letteraria, qualcosa di analogo deve essere successo all’inizio degli anni Settanta del Novecento, quando Michael Kosterlitz and David Thouless, due dei Nobel di quest’anno, hanno dimostrato che, nonostante quello che si pensasse all’epoca, in strati sottili di materia al limite della pura bidimensionalità, fenomeni di superconduttività e superfluidità erano possibili. Per questo motivo, assieme a F. Duncan M. Haldane, l’Accademia delle Scienze di Stoccolma ha deciso di assegnar loro il Premio Nobel per la Fisica 2016 per «per le loro scoperte teoriche sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia».

La fisica di queste flatlandie è molto diversa da quella che possiamo vedere attorno noi: anche se la materia che costituisce uno di questi sottilissimi strati è in realtà un insieme di milioni di atomi (il comportamento di ognuno dei quali può essere spiegato con la fisica quantistica), essi presentano proprietà completamente, come quelle che vengono descritte usando la parola ‘super’. Nel caso della superconduttività, si fa riferimento a una proprietà dei materiali che presentano resistenza nulla al passaggio di corrente elettrica, mentre per superfluidità si intende uno stato della materia che non presenta viscosità (per cui, per esempio, un vortice può continuare indefinitamente a ruotare).

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La banalità del genio: John Bardeen e la scoperta del transistor

Che cosa significa essere considerato un genio della scienza? La vita normale dell’unico scienziato che ha vinto due volte il Nobel per la Fisica e che proprio sessant’anni fa andava a ritirare quello per la scoperta del transistor

Nell’immaginario collettivo, specialmente nelle sue declinazioni più popolari, l’immagine dello scienziato geniale è quella di un uomo eccentrico, dalla vita interessante e straordinaria. Ci vengono alla mente la storia tragica di Alan Turing (raccontata anche in un bel libro a fumetti di qualche anno fa), la malattia mentale di John Nash, il sarcasmo tagliente espresso dalla voce sintetica di Stephen Hawking (visto anche al cinema ne La teoria del Tutto). Storie che, non a caso, sono diventate altrettanti film per il grande pubblico. Se guardiamo più indietro, troviamo l’eccentrica vita di Richard Feynman che suonava i bonghi in aula o quella di Albert Einstein, uno che faceva le boccacce ed è diventato suo malgrado un’icona del Novecento, una vera rockstar.

Raramente ricordiamo personaggi poco conosciuti, ma di sicuro talento. Come John Bardeen, fisico americano che sessant’anni fa, nel 1956, andava a ritirare a Stoccolma il premio Nobel per la Fisica per la scoperta del transistor, un componente elettronico miniaturizzabile che ha permesso la nascita dell’elettronica di consumo. In Svezia, caso unico nella Fisica, torna anche nel 1972 per un secondo premio per la spiegazione della superconduttività. Ricordato come un grande appassionato di golf e un padre amorevole, ha avuto una vita lineare, senza grandi sussulti, quasi noiosa, che difficilmente arriverà sul grande schermo. Eppure, i due premi Nobel sono lì a ricordare a tutti il suo ruolo nel rivoluzionare le nostre vite.

 

Chi è John Bardeen?

John Bardeen nasce il 23 maggio del 1908 a Madison, nel Wisconsin, in un famiglia in cui la scienza era di casa. Suo padre, Charles Russell è il primo preside della Medical School dell’Università del Wisconsin, e lo incoraggia allo studio, in particolare della matematica, per la quale dimostra fin da subito un grande talento. Potrebbe diplomarsi anche prima, ma è nel 1923, a quindici anni, che entra all’università, scegliendo la facoltà di ingegneria. Se la prende relativamente comoda, interrompendo gli studi per oltre un anno per lavorare a Chicago. Si laurea con un anno in ritardo rispetto alla norma, nel 1928, ma comunque a soli vent’anni.

Negli anni Trenta non sa ancora quale sia la strada che vuole davvero prendere. Lavora per qualche tempo a Pittsburgh (Pennsylvania), alla Gulf Oil, una delle principali aziende petrolifere americane, studiando come effettuare al meglio i prospetti geologici per individuare potenziali giacimenti. Poi studia a Princeton, dove approfondisce la matematica e la fisica, e scrive una tesi di dottorato su problemi di fisica della stato solido. Dal New Jersey passa a Harvard per qualche anno, ma la Seconda Guerra mondiale lo vede richiamato dalla marina per lavorare al Naval Ordnance Laboratory di Washington D.C., ma il lavoro non gli piace molto.

 

Che cosa ha scoperto?

È con il finire della guerra che la vita di Bardeen prende una direzione intellettuale chiara e definitiva. Ha bisogno di un lavoro per mantenere la famiglia che tra il 1939 e il 1944 si è allargata con l’arrivo di tre figli: James, William ed Elizabeth avuti dalla moglie Jane Maxwell sposata nel ’38 e che gli starà sempre a fianco. Così, dal 1945 lavora ai Bell Laboratories, il ramo di ricerca e sviluppo dell’omonima compagnia telefonica americana, alla ricerca di un’alternativa efficace agli amplificatori di segnale in uso allora, basati sui tubi a vuoto. Il gruppo di lavoro è formato, oltre che da Bardeen, che si prende in carico la parte più teorica del progetto, da Walter H. Brattain, che si occupa della effettiva costruzione dei prototipi, e William B. Shockley, il più giovane (è del 1910), ma anche il responsabile del progetto.

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Marvin Kelly nel 1928 con in mano un tubo a vuoto ai Bell Laboratories con William Wilson. Kelly sarà presidente dei Bell Labs dal 1951 al 1959 (Immagine: History of Engineering and Technology)

Per la compagnia telefonica, il progetto è essenziale allo sviluppo dell’attività. L’amplificazione del segnale, infatti, è un nodo cruciale dello sviluppo della rete telefonica e della qualità delle comunicazioni: l’aumento del voltaggio del segnale – di questo si tratta – permette infatti di mettere in movimento le membrane degli altoparlanti. Ma i tubi a vuoto impiegati negli anni Quaranta hanno dei limiti: sono fragili, si surriscaldano molto e quindi hanno bisogno di molto spazio per un’adeguata ventilazione. La fisica dello stato solido è il pane di Bardeen, che crede che un risultato sia a portata di mano. Già alla fine del 1947, infatti, i tre presentano il primo prototipo funzionante di transistor.

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Replica del transistor presentato nel ’47-’48 da Bardeen, Brattain e Shockley (Immagine: Wikimedia Commons)

Come funziona il transistor?

La storia dei transistor è molto variegata, e nel corso dei decenni ne sono stati realizzati di diversi tipi. Quello realizzato da Shockley, Brattain e Bardeen è costituito da un blocchetto di germanio, un semiconduttore, e due contatti estremamente vicini costituiti da due lamine d’oro attaccate a un triangolo di plastica pressato contro il germanio da una molla. Senza addentrarsi nei dettagli (che si possono comunque trovare in questo video di Veritasium), l’aspetto fondamentale che Bardeen comprende è che, affinché l’apparato funzioni, il germanio non deve essere puro, ma presentare uno strato esterno, estremamente sottile, in cui c’è una carenza di elettroni (semiconduttore di tipo p) e uno sottostante in cui c’è abbondanza di elettroni (semiconduttore di tipo n). Oggi questa situazione si ottiene attraverso un “drogaggio” diverso delle due aree del semiconduttore che si impiega.

 

Lo schema del primo transistor ideato da Bardeen con Shockley e Brattain (Immagine: Stanford University)

Un segnale elettrico con un basso voltaggio (o bassa corrente) in ingresso, cioè tra base ed emettitore, può essere amplificato a piacimento e messo a disposizione in uscita attraverso la cosiddetta corrente di collettore. L’immagine seguente fornisce lo schema elettrico di un transistor a doppia giunzione, diverso da quello originariamente progetto dal gruppo di Brattain, ma con le stesse caratteristiche di fondo.

 

Schema di funzionamento di un transistor a doppia giunzione (Immagine: hsc.csu.edu.au)

Quello che hanno ottenuto i tre ricercatori è un componente elettronico che ha due diverse funzioni. La prima, quella desiderata dall’azienda telefonica, è di amplificare il segnale in ingresso. La seconda è quella di funzionare come un vero e proprio interruttore, come un rubinetto per l’acqua. Il transistor, cioè, può assumere due stati: aperto/chiuso, acceso/spento, o 1/0. È su questo tipo di elementi che oggi, all’interno dei nostri computer, dei nostri smartphone e in mille altri tipi di apparecchi elettronici immagazziniamo ed elaboriamo l’informazione.

Dopo il transistor e fino a oggi

La scoperta realizzata ai Bell Laboratories è straordinaria, ma Bardeen non si trova del tutto a proprio agio a lavorare sotto, di fatto, la direzione di Shockley. Lo trova troppo autoritario e geloso del potere che deriva dalla sua posizione. Visto il carattere schivo, però, non ne esce uno scontro, ma all’inizio degli anni Cinquanta, Bardeen cerca lavoro altrove. E lo trova a Urbana, sede della Università dell’Illinois, che con la sua acquisizione pensa di poter costruire un gruppo di ricerca di primo piano nel campo della fisica della superconduttività. Non si muove più e il premio Nobel del 1956 non fa altro che confermare la buona idea dell’Università di assumerlo.

Già ai Bell Laboratories, Bardeen aveva cominciato la propria personale ricerca di una teoria della superconduttività, un fenomeno scoperto nel 1911 da Heike Kamerling Onnes che non può essere spiegato con la fisica classica. Onnes aveva notato che, al di sotto una determinata temperatura, alcuni materiali hanno resistenza elettrica nulla ed espellono i campi magnetici presenti al loro interno. Nel 1957, Bardeen, con due colleghi più giovani, Leon Cooper e Robert Schrieffer riuscirono a spiegare il fenomeno formulando quella che è diventata nota come teoria BCS dalle iniziale dei tre scienziati. La scoperta vale per i tre il premio Nobel per la Fisica nel 1972: Bardeen diventa l’unico scienziato a vincerlo due volte in Fisica.

In True Genius. The Life and Science of John Bardeen, la biografia più completa pubblicata nel 2002, a quarant’anni da quel momento e a dieci dalla sua scomparsa, le due autrici, le storiche della scienza Lillian Hoddeson e Vicki Daitch, non esitano fin dal titolo a usare la parola ‘genio’. Lo stesso fanno diversi intervistati nel breve documentario intitolato Spark of Genius che l’Università dell’Illinois realizza nel 2010. Non v’è dubbio che il lavoro di Bardeen sul funzionamento del transistor è stata determinante per la storia dello sviluppo tecnologico e sociale che stiamo vivendo ancora oggi. Forse meno evidente, ma la scoperta che ha portato al secondo Nobel è un punto essenziale dello sviluppo della fisica del secondo Novecento. Eppure, nella recensione del libro che Dwarka Bose pubblica nel 2003 su Current Science, si percepisce il disagio nell’accostamento di ‘genio’ e ‘Bardeen’. Sembra che anche il fisico di origine indiana, che aveva conosciuto Bardeen in un suo viaggio nel subcontinente asiatico e della cui intelligenza rimane affascinato, abbia lo stesso bias di cui si è detto all’inizio e si immagini i geni della scienza come degli eroi romantici dalla vita straordinaria e travagliata. Invece, Bardeen ha mostrato come anche in una vita semplice e tranquilla, in cui il massimo brivido può sembrare la partita a golf del fine settimana, si può sviluppare una mente brillante, capace di incidere un solco profondo nella storia.

Per approfondire

Articolo sulla storia del transistor su Review of Modern Physycs con la spiegazione del funzionamento del transistor di Bardeen, Brattain e Shockley.

Materiale didattico sul transistor (con attività) realizzato dalla Università del New South Wales (Australia).

Video: How Does A Transistor Work? di Veritasium, canale YouTube dedicato alla scienza e alla tecnologia.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1956.

La trascrizione del lezione che Bardeen ha tenuto alla cerimonia per il Nobel per la Fisica del 1972.

Immagine banner: phys.bspu.unibel.by

Immagine box in home:  LSI and the Computer History Museum

[Da Aula di Scienze]

Un paio di articoli su LeScienze di Aprile 2015

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Il fu Ettore Majorana?

Il libro di un fisico francese e le recenti notizie sulla sua presenza in Venezuela negli anni Cinquanta alimentano uno dei grandi gialli del Novecento

Il libro di un fisico francese e le recenti notizie sulla sua presenza in Venezuela negli anni Cinquanta alimentano uno dei grandi gialli del Novecento

[Da Oggiscienza.it]

CULTURA – In una notte terribile Adriano Meis gira per le strade di Roma scosso da emozioni e sentimenti contrastanti. Il Tevere e le sue acque sono la via d’uscita dalla situazione in cui si è ritrovato, la possibilità di voltare pagina. Lascia cappello e bastone sul parapetto del ponte e, approfittando dell’oscurità, invece di annegarsi, semplicemente, se ne va. Tornerà a Miragno, in Sicilia, riprendendosi la sua identità di Mattia Pascal, pronto a “morire per la terza volta”.

La notizia che Ettore Majorana fosse ancora in vita tra il 1955 e il 1959, secondo quanto indicano le conclusioni delle indagini della Procura di Roma guidate dal procuratore aggiunto Pierfilippo Liviani, ha inevitabilmente riportato alla ribalta il parallelo tra il fisico catanese, collega di Enrico Fermi tra i ragazzi di via Panisperna negli anni Trenta del Novecento, e il personaggio scaturito dall’invenzione romanzesca di Luigi Pirandello. Majorana quando scompare nella notte del 27 marzo 1938 avrebbe usato anch’egli l’acqua, quella del mare tra Palermo e Napoli, per inscenare un finto suicidio e sparire. Secondo la Procura di Roma, il fisico riapparirebbe in Venezuela nella seconda metà degli anni Cinquanta, come testimonia la foto in cui un certo Bini (questo l’alter ego che avrebbe scelto Majorana) è ritratto in compagnia di un altro italiano, Francesco Fasani, a Valencia in Venezuela. A suffragare questa ipotesi, la presenza anche di una cartolina degli anni Venti indirizzato a Quirino, zio di Ettore Majorana, e trovata tra le carte di Fasani.

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La riapertura delle indagini era stata voluta nel 2011 dalla stessa famiglia di Majorana, che non ha mai accettato l’ipotesi del suicidio, dando indirettamente ragione a Enrico Fermi che sosteneva che un uomo dell’intelligenza di Ettore aveva sicuramente la capacità di sparire senza lasciare traccia se lo avesse desiderato. Ma lo voleva davvero? Quella del congedo dal mondo quasi per una scelta morale è sostanzialmente la tesi sostenuta negli anni Settanta da Leonardo Sciascia nel suo volume La scomparsa di  Majorana: l’acuta intelligenza del fisico catanese, la sua genialità, gli avrebbero fatto comprendere con largo anticipo sui suoi colleghi le potenziali e distruttive conseguenze delle ricerche sulla fisica subatomica. Conoscenze che, appena sette anni più tardi a quella notte del 1938, avrebbero portato ai funghi atomici di Hiroshima e Nagasaki.

È un’ipotesi che Etienne Klein, fisico francese e direttore del Laboratoire des Recherches sur les Sciences de la Matière (LARSIM), rifiuta nel suo recente Cercando Majorana (Carocci, 2014), in cui ha ripercorso la vita e i luoghi di quello che è, a tutti gli effetti, un suo mito personale. Quella di Sciascia è un’ipotesi suffragata a posteriori dalla conoscenza che lo scrittore aveva della storia successiva al 1938, sostiene. Ma all’epoca in cui Ettore Majorana era sicuramente vivo e attivo in Italia, l’idea che avesse potuto intuire fino in fondo la possibilità di costruire una bomba nucleare cozza con le conoscenze scientifiche dell’epoca. E quand’anche il Grande Inquisitore, come era soprannominato dai colleghi all’Istituto di Fisica di Roma, avesse compreso tutto questo in anticipo, allora perché avrebbe poi accettato la cattedra di Fisica nucleare all’Università di Napoli?

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Klein ha fatto in prima persona quel viaggio in nave tra Napoli e Palermo, cercando di immedesimarsi in Majorana. Chiede al comandante che probabilità ci sono di ritrovare il corpo di una persona che dovesse gettarsi in mare su quella tratta. Una su due, gli risponde, considerando le correnti marine. Avrebbe Majorana, nella sua acutezza e genialità affidato il suo proposito di scomparire del tutto a un gesto dalla stessa probabilità del lancio di una monetina? Anche l’ipotesi del suo ritiro in un convento gli appare improbabile e, comunque, non suffragata da prove. In definitiva, Majorana «è una particella quantistica, il cui destino sovrappone una moltitudine di traiettorie, senza che nessuna di esse possa essere considerata più reale delle altre».

A differenza di altre indagini sulla sua scomparsa, nel libro di Klein – davvero appassionato, sebbene non sempre sorretto da una verve narrativa adeguata – rimane la figura scientifica di Majorana. Del suo lavoro viene sottolineata l’importanza, ci rammenta Klein, ma non ci si prende mai la briga di spiegarla, «come se la scomparsa dell’uomo avesse inghiottito l’opera del ricercatore». Ma il Majorana fisico teorico è di strettissima attualità in almeno tre campi di ricerca: perché i neutrini che osserviamo sono sempre “sinistrorsi”? Perché e come è scomparsa l’antimateria? Di che cosa è fatta la materia oscura? Klein collega il Majorana visionario degli anni Trenta a questa attualità scientifica e dimostra che il solo fatto che un ricercatore dalla vita attiva così breve abbia trattato temi tanto vasti e diversi lo ponga necessariamente tra i più grandi. Tra Newton e Galilei, dice qualcuno.

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