Enrico Fermi

Introduzione

Per la rubrica “Personaggi” abbiamo deciso di riportare nel nostro “Journal”, ossia nel nsotro Diario, le vicende di colui che è stato definito come “l’ultimo uomo che sapeva tutto” (titolo del libro di David N. Schwartz). Uomo dalla indubbia genialità dovuta, forse, anche ad una vita interiore travagliata.

Buona lettura.

Enrico Fermi Facts

In Enrico Fermi, il teorico e lo sperimentatore sono stati combinati in un modo estremamente intimo, complementare e creativo. Possedeva un’intuizione fisica quasi sorprendente che, insieme alla sua semplicità, lo rendeva universalmente ammirato e rispettato.

Fermi è nato il 29 settembre 1901 a Roma, il terzo figlio di un funzionario del Ministero delle Ferrovie. A circa 10 anni il suo interesse per la matematica e la fisica si risvegliò. Un collega di suo padre, l’ingegnere A. Amidei, riconobbe le qualità intellettuali davvero eccezionali di Fermi e guidò i suoi studi matematici e fisici tra i 13 e i 17 anni.

Da bambino, Fermi idolatrava il fratello maggiore e apparentemente più dotato, che morì nella sua adolescenza, facendo ritirare la madre in una incurabile depressione. Secondo il biografo Schwartz, questa catastrofe imprevedibile contribuì a ispirare l’interesse successivo di Fermi per le statistiche. Anche se può sembrare inverosimile, l’evento fornisce uno spaccato di un modello ricorrente che rende verosimile questa ipotesi.

Nel 1922 Fermi ricevette il dottorato all’Università di Pisa, e a quei tempi già aveva scritto diversi articoli sull’elettrodinamica relativistica, usando i metodi della teoria generale di Albert Einstein. Fermi ha ricevuto una borsa di studio all’Università di Gottinga, anche se i suoi 8 mesi non erano stati molto soddisfacenti nonostante avesse affrontato problemi di particolare interesse per i fisici. 

Nel 1924, su sollecitazione di George E. Uhlenbeck, Fermi andò a studiare all’Università di Leida con l’insegnante di Uhlenbeck, Paul Ehrenfest. Diversi anni dopo, quando Uhlenbeck era all’Università del Michigan, fece in modo che Fermi trascorresse le estati del 1930, 1933 e 1935 alla Summer School for Theoretical Physics del Michigan.

Statistiche di Fermi

Alla fine del 1924, dopo aver lasciato Leida, Fermi andò all’Università di Firenze, dove insegnò fisica matematica e meccanica teorica. Nel 1926 pubblicò la sua prima grande scoperta, ovvero le statistiche quantistiche ora universalmente conosciute come statistiche di Fermi-Dirac. Le particelle che obbediscono a queste statistiche sono ora conosciute come fermioni.

La scoperta di Fermi non derivò fondamentalmente dalla teoria quantistica che in quegli anni aveva preso piede, come ci si potrebbe aspettare, ma piuttosto dai suoi stessi studi in meccanica statistica. Questi studi iniziarono già nel 1923 ma erano “frustrati” perché mancavano ancora di un concetto chiave: il principio di esclusione di Wolfgang Pauli.

Fermi vide immediatamente che tutte le particelle (fermioni) che obbedivano al principio di esclusione di Pauli si sarebbero comportate in modo definito, dal punto di vista quantistico-meccanico e statistico. La scoperta di Fermi ha portato alla comprensione di alcune importanti caratteristiche della teoria dei gas, di come gli elettroni nei metalli conducono l’elettricità, del perché gli elettroni non contribuiscono al calore specifico delle sostanze e di molti altri fenomeni. 

Sostenne anche il modello statistico dell’atomo del 1927, ampiamente utilizzato, ossia un modello approssimativo in cui l’atomo è considerato un assemblaggio statistico di elettroni.

Teoria del decadimento beta

Gli anni tra il 1926 e il 1938 costituirono il “periodo d’oro” di Fermi. Accettò la cattedra di fisica teorica all’Università di Roma nel 1926 e solo 3 anni dopo divenne uno dei primi 30 membri (e unico fisico) ad essere eletto alla Royal Academy of Italy. Nel 1928 sposò Laura Capon; avevano un figlio e una figlia.

Fermi ha dato un contributo significativo a una vasta gamma di problemi nella spettroscopia atomica, molecolare e nucleare; nella teoria della dispersione di particelle; nella struttura atomica e nucleare e nell’elettrodinamica quantistica. Il suo lavoro teorico più celebre di questo periodo fu la sua teoria del decadimento beta del 1933, una teoria che ben integrava la teoria del decadimento alfa nucleare di George Gamow, RW Gurney ed Edward U. Condon.

Nel decadimento beta una particella caricata negativamente (particella beta), nota per essere identica a un elettrone, viene emessa dal nucleo di un atomo, aumentando così il numero atomico del nucleo di un’unità. Fermi elaborò in breve tempo un’elegante teoria del decadimento beta basato sull’idea che un neutrone nel nucleo si trasforma (decade) in tre particelle: un protone, un elettrone (particella beta) e un neutrino. In realtà, il neutrino – una particella sfuggente, priva di massa e senza carica – non fu rilevato sperimentalmente fino agli anni ’50.

Neutroni lenti

Alla fine degli anni 1920 Fermi decise di affrontare problemi sperimentali nella fisica nucleare piuttosto che continuare le sue ricerche spettroscopiche in corso. Miscelando la polvere di berillio con un po’ di gas radon, aveva una fonte di neutroni con cui sperimentare e determinare se i neutroni potevano indurre radioattività. 

Costruì un rozzo rilevatore di contatori Geiger e, metodicamente, iniziò a bombardare l’idrogeno, poi passò a elementi di numero atomico superiore. Tutti i risultati furono negativi fino a quando bombardò il fluorium e rilevò una debole radioattività. Era il 21 marzo 1934, una data chiave nella fisica dei neutroni.

Fermi e i suoi collaboratori continuarono con grande entusiasmo. Nell’estate del 1934 avevano bombardato molte sostanze, scoprendo, ad esempio, che i neutroni possono liberare protoni e particelle alfa. Inoltre, avevano rilevato una leggera radioattività durante il bombardamento dell’uranio e hanno tentato, senza successo, di capire perché l’alluminio, bombardato da neutroni, non potesse “decidere” quale delle due diverse reazioni nucleari subire.

La loro successiva scoperta fu una pietra miliare per la fisica: scoprirono che il livello di radioattività indotto in una sostanza era aumentato se un filtro di paraffina veniva inserito nel fascio di neutroni che con cui irradiavano la sostanza. L’ipotesi di Fermi per questo miracolo era che nel passare attraverso la paraffina, un composto contenente una grande quantità di idrogeno, i neutroni avevano una velocità molto ridotta dalle collisioni con i nuclei di idrogeno; questi neutroni molto lenti – contrariamente a tutte le aspettative – avevano indotto una radioattività molto più elevata nelle sostanze rispetto ai neutroni veloci. 

Inoltre, il vecchio mistero dell’alluminio era stato risolto: i neutroni lenti producevano un tipo di reazione, i neutroni veloci un altro. La scoperta delle straordinarie proprietà dei neutroni lenti è stata la scoperta chiave nella fisica dei neutroni.

Dalla fuga al Nobel

Nel 1937 la moglie di Fermi ed i loro figli furono direttamente colpiti dalle leggi razziali nell’Italia fascista. Egli, infatti, divenne membro del partito fascista nel 1929 e fu solo nel 1938 che lui e la moglie Laura emigrarono negli Stati Uniti. Fermi era considerato “ultra-conservatore” dall’FBI, ma sembra giusto ricordare che era poco interessato alla politica come lo era in molte cose al di fuori della fisica.

Fermi voleva emigrare molto prima, attirato da interessanti offerte di lavoro, ma sua moglie ha resistito. Suo padre, un ammiraglio della marina italiana, era ebreo, e fu solo quando Mussolini introdusse nuove leggi razziali che alla fine cedette.

Ma potrebbe esserci stato un ulteriore fattore. Hitler aveva ordinato agli scienziati tedeschi di boicottare il premio Nobel. Mussolini avrebbe dovuto seguire l’esempio; ma le scoperte di Fermi lo hanno reso un candidato chiaro. 

Gli fu chiesto discretamente se avesse accettato il premio – l’unica persona che fosse mai stata avvertita in questo modo. L’emigrazione risolse il problema: nel dicembre del 1938 la famiglia Fermi andò a Stoccolma per la consegna del Premio Nobel per la fisica a Fermi. Poi lui e la sua famiglia partirono per gli Stati Uniti, arrivando a New York il 2 gennaio 1939, dove Fermi accettò un incarico alla Columbia University.

Età atomica

Con l’assistenza di Herbert L. Anderson, Fermi produsse un fascio di neutroni con il ciclotrone Columbia, verificando così la fissione dell’uranio. Quindi ha esplorato quantitativamente le condizioni che regolano la sua produzione. Lui e i suoi colleghi hanno anche dimostrato, usando un piccolo campione, che l’isotopo fissionabile dell’uranio è U 235.

A metà del 1939 c’erano chiare prove che una reazione a catena autosufficiente fosse realizzabile. Inoltre, la stupenda importanza militare della fissione nucleare era diventata chiara. Nel luglio del 1941 Arthur H. Compton, presidente di un comitato speciale della National Academy of Sciences, poteva comunicare la possibilità non solo di una bomba all’uranio, ma anche di una bomba al plutonio.

A Fermi fu chiesto di assumersi l’enorme responsabilità di dirigere la costruzione della prima pila atomica. Lui e altri importanti fisici si trasferirono all’Università di Chicago nella primavera del 1942; all’inizio di ottobre le loro ricerche erano progredite fino al punto in cui Fermi era sicuro di saper costruire la pila e il progetto (Progetto Manhattan) era in corso. 

La costruzione della pila iniziò a metà novembre 1942, e il 2 dicembre Fermi diresse l’operazione della prima reazione a catena autosufficiente creata dall’uomo. Il tempo effettivo in cui fu operato in quel giorno storico fu di 40 minuti; la sua potenza massima era di 1/2 watt, sufficiente per attivare una torcia. Era l’apertura di una nuova era, l’era atomica.

L’esperimento di Fermi era molto più di un esperimento di pura ricerca. Furono costruiti enormi laboratori nazionali, uno dei quali, Los Alamos, ebbe la responsabilità immediata della costruzione della bomba nucleare. Il suo direttore era J. Robert Oppenheimer. Nel settembre del 1944 portò Fermi da Chicago principalmente per averlo a portata di mano durante le ultime fasi critiche nella costruzione della bomba.

All’inizio del 1945 il progetto era arrivato al punto in cui la maggior quantità di nuove informazioni poteva essere ottenuta solo facendo esplodere effettivamente la temibile arma. Il test, che portava il nome in codice “Project Trinity“, fu eseguito con successo il 16 luglio 1945, nel deserto vicino ad Alamogordo, nel sud del New Mexico.

Il 31 dicembre 1945, Fermi venne nominato “Charles H. Swift Distinguished Service Professor of Physics” e membro del nuovo istituto (ora Istituto Enrico Fermi) per gli studi nucleari all’Università di Chicago. Questo fu l’inizio di un periodo durante il quale la sua lettura e la gamma di interessi – sempre limitati in gran parte alla fisica – si contraevano considerevolmente. 

Per alcuni anni ha continuato a lavorare nei settori della fisica nucleare e dei neutroni. Nel 1949 dimostrò teoricamente che le energie estremamente elevate del raggio cosmico possono essere spiegate dalle accelerazioni impartite loro da vasti campi magnetici interstellari. All’incirca nello stesso periodo il suo interesse si spostò dalla fisica nucleare alla fisica ad alta energia (particella).

Fermi morì a Chicago il 29 novembre 1954.

Il nome di Fermi persiste nel massiccio acceleratore di Fermilab in Illinois e nei fermioni che si scontrano al suo interno. Come quelle particelle omonime, Fermi era energico, inafferrabile e alla fine forse insondabile.

Ulteriori letture su Enrico Fermi

Le migliori guide esistenti al lavoro scientifico di Fermi sono Enrico Fermi, fisico di Emilio Segrè , il suo “Introduzione biografica” e vari “Appunti” dei fisici in Le carte raccolte di Enrico Fermi, a cura di Segre ‘e altri (2 voll., 1962-1965 ). Gli aspetti personali della vita di Fermi sono raccontati nel delizioso lavoro di sua moglie Laura Fermi, Atoms in the Family: My Life with Enrico Fermi (1954) e Illustrious Immigrants: The Intellectual Migration from Europe, 1930-41 (1968). Vedi anche Niels H. de V. Heathcote, vincitore del premio Nobel per la fisica, 1901-1950 (1954); gli avvisi necrologi di Fermi di E. Bretscher e John D. Cockcroft nella Royal Society di Londra,Memorie biografiche dei compagni della Royal Society, vol. 1 (1955), e di Samuel K. Allison della National Academy of Sciences degli Stati Uniti, Biographical Memoirs, vol. 30 (1957); Pierre de Latil, Enrico Fermi: The Man and His Theories (trans. 1965); e Nobel Foundation, Nobel Lectures, compresi i discorsi di presentazione e le biografie dei vincitori, 1922-1941 (1965).

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