Così sorge il Sole dei quanti

BohrNel 1913 nasce l’idea di atomo che oggi ci è familiare: un sistema solare in miniatura ma che trasgredisce le leggi newtoniane. Il fisico danese dettò l’agenda della fisica del secolo. Il collega e amico Heisenberg fu chiamato da Hitler per fare l’atomica. Lui invece capeggiò il progetto Usa.
Cento anni fa, nel 1913, Niels Bohr, ventisettenne fisico danese, nonché portiere della squadra di calcio Akademisk Boldklub di Copenhagen, mandava alla rivista «Philosophical Magazine» un articolo destinato a diventare uno dei pilastri della fisica del Novecento. L’articolo aveva il titolo Sulla costituzione degli atomi e delle molecole, e descriveva in dettaglio quell’immagine dell’atomo che oggi è familiare a tutti noi: un nucleo centrale pesante e molto piccolo, attorno al quale orbitano a diverse distanze gli elettroni, come pianeti di un minuscolo sistema solare.
L’articolo proponeva la strana idea che gli elettroni non potessero ruotare intorno al nucleo a distanze arbitrarie, ma dovessero solo muoversi su certe orbite particolari, caratterizzate da particolari energie. Questa restrizione non ha alcun senso nella meccanica Newtoniana, e Bohr era consapevole di stare di fatto proponendo un’ipotesi che contraddiceva la fisica di allora. Da più di due secoli la fisica Newtoniana non faceva che trionfare, e suggerire che per capire gli atomi si dovesse cambiarla era una mossa ardita. C’erano stati due precedenti. Il primo, sostanzialmente inconsapevole, nei 1900, quando il fisico austriaco Max Planck era riuscito a scrivere una formula che descriveva molto bene la radiazione emessa da un corpo caldo introducendo una nuova costante, oggi chiamata la costante di Planck, il cui significato appariva piuttosto misterioso. Il secondo, visionario, dovuto al genio del giovanissimo Einstein, che nel 1905, per spiegare certi comportamenti della luce, ipotizza che la luce non sia un’onda ma sia uno sciame di corpuscoli, oggi li chiamiamo i fotoni, la cui energia può prendere solo certi valori, determinati appunto dalla costante di Planck.
Oggi diciamo che l’energia è fatta da «quanti di energia», pacchetti di energia. L’idea di Einstein non fu presa sul serio da nessuno, tutti erano convinti che la luce fosse solo e nient’altro che un’onda elettromagnetica, fino all’articolo di Bohr. Bohr riprende l’idea di Einstein che l’energia possa avere solo certi valori, determinati dalla costante di Planck, e la trasferisce dalla luce agli atomi: gli elettroni che orbitano in un atomo possono avere solo certe energie, determinate dalla costante di Planck. Facendo questa “strana assunzione”, Bohr riesce a calcolare il comportamento degli elettroni, e ritrovare in modo esatto tutti i risultati di una grande quantità di osservazioni sugli atomi che si erano accumulati negli anni precedenti. In altre parole, tutte le osservazioni fatte diventano comprensibili se solo si assume che l’energia esista in «quanti di energia», in pacchetti di energia. Ma l’esistenza di «quanti di energia» non ha alcun senso nella fisica di Newton.
Comprendere la natura di questi «quanti di energia», che appaiono regolare la natura alla scala atomica diventa allora, dal 1913, il problema fondamentale della micro fisica. Attorno a Bohr, a Copenhagen, si raccoglie pian piano uno straordinario insieme di giovani brillanti, che saranno quelli che faranno la fisica del secolo. Da Copenhagen passano tutti: dai grandi fisici russi come Landau e Bronstein, ai giovani americani che dopo la guerra saranno padri della fisica americana, come John Wheeler. Nel 1926, il giovanissimo Werner Heisenberg, da poco arrivato a Copenhagen dalla Germania, riuscirà con uno straordinario colpo d’ala a scrivere nuove equazioni che sostituiscono completamente la fisica di Newton: è la nascita della meccanica quantistica, oggi ancora la nostra teoria fondamentale sul mondo fisico.
Nei decenni successivi la meccanica quantistica diventa la base teorica non solo per la fisica atomica, ma anche per la fisica nucleare, la fisica delle particelle, la fisica della struttura della materia, l’astrofisica, e trova applicazioni innumerevoli che vanno dai laser ai semiconduttori che sono al cuore dei computer che hanno cambiato la nostra vita. Lungo tutto il percorso della nascita della teoria dei quanti, dalle prime intuizioni sulle orbite degli elettroni fino alle applicazioni nucleari, Niels Bohr resterà il padre e il grande pensatore di riferimento: è lui che passa le notti a parlare con il giovane Heisenberg nel parco di Copenhagen dietro all’istituto che oggi si chiama Istituto Bohr, per spiegargli cosa si capisce e cosa non si capisce ancora, e convincerlo a cercare le equazioni giuste.
È lui che comprende la stranezza concettuale della nuova teoria dove le onde sono anche corpuscoli e i corpuscoli sono anche onde. È a lui che si rivolge Einstein, che dopo essere stato il primo a comprendere che la fisica newtoniana andava superata e il primo a proporre i «quanti di luce», resta tuttavia incredulo e perplesso per la sconvolgente novità concettuale della teoria quantistica.
Il lungo dialogo sulla meccanica quantistica fra Einstein e Bohr, i due giganti della fisica del Novecento, continua fino alla fine della loro vita ed è un capitolo emozionante della storia della scienza, raccontato splendidamente in Quantum. Da Einstein a Bohr, la teoria dei quanti, una nuova idea della realtà di Manjit Kumar (Mondadori).
Durante la guerra la Danimarca è occupata dai Tedeschi. Bohr, danese, riceve l’inaspettata visita del suo migliore studente, Werner Heisenberg, il giovane che per primo ha risolto il problema dei quanti. Heisenberg, tedesco, raggiunge in treno e clandestinamente la Danimarca occupata, per avere una conversazione con il suo vecchio maestro. Il dialogo fra i due potrebbe avere avuto un effetto sulla storia stessa del mondo. Entrambi sono consapevoli che la nuova fisica quantistica può essere usata per costruire una nuova bomba di sconvolgente potenza. Anche Hitler se ne è reso conto, e vuole mettere Heisenberg alla testa di un centro di ricerca con il compito di sviluppare l’arma. Heisenberg e Bohr si parleranno a lungo quella notte, camminando in quello stesso parco dove parlavano di fisica quindici anni prima.
Su quel dialogo sono stati scritti libri ed è stato composto da Michael Frayn un emozionante dramma teatrale, Copenhagen. Il vecchio mentore e il giovane tedesco si lasceranno senza essersi capiti e conserveranno ricordi diversi di quella notte. Heisenberg andrà a dirigere il centro di ricerche di Hitler, ma non farà mai la bomba atomica. Dopo la guerra sosterrà di non averla fatta nella speranza che anche i fisici dall’altra parte del fronte facessero lo stesso, e all’umanità fosse risparmiata la devastazione atomica e il rischio continuo della catastrofe. Molti non gli crederanno.
Bohr, poco tempo dopo, sarà avvicinato, sempre in quel parco, da un signore che gli darà una spinta e poi si scuserà raccattando da terra una penna e dicendo «la sua penna, professore». Tornato a casa perplesso, Bohr smonterà la penna per trovarvi dentro un biglietto firmato da Winston Churchill, che gli chiede di accettare di essere rapito dai servizi segreti inglesi e fatto uscire clandestinamente dalla Danimarca occupata. Dopo avere attraversato avventurosamente la Manica su una barca, Bohr arriva in America, per partecipare al progetto Manhattan dove viene costruita la prima bomba atomica: non si poteva fare, senza il padre della meccanica quantistica.
Ma al progetto parteciperà poco e dopo la guerra prenderà posizione per il controllo degli armamenti. Come Einstein, che pure era stato strumentale per la partenza del progetto, il vecchio fisico europeo fa ormai parte di un’altra generazione.
L’atomo sistema planetario del 1913, con gli elettroni sulle orbite quantizzate, aveva aperto un’era nuova, l’era in cui oggi viviamo. Il sapere è potere, ma coloro che sviluppano il sapere, non sono coloro che gestiscono il potere.

Carlo Rovelli, Il Sole 24 ore – Domenica, 10 febbraio 2013

 

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