Prima di tutto, fornisco di seguito le 4 fonti assegnate per redigere il suddetto saggio breve o articolo di giornale all'esame di stato 2011:
1) "Due dati ci permettono di valutare l’importanza del campo di ricerca aperto da Enrico Fermi con il suo lavoro. Il primo riguarda i premi Nobel, una misura rozza ma efficace dell’importanza di un determinato settore della ricerca scientifica e dei progressi in esso conseguiti: più di dieci Nobel per la fisica sono stati attribuiti a scoperte relative alle interazioni deboli. Se Fermi non avesse ottenuto il Nobel per le sue ricerche sui neutroni ne avrebbe ben meritato uno per la scoperta delle interazioni deboli. Una seconda valutazione dell’importanza della scoperta di Enrico Fermi si può dedurre dal fatto che oltre la metà degli esperimenti attualmente in corso o in preparazione con acceleratori di particelle — al CERN di Ginevra, al Fermilab di Chicago, a Stanford come a Frascati come a Tsukuba in Giappone o a Novosibirsk in Russia — sono dedicati a studiare vari aspetti delle interazioni deboli. La stessa prevalenza degli studi sulle interazioni deboli si riscontra nei programmi sperimentali dei grandi laboratori sotterranei, come quello italiano del Gran Sasso, quello giapponese di Kamioka, ed altri ancora nel Canada e negli Stati Uniti. La teoria di Fermi delle interazioni deboli è ormai confluita nella più generale teoria delle particelle elementari che va sotto il nome di “Modello Standard”. [...] È però importante ricordare che la teoria di Fermi mantiene ancora oggi il suo valore, sia per la validità delle soluzioni proposte sia come stimolo per una serie di ricerche che hanno impegnato i fisici per quasi settant’anni, e che ancora li impegneranno nei decenni a venire. In questa teoria si riflette la grandezza di Fermi, la firma di un grande maestro."
Nicola CABIBBO, Le interazioni deboli, in Carlo BERNARDINI - Luisa BONOLIS (a cura di), Conoscere Fermi nel centenario della nascita 29 settembre 1901 - 2001, Editrice Compositori, Bologna 2001
2) "Enrico Fermi nasce a Roma nel 1901. La sua produzione scientifica inizia nel 1921 e termina con la sua morte nel 1954. All’inizio della sua attività, la fisica conosce due sole forze fondamentali della natura, la gravitazione e l’elettromagnetismo, e due sole particelle elementari costituenti la materia, i nuclei di idrogeno (protoni) e gli elettroni. A metà degli anni Cinquanta le forze fondamentali sono diventate quattro, con l’aggiunta delle interazioni nucleari forte e debole, e le particelle elementari note sono ormai una trentina. In poco meno di trent’anni la concezione della materia subisce un mutamento così radicale e inusitato da rendere tale periodo, per la rapidità e la quantità delle conoscenze acquisite, forse unico nella storia del pensiero scientifico occidentale. Le ricerche di Fermi segnarono profondamente questo trentennio, non solo per la quantità e l’importanza dei risultati ottenuti ma soprattutto per il loro ruolo storico. Esistono infatti traguardi scientifici di enorme valore che giungono al termine di lunghe e pazienti ricerche e che coronano un ben definito progetto iniziale, ma ci sono anche scoperte apparentemente meno straordinarie che obbligano a inattese risistemazioni del sapere acquisito, scardinano principî metodologici e conoscenze unanimemente accettate e imprimono alla ricerca direzioni nuove e del tutto impreviste. Nel suo itinerario di scienziato [...] Fermi raggiunse entrambi gli obiettivi."
Giuseppe BRUZZANITI, Enrico Fermi. Il genio obbediente, Einaudi, Torino 2007
3) "Dalla lettura dei giornali di qualche settimana fa avrai probabilmente capito a quale genere di lavoro ci siamo dedicati in questi ultimi anni. È stato un lavoro di notevole interesse scientifico e l’aver contribuito a troncare una guerra che minacciava di tirar avanti per mesi o per anni è stato indubbiamente motivo di una certa soddisfazione. Noi tutti speriamo che l’uso futuro di queste nuove invenzioni sia su base ragionevole e serva a qualche cosa di meglio che a rendere le relazioni internazionali ancora più difficili di quello che sono state fino ad ora. I giornali hanno pubblicato un certo numero di dettagli sul lavoro di questi ultimi anni e tali dettagli, naturalmente, non sono più segreti. Ti interesserà sapere, se non lo sai già dai giornali italiani, che verso la fine del 1942 abbiamo costruito a Chicago la prima macchina per produrre una reazione a catena con uranio e grafite. È diventato d’uso comune chiamare queste macchine «pile». Dopo la prima pila sperimentale molte altre ne sono state costruite di grande potenza. Dal punto di vista della fisica, come ti puoi immaginare, queste pile rappresentano una ideale sorgente di neutroni che abbiamo usato tra l’altro per molte esperienze di fisica nucleare e che probabilmente verranno usate ancora di più per questo scopo ora che la guerra è finita."
Lettera di Enrico Fermi a Edoardo Amaldi del 28 agosto 1945 (in Edoardo AMALDI, Da via Panisperna all’America, Editori Riuniti, Roma 1997)
4) "Vorrei discutere con voi la crisi che la scienza attraversa da due anni a questa parte. In larga misura questa crisi è dovuta all’improvvisa consapevolezza, di parte dell’opinione pubblica e del Governo, del tremendo ruolo che la Scienza può avere nelle cose umane. L’importanza di questo ruolo era già nota. Ma il drammatico impatto portato dalla costruzione della bomba atomica lo ha portato nella pubblica consapevolezza in maniera così vivida che gli scienziati si sono trovati, inaspettatamente e talora contro la propria volontà, ad essere sotto i riflettori [...] C’è una grande penuria di uomini di scienza ben preparati [...] Ora le iscrizioni di studenti nei dipartimenti scientifici sono tornate a essere abbondanti. Spero che ben pochi di questi studenti siano attratti dal nuovo fascino che la scienza ha acquistato. La professione del ricercatore deve tornare alla sua tradizione di ricerca per l’amore di scoprire nuove verità. Poiché in tutte le direzioni siamo circondati dall’ignoto e la vocazione dell’uomo di scienza è di spostare in avanti le frontiere della nostra conoscenza in tutte le direzioni, non solo in quelle che promettono più immediati compensi o applausi."
Discorso tenuto da Enrico Fermi nel 1947 (in Giulio MALTESE, Ritorno a Chicago: Enrico Fermi e la nascita della fisica delle alte energie nel secondo dopoguerra (1946-1954), in Atti del XXI Congresso Nazionale di Storia della Fisica e dell’Astronomia, Dipartimento di Fisica, Università della Calabria, Arcavacata di Rende (CS), 6, 7 e 8 giugno 2001)
COMMENTO ALLE FONTI FORNITE ALLO STUDENTE
A mio giudizio, le fonti fornite allo studente per redarre il saggio breve su Fermi sono sufficienti solo nel caso in cui esso abbia buone conoscenze dei principi fondamentali della fisica moderna e conosca almeno i tratti salienti della biografia e delle scoperte di Fermi.
Il tema proposto può essere svolto in maniera accurata, dunque, solamente da chi è appassionato di fisica e di materie scientifiche in generale, o comunque abbia una preparazione adeguata in tali discipline.
Ad esempio, il saggio non si può svolgere se non si è a conoscenza di cosa siano le interazioni deboli, visto che nelle fonti fornite non c'è alcuna spiegazione di cosa siano esattamente.
Vengono citati il perché la teoria sulle interazioni deboli sia una scoperta fondamentale di Fermi, per la quale avrebbe meritato un secondo Nobel per la fisica, e il fatto che essa fa parte del più onnicomprensivo Modello Standard.
Si può pertanto affermare che si trattava di un saggio dalla tematica estremamente interessante ma purtroppo destinato a pochi studenti.
Tra l'altro, nella scuola italiana, molto spesso la fisica moderna non si arriva nemmeno a svolgerla nel programma o nel migliore dei casi viene parzialmente accennata.
PREMESSA
In questo contesto ho intenzione di risvolgere il saggio su Enrico Fermi, ma, questa volta, senza limitazioni di tempo, spazio e fonti e soprattutto con la possibilità di introdurre leggi matematiche rigorose a supporto della descrizione!
Perchè il titolo del saggio è "Il lato noto e ignoto di Enrico Fermi"?
Ho scelto tale titolo in quanto le 4 fonti riportate sopra forniscono 2 aspetti chiave delle ricerche di Fermi:
1) la fissione nucleare: l'aspetto noto, che bene o male, tutti quanti conoscono;
2) le interazioni deboli: un aspetto ignoto, ossia noto solamente agli addetti ai lavori o agli appassionati di fisica e scienze in generale.
In mezzo a queste 2 tematiche se ne inserisce una terza: il vero ruolo della scienza.
Infatti, il tema nucleare porta Fermi a discutere su cosa debba fare effettivamente la scienza e a biasimare, per certi versi, le ricerche che hanno portato a distruzioni di massa (basti pensare a Hiroshima e Nagasaki) o ad un intensificarsi del clima di tensione internazionale (guerra fredda).
Vi auguro pertanto una buona lettura!
IL LATO NOTO E IGNOTO DI ENRICO FERMI
Le ricerche sulla fissione nucleare e gli studi sull'interazione debole
Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre 1901 da genitori di origine piacentina.
Sin da giovane si appassiona alla matematica e alla fisica, arrivando ad acquistare un imponente trattato di fisica matematica in 2 volumi di circa 900 pagine scritto dal gesuita professore Andrea Caraffa, avente titolo: Elementorum Physicae Mathematicae.
Pertanto, Fermi, ancora adolescente, già studia a fondo argomenti di matematica e fisica inusuali per i ragazzi della sua età.
Infatti, negli anni in cui Fermi frequenta il liceo, mediante l'appoggio dell'ingegner Adolfo Amidei, amico e collega del padre, appassionato di matematica e fisica, egli comincia uno studio estremamente approfondito delle suddette discipline.
L'ingegnere, avendo riscontrato le singolari capacità del ragazzo, non ci ha pensato due volte a fornirgli trattati matematici di livello universatario, da cui Fermi apprese, fra i 14 e i 17 anni, settori della matematica tra cui:
- geometria analitica;
- geometria proiettiva;
- analisi algebrica;
- calcolo differenziale e integrale;
- meccanica razionale.
Egli, per l'esame di ammissione alla Normale, scrive un tema, conservato ancora negli archivi della scuola, dal titolo Caratteri distintivi dei suoni e loro cause, nel quale sfoggia non una conoscenza liceale, bensì universitaria, tanto da partire dall'equazione differenziale della verga (una lamina/sbarra) vibrante e risolverla tramite lo sviluppo in serie di Fourier!
Stacchiamoci allora per un momento da Fermi e andiamo a vedere cos'è una serie di Fourier e soprattutto chi è Fourier!
Joseph Fourier (1768-1830), figlio di un sarto di Auxerre, fu educato in un collegio dell'Ordine dei Benedettini, visto che per un certo tempo aveva avuto intenzione di vestire l'abito di quell'ordine.
Tuttavia, alla fine, divenne insegnante di matematica, prima nella scuola militare della città natale e successivamente all'École Normale e all'École Polytechnique.
Egli è famoso soprattutto per la sua nota opera Théorie analytique de la chaleur ("teoria analitica del calore") del 1822.
La suddetta opera, definita da Lord Kelvin come "un grande poema matematico", sviluppava sistematicamente alcune idee e intuizioni che 10 anni prima gli avevano consentito di vincere il premio bandito dall'Académie per un saggio sulla teoria matematica del calore.
Lagrange, Laplace e Legendre, che componevano la commissione giudicatrice, avevano criticato il saggio di Fourier per lo scarso rigore delle argomentazioni.
Gli sforzi che Fourier fece successivamente per cercare di chiarificare e rendere rigorose le proprie idee ci fanno comprendere il motivo per cui il XIX secolo sia stato definito "l'età del rigore" per la matematica.
Il contributo fondamentale di Fourier è dato dall'idea, già presente nella mente di un altro importante studioso Daniel Bernoulli, diventata in seguito un concetto chiave della matematica, che qualsiasi funzione y = f(x) può essere rappresentata tramite una serie di questa forma:
Tale espressione è appunto la serie di Fourier.
Tale rappresentazione ci permette di studiare numerosi tipi di funzioni.
Infatti, anche se in molti punti non esista la derivata o la funzione non risulti continua, la funzione potrà sempre essere sviluppabile in una serie di Fourier.
Lo sviluppo in serie può essere facilmente trovato considerando che:
Dopo questo breve excursus squisitamente matematico, ritorniamo al nostro Enrico Fermi.
Lo avevamo lasciato alle prese con il test d'ammissione alla Normale di Pisa, che passò brillantemente!
La produzione scientifica di Fermi comincia nel 1921 e il 4 luglio 1922 egli discute la sua tesi sulla diffrazione dei raggi X, laurendosi magna cum laude.
Fermi, successivamente, fonda a Roma il noto gruppo dei ragazzi di via Panisperna, comprendente scienziati del calibro di Edoardo Amaldi ed Ettore Majorana, giovane dotato di un talento straordinario nel campo della matematica, scomparso poi misteriosamente nel 1938.
Gli studi di tale squadra di promettenti fisici erano rivolti soprattutto alla fisica nucleare.
Fermi vince il premio Nobel per la fisica nel 1938 proprio per le scoperte relative alle reazioni di fissione nucleare tramite i neutroni lenti!
Per una descrizione dettagliata di tali argomenti vi rimando all'articolo "Reazioni Nucleari".
Ricordando che Fermi, insieme ad alcuni suoi colleghi, realizzò il primo reattore a fissione nucleare (la cosiddetta "pila") nel 1942 all'Università di Chicago (infatti, Fermi dal 1938 aveva deciso di abbandonare l'Italia e di sciogliere quindi il gruppo dei ragazzi di via Panisperna), vorrei adesso soffermarmi sull'aspetto più negativo degli studi sulle reazioni nucleari, ossia sullo sviluppo della famigerata bomba atomica.
Il meccanismo della bomba atomica è praticamente uguale a quello dei reattori a fissione, con l'unica differenza che mentre la prima libera un'imponente quantità di energia immediatamente, le centrali nucleari rilasciano questa energia più lentamente nel corso del tempo.
La realizzazione della bomba atomica e l'utilizzo di essa sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki aveva mostrato il potere distruttivo che la scienza può avere.
Ma il ruolo della scienza è quello di sviluppare armi di distruzione di massa oppure migliorare le condizioni di vita dell'umanità e scoprire i segreti dell'Universo?
Riscontriamo che lo stesso Fermi, nella lettera ad Edoardo Amaldi del 28 agosto 1945, auspica affinché lo sviluppo prossimo della scienza "serva a qualcosa di meglio che a rendere le relazioni internazionali ancora più difficili di quello che sono state fino ad ora".
Ricordiamo che, a seguito della Seconda guerra mondiale, proprio la tematica bombe atomiche scatenerà il periodo di "Guerra Fredda" (guerra di carattere prettamente psicologico e strategico, giocata proprio sul possedimento di ordigni nucleari che in qualsiasi istante potevano recare danni inimmaginabili a destinazione), che si era delineato a causa della contrapposizione fra le 2 superpotenze vincitrici, non altri che gli Stati Uniti e l'Unione Sovietica.
Negli anni '60, poi, si arriverà a una sorta di "coesistenza pacifica" per mano del presidente degli Stati Uniti John Fitzgerald Kennedy e del capo dell'Unione Sovietica Nikita Kruscev, i quali si resero conto che una guerra nucleare non avrebbe comportato la sconfitta di una nazione e la vittoria di un'altra, bensì la totale distruzione del mondo, l'Armageddon!
Nessuno avrebbe avuto via di scampo, in quanto le radiazioni nucleari si diffondono per lunghe distanze e permangono per tanto, tantissimo tempo (si pensi al Giappone!).
Dunque, tale confronto tra le 2 superpotenze si spostò dal piano militare a quello di sviluppo economico e tecnologico (ricordiamo la "sfida" su chi avrebbe messo per primo piede sulla Luna"), anche se delle guerre vere e proprie si manifestarono in regioni periferiche come la Corea e il Vietnam.
Ritornando al nostro racconto, Fermi, in un discorso tenuto nel 1947, parla di una "crisi che la scienza attraversa da 2 anni a questa parte", dovuta soprattutto, a detta sua, "dal tremendo ruolo che la Scienza può avere nelle cose umane".
Egli pone in evidenza il fatto che questo ruolo "negativo" della scienza non era noto finché non si è manifestato nella maniera più tragica con la bomba atomica.
Ma purtroppo anche esso sussiste, soprattutto nel caso in cui la scienza si faccia condizionare dalla politica!
Fermi si auspica pertanto che le nuove generazioni di scienziati non siano attirate "dal fascino che la scienza ha acquistato" in quei tempi, ma inseguino, al contrario, il vero amore per la scienza, ossia un amore per la ricerca di nuove verità, la risoluzione di misteri inerenti l'Universo che ci circonda e non per la guerra o altri misfatti che un cattivo utilizzo della scienza può comportare!
Ma se questo era il lato noto al grande pubblico di Enrico Fermi, cioè la ricerca sul nucleare, tema ancora oggi al centro di accesi e infuocati dibattiti, qual'è il lato ignoto, quello noto solo agli addetti ai lavori, quello che ci evidenziano alcune fonti riportate?
Stiamo parlando della ricerca sulle interazioni deboli!
Come afferma Nicola Cabibbo nell'opera Conoscere Fermi, "più di 10 Nobel per la fisica sono stati attribuiti a scoperte relative alle interazioni deboli; se Fermi non avesse ottenuto il Nobel per le sue ricerche sui neutroni ne avrebbe ben meritato uno per la scoperta delle interazioni deboli".
Ma cosa sono le interazioni deboli?
Esse rappresentano una delle 4 forze (o interazioni) fondamentali della natura, insieme a quella gravitazionale, elettromagnetica e nucleare forte.
Giuseppe Bruzzaniti nell'opera Enrico Fermi, Il genio obbediente, ci specifica che all'inizio dell'attività di Fermi, "la fisica conosce 2 sole forze fondamentali, la gravitazione e l'elettromagnetismo". Tuttavia, "a metà degli anni '50 le forze fondamentali sono diventate 4" e sono state scoperte diverse decine di particelle che compongono la materia!
Il concetto antico di atomo (risalente a Democrito di Abdera) visto come un'entità indivisibile è stato di gran lunga superato!
Per questo motivo "in poco meno di 30 anni la concezione della materia subisce un mutamento così radicale e inusitato da rendere tale periodo, per la rapidità e la quantità delle conoscenze acquisite, forse unico nella storia del pensiero scientifico occidentale".
Ricordiamo che, negli anni '70, la forza elettromagnetica e quella nucleare debole sono state unificate nell'interazione elettrodebole.
Inoltre, all'inizio dell'Universo, pochi attimi dopo il Big Bang, presumibilmente le 4 interazioni erano assemblate insieme in un'unica "superforza", che successivamente si è divisa nelle sopracitate 4 forze.
Nello specifico la forza nucleare debole (quella che ci interessa in tale contesto!):
- agisce sia sui quark che sui leptoni;
- interviene nel decadimento beta dei nuclei atomici. Il decadimento beta coinvolge i nuclei attraverso i suoi componenti, i neutroni e i protoni, e si svolge con 2 modalità:
2) decadimento beta più (β+), in cui il protone decade mutandosi in un neutrone ed emettendo un positrone: p → n + e+
- ha un ruolo significativo anche nelle reazioni di fusione nucleare che sussistono nel Sole e nelle altre stelle.
In analogia con la forza elettromagnetica, Fermi descrive il processo debole come un'interazione puntiforme di 4 fermioni, con costante di accoppiamento G, chiamata costante di Fermi. Le transizioni delle particelle sono descritte in termini di correnti vettoriali, alla stregua di come avviene per l'elettromagnetismo, con la differenza che nel caso debole esse hanno una variazione di carica elettrica. La costante G non è adimensionale ma possiede le dimensioni di [energia]-2.
Andiamo ad osservare però la prospettiva storica di questa scoperta.
Nell'ottobre 1933, a Bruxelles, Fermi prese parte al settimo Congresso Solvay, al quale vi parteciparono tutti i più importanti fisici nucleari del mondo, da Chadwick a Blackett, da Rutherford a Lise Meitner, dai coniugi Joliot-Curie a Ernest Lawrence, e alcuni fisici teorici che avevano contribuito allo sviluppo della Meccanica Quantistica come Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac e Gamow.
In tale occasione Wofgang Pauli presentò (nuovamente) la sua idea sull'esistenza del neutrino, che accese diverse discussioni.
Stimolato proprio dalle discussioni al congresso di Bruxelles, in meno di 2 mesi Fermi completò il suo lavoro sulla teoria del decadimento beta, pubblicato col titolo Tentativo di una teoria dei raggi β.
Nella sua teoria Fermi riprese la supposizione di Pauli sull'esistenza del neutrino (particella con massa nulla ed elettricamente neutra) e utilizzò l'idea che protone e neutrone fossero 2 stati differenti dello stesso "oggetto fondamentale", ma aggiunse un'ipotesi radicale per spiegare la provenienza dell'elettrone emesso nel decadimento beta: quest'ultimo non preesisteva nel nucleo prima di essere espulso, bensì veniva generato, assieme al neutrino, nel processo di decadimento inerente la trasformazione di un neutrone in un protone.
Per mettere a punto la teoria di un processo come il decadimento β in cui il numero di particelle leggere (neutrino ed elettrone) non si conserva, Fermi fece ricorso ad un formalismo elaborato precedentemente da Dirac nella sua teoria quantistica della radiazione relativa all'interazione dell'elettrone con il campo elettromagnetico.
La teoria di Dirac sfruttava i cosiddetti "operatori di creazione e distruzione", che consentivano di descrivere in maniera rigorosa processi in cui vi sono particelle (nel caso di Dirac, le coppie elettrone-positrone) che vengono create, o annichilite, nell'interazione con il campo.
Fermi trasferì il formalismo di Dirac all'interazione responsabile del decadimento radioattivo: allo stesso modo in cui l'interazione elettromagnetica produce la conversione di un fotone in una coppia elettrone-positrone (o, in modo simmetrico, la loro annichilazione, ossia la scomparsa di una coppia con la contemporanea creazione di un fotone), così l'interazione debole (o interazione di Fermi) è responsabile della trasformazione di un neutrone in protone (o viceversa) accompagnata dalla generazione di un elettrone (o positrone) e un neutrino.
La probabilità con cui il processo avviene e le modalità secondo cui si svolge dipendono dalle proprietà dell'interazione responsabile, e queste possono essere riassunte in una grandezza, la cosiddetta funzione Hamiltoniana.
In generale, nel decadimento beta il numero di massa A non cambia, mentre il numero dei protoni Z aumenta di un'unità nel decadimento beta meno e diminuisce di un'unità nel decadimento beta più.
Pertanto, Fermi ha dato un grande scossone alla fisica moderna con le sue intuizioni, tanto che oggi si è delineato il famoso Modello Standard, teoria che descrive tutte le particelle e tutte le forze fondamentali, tranne la gravità.
Per quest'ultima, è stata ipotizzata una particella mediatrice di forza, il cosiddetto gravitone, che tuttavia, non è stato ancora rinvenuto in alcun esperimento con gli acceleratori di particelle!
Quindi, pur essendo una teoria molto preziosa per spiegare la natura delle forze fondamentali e le particelle, essa non risulta completa!
In altre parole, non sussiste ancora l'unificazione tra le forze che il Modello Standard riesce a spiegare (elettromagnetica, nucleare forte e debole) attraverso la Meccanica Quantistica e quella che invece, anche essendo la più nota al grande pubblico, è la più sfuggente: la gravità, descritta dalla Relatività Generale di Einstein.
Inoltre, c'è un altro problema che va a minare il Modello Standard: non riesce a spiegare perché le particelle in esso descritte hanno proprio quei valori precisi di massa e carica elettrica che conosciamo.
Per ovviare a questo inconveniente, si cerca disperatamente il celebre "Bosone di Higgs", denominata "Particella di Dio", quella particella, in quanto portatrice di forza del Campo di Higgs, il cui compito sarebbe conferire la massa alle particelle.
Ma questa è un altra storia!
Bene, dopo questo viaggio esplorativo nella vita di Fermi e nelle numerose implicazioni scientifiche a lui annesse, vi propongo per un ulteriore approfondimento alcuni video molto interessanti inerenti la sua vita, le sue scoperte e così via.
Particolarmente significativo risulta il primo filmato proposto, che ci fa vedere anche la figura del giovane genio Ettore Majorana alle prese con una sfida matematica proprio con Fermi stesso!
Buona visione!