Enrico Fermi e la scuola di

Via Panisperna

Mussolini non risulta tanto interessato alle scoperte scientifiche quanto, invece, all’immagine che l’Italia ne può trarre all’estero. Il fascismo, quindi, promuove anche la ricerca scientifica e l’istituzione scientifica italiana più importante è quella della scuola romana di Via Panisperna. Essa fu creata da Enrico Fermi e ruota attorno alla sua presenza. Quando, infatti, nel 1938 il fascismo inizia a declinare, anche gli aiuti economici alla scuola vengono negati. Inoltre, a causa delle leggi razziali in Italia, Fermi è costretto ad emigrare negli Stati Uniti dove affronterà studi di livello superiore e di importanza mondiale.

La fisica italiana potrà rinascere solo nel dopoguerra grazie all’aiuto di Amaldi.

 Il periodo italiano di Fermi.

Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre del 1901. Nel 1920 Fermi ha già studiato a fondo la teoria di Lorentz, la relatività ristretta, la teoria del corpo nero, i primi lavori di Bohr sullo spettro dell ’idrogeno, ed è già considerato da tutti l’autorità indiscussa sulla teoria quantistica di Bohr-Sommerfeld, di cui è sostenitore. Dopo lo studio della meccanica quantistica, Fermi si dedica a fondo alla relatività e nel corso del terzo anno di università pubblica i suoi primi lavori sui problemi di elettromagnetismo: “Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio”, e “Sull’elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e sul peso delle masse elettromagnetiche”.

 Il suo metodo di studio si basava sul considerare i dati di un determinato problema, elaborarli e poi confrontare i suoi risultati con quelli ottenuti dagli autori dei saggi.

Fermi introduce un sistema di coordinate spazio-temporali (le cosiddette coordinate di Fermi) particolarmente adatto per seguire l’evoluzione temporale di fenomeni che avvengono in una piccola regione di spazio. Dopo aver sottolineato le potenziali quantità di energia contenute in un grammo di materia in base alla relazione , Fermi sostiene che:

“Non appare possibile che, almeno in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste spaventose quantità di energia,cosa del resto che non si può che augurarsi, perché l’esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovare il modo di produrla.”

Fermi non ha tra i fisici italiani interlocutori competenti con cui discutere delle sue ricerche sulla meccanica quantistica e sulla teoria della relatività: solo all’estero conoscerà scienziati come Lorentz, Einstein e Pauli. Tornato a Roma, Fermi scrive una breve memoria dal titolo “Sulla probabilità degli stati quantici” che può essere considerata il suo primo contributo importante alla meccanica quantistica.

Nel 1924 arriva a porsi il problema della ricerca di un “principio mancante” per spiegare il comportamento di particelle identiche che obbediscono alle condizioni della meccanica quantistica di Bohr-Sommerfeld e in particolare per spiegare l’annullarsi dell’entropia allo zero assoluto.

Almeno due anni prima di scrivere il suo famoso lavoro sulla statistica del gas ideale Fermi anticipa senza saperlo il principio di Pauli scrivendo “Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono degli elementi identici”. Non appena il “principio di esclusione ” verrà enunciato da Pauli (gennaio 1925), egli ne comprenderà immediatamente le ragioni profonde che giustificano la sua statistica, a cui arriverà appunto partendo da basi diverse e da un punto di vista relativamente indipendente dallo sviluppo della nuova meccanica quantistica il 2 luglio dello stesso anno.

Nel 1925 vengono pubblicati i due fondamentali lavori di Einstein sulla statistica quantistica dei gas. Nell’estate dello stesso anno Heisenberg, Born e Jordan gettano le basi della nuova meccanica quantistica che Fermi non riesce ad apprezzare trovando la formulazione troppo astratta.

 E. Fermi, 1926

Nel 1926 vince la cattedra di fisica teorica all’Università di Roma e pubblica l’articolo “Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico”. Fermi si rende conto di possedere tutti gli elementi per formulare una teoria del gas ideale. L ’importanza della statistica di Fermi per gli elettroni in un metallo viene messa in luce da un articolo di Pauli di poco successivo (10 febbraio 1927), in cui, in onore di Fermi, tutte le particelle che obbediscono a questo tipo di statistica, come gli elettroni, i protoni e i neutroni, vengono attualmente chiamate fermioni.

Nel 1927 dopo aver sviluppato la statistica di un gas di particelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, Fermi crea un metodo statistico per la determinazione di alcune proprietà dell’atomo, oggi noto come metodo di Thomas-Fermi per l’interpretazione del comportamento degli elettroni nei metalli, assolutamente inspiegabile in base alle teorie classiche. Lo stesso Fermi mette in evidenza come, a questo punto, sia ormai del tutto chiaro che esistono due tipi di particelle: quelle che obbediscono alla statistica di Bose-Einstein, come nel caso dei quanti di luce (attualmente chiamate bosoni) e quelle che obbediscono al principio di esclusione di Pauli, come gli elettroni e i protoni (attualmente chiamate fermioni) e che seguono appunto la statistica di Fermi.

E. Fermi, N. Carrara, F. Rasetti e R. Brunetti (1925).

 A Roma Fermi forma un gruppo di studiosi (tra cui Corbino, Rasetti, Pontecorvo) e di studenti (tra i quali Segrè, Amaldi e Majorana): nasce la “scuola di via Panisperna”. I membri del gruppo di Roma iniziano a fare lunghi soggiorni presso i maggiori centri di ricerca all’estero per acquisire conoscenze relative a tecniche sperimentali allora sconosciute in Italia (metodi del tipo “fai da te” che sono caratteristici del modo di lavorare di Fermi, sia a livello teorico che sperimentale).

Fino alla scoperta del neutrone, all’inizio del 1932, si continuerà a ritenere che i nuclei di tutti gli elementi siano composti di protoni e elettroni, sebbene ipotesi sull’esistenza di una particella neutra pesante fossero state avanzate da Rutherford già nel 1920. Questa ipotesi presa seriamente in considerazione da Bohr. Pauli pensa che Bohr è su una strada completamente sbagliata” e propone che insieme all’elettrone vengano emesse una o più particelle neutre, che saranno dette (su proposta di Fermi) “neutrini ”: in ogni disintegrazione l ’energia liberata nel processo si ripartisce tra elettrone e neutrino in modo che l’energia dell’elettrone possa assumere tutti i valori da zero fino a un certo massimo. Questa ipotesi viene formulata informalmente da Pauli in una lettera scritta il 4 dicembre 1930. Proprio per fare il punto sulle questioni ancora irrisolte in fisica nucleare Fermi ha l’idea di organizzare un Congresso internazionale di fisica nucleare, che si tiene a Roma dall’11 al 17 ottobre del 1931, di enorme importanza scientifica.

In questa occasione Pauli avanza di nuovo l’ipotesi dell’esistenza di una nuova particella neutra, leggera e molto penetrante per salvare il principio della conservazione dell’energia nel decadimento a. Tuttavia è ancora una ipotesi abbastanza vaga e in ogni caso non esiste ancora una teoria formale del processo di decadimento a. Due mesi dopo Fermi completa il suo celebre lavoro: “Tentativo di una teoria dei raggi a”, in cui applica la teoria quantistica dei campi alla radioattività a. In questo modo Fermi apre un nuovo campo della fisica delle particelle elementari, la fisica delle interazioni deboli. Fermi intuisce immediatamente che i neutroni possono essere validamente utilizzati come proiettili per indurre la radioattività artificiale: in poco tempo vengono irradiati con neutroni una sessantina di elementi e in almeno quaranta di questi vengono scoperti, e spesso identificati, nuovi elementi radioattivi. Nel marzo 1934 esce l’articolo “Radioattività provocata da bombardamento di neutroni”, il primo di una lunga serie di lavori che vedranno Fermi protagonista, insieme al suo gruppo, di un filone di ricerca i cui esiti sono per ora assolutamente insospettati. I risultati ottenuti dal gruppo dei “ragazzi di via Panisperna” dimostrano tutti i vantaggi del lavoro d’equipe, introdotto per la prima volta proprio a Roma.

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“I Ragazzi di Via Panisperna” 1934 (O. D’Agostino, E. Segr`e, E. Amaldi, F. Rasetti e E. Fermi).

Il 24 aprile Ernest Rutherford, si complimenta con Fermi per il successo degli esperimenti: “Mi congratulo con lei per il successo della sua fuga dalla sfera della fisica teorica. Sembra proprio che lei abbia trovato una buona linea di ricerca per cominciare”. Nel procedere con il bombardamento sistematico, Fermi e il suo gruppo, arrivano a irradiare l’uranio. Nel 1935 Amaldi e Fermi in particolare eseguono ricerche sulle proprietà dei neutroni lenti.

Intanto in Germania è in pieno sviluppo la politica di persecuzione degli oppositori e delle minoranze etniche e l’espansionismo di Hitler fa pesare sull’Europa la prospettiva di un conflitto generale, mentre l’Italia, con aspirazioni colonialiste, si prepara alla guerra d’Etiopia e viene perciò isolata dalla Società delle Nazioni con alcune sanzioni. Tutti i membri dell’Istituto avvertono improvvisamente la fine di un’epoca e in effetti la situazione politica, che si sta deteriorando rapidamente, fa presagire la catastrofe imminente. Nel frattempo Fermi riesce a far approvare insieme a Domenico Marotta, direttore dell’Istituto di Sanità Pubblica, una proposta per realizzare un acceleratore in grado di accelerare particelle fino ad un’energia di un milione di volt. Ormai si stanno diffondendo nei maggiori laboratori acceleratori che permettono di disporre di sorgenti artificiali di neutroni, molto più intense rispetto a quelle fino a quel momento utilizzate a Roma. Nel frattempo l’Istituto di Fisica che si è trasferito da via Panisperna alla nuova città universitaria. Nel gennaio dello stesso anno Fermi presenta al CNR una dettagliata proposta per la costituzione di un Istituto Nazionale di Radioattività, nella quale fa notare come l’Italia, che fino a quel momento ha avuto una posizione preminente in questo campo di ricerca, stia perdendo decisamente terreno rispetto ai laboratori dotati di macchine acceleratrici: “E’ chiaro come queste circostanze rendano vano pensare a un’efficace concorrenza con l’estero, se anche in Italia non si trova il modo di organizzare le ricerche su un piano adeguato”. Ma nel luglio 1937 muore Guglielmo Marconi, che nella sua veste di presidente del CNR e dell’Accademia d’Italia era stato un valido sostenitore del gruppo, nonostante le sue numerose richieste per ottenere fondi per la ricerca non fossero del tutto in consonanza con l’idea che Mussolini aveva riguardo al ruolo della scienza nello Stato fascista. Ecco cosa scriveva il Duce a un suo aiutante già nel 1930: “Le rimetto questa doglianza che mi è stata consegnata da S.E.Marconi, Pres. del CNR , nonché dell’Accademia d’Italia. Credo che gli si possono dare 570.000 lire dal fondo delle spese impreviste e non un soldo di più. Salvo a vedere se questo Consiglio debba ancora funzionare ”.

Nel maggio del 1938 il CNR respinge definitivamente la proposta di Fermi per l’Istituto Nazionale di Radioattività adducendo la limitata disponibilità di fondi e poco dopo gli assegna un contributo che Fermi giudica del tutto insufficiente per realizzare qualsiasi progetto. E’ evidente ormai che la più importante istituzione scientifica italiana non è in grado di mettere a disposizione di Fermi e dei suoi collaboratori i mezzi necessari per proseguire ricerche che possano competere con quelle portate ormai avanti nei laboratori più avanzati.

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Consiglio di Presidenza del CNR, 1931.

Nel frattempo la situazione politica sta precipitando. In luglio inizia anche in Italia la campagna antisemita con la pubblicazione del Manifesto della Razza. Nei mesi successivi vengono promulgate le leggi razziali: comincia l’espulsione degli ebrei da tutti gli impieghi statali, dalle università e dalle accademie, oltre all’esclusione degli allievi ebrei dalle scuole pubbliche. La moglie di Fermi, Laura Capon, è ebrea e all’inizio di settembre i coniugi Fermi decidono di emigrare. Il 10 novembre Fermi riceve l’annuncio ufficiale del conferimento del premio Nobel, “Per aver dimostrato l’esistenza di nuovi elementi radioattivi prodotti dall’irradiazione mediante neutroni e per la scoperta, legata alla precedente, delle reazioni nucleari indotte da neutroni lenti”, e decide di proseguire direttamente per gli Stati Uniti dopo il soggiorno a Stoccolma per la cerimonia di conferimento del premio il 10 dicembre.

Il periodo statunitense di Fermi

Siamo nel 1939: Fermi arriva a New York il 2 gennaio e molto presto viene a conoscenza della scoperta della fissione dell’uranio. Nel corso della VI Conferenza di Fisica Teorica tenuta a Washington il 26 gennaio ‘39, Fermi avanza l’ipotesi che in una reazione così violenta i nuclei possano emettere neutroni i quali, a loro volta, sarebbero in grado di provocare una nuova fissione.Una dimostrazione del processo di fissione viene organizzata per i partecipanti al convegno che si chiedevano, soprattutto, se venivano emessi neutroni nella fissione dell’uranio e se si poteva fare in modo che questi neutroni producessero ulteriori fissioni. Fermi insiste sulla necessità di effettuare misure quantitative si concentra sul problema dell’emissione di neutroni. Nel 1940 il reattore nucleare, viene chiamato pila, termine che si riferisce alla catasta di blocchetti di grafite all’interno della quale viene inserito l’uranio.

Nel frattempo sotto la pressione dell’avanzata di Hitler in Europa, Roosevelt istituisce il National Defense Research Commitee (NDRC) con il compito di coordinare le ricerche connesse con i problemi della difesa e organizzare la mobilitazione della comunità scientifica a scopi bellici. Fino all’estate 1941 le ricerche si focalizzano intorno alla possibilità di utilizzare la reazione a catena per la produzione di energia, piuttosto che per la produzione di un ordigno nucleare. Ma il 1941 finisce con l’attacco dei giapponesi su Pearl Harbour il 7 dicembre e l’entrata in guerra degli Stati Uniti determina la decisione di accelerare al massimo gli sforzi di ricerca per realizzare un ordigno nucleare sia sul piano finanziario sia sul piano scientifico. Fermi si trasferisce a Chicago presso il Metallurgical Laboratory dove inizia la costruzione di un reattore nucleare a uranio naturale e grafite di cui Fermi assume la direzione scientifica. Nel mese di giugno il presidente Roosevelt decide di procedere con un programma su vasta scala finalizzato alla costruzione di bombe a fissione e affida all’esercito la direzione di quello che verrà chiamato il Progetto Manhattan.

Nella primavera del 1945 più di duemila persone lavorano ad esso. Fermi ha il ruolo di superconsulente. Dopo la resa della Germania, avvenuta l’8 maggio dello stesso anno, gli scienziati impegnati nel Progetto Manhattan sono costretti a porsi concretamente l’interrogativo sull’utilità di un impiego militare degli ordigni nucleari in costruzione. Nei giorni immediatamente successivi alla fine della guerra con la Germania si forma un comitato formato da vari scienziati del Metallurgical Laboratory di Chicago, che sconsiglia apertamente “l’uso delle bombe nucleari per un attacco precoce contro il Giappone” e si insisteva che fosse data una dimostrazione della bomba atomica ai capi giapponesi in una zona disabitata, prima di farne uso militare per sensibilizzare le massime autorità dello Stato e gli altri scienziati, ma il 6 e il 9 agosto una bomba all’uranio e una bomba al plutonio vengono sganciate rispettivamente sulle città giapponesi di Hiroshima e Nagasaki. A partire dall’autunno del 1945 molti scienziati che avevano lavorato al Progetto Manhattan si mobilitano per sottrarre ai militari il programma statunitense di sviluppo dell’energia atomica e per indirizzare le ricerche sulla nuova fonte di energia verso scopi pacifici e socialmente utili. Fermi prende immediatamente posizione sulla questione dell’abolizione del segreto militare, una condizione che considera fondamentale per uno sviluppo della ricerca scientifica basato sulla libera circolazione di idee. Intorno a Fermi cominciano a radunarsi molti giovani studenti e ricercatori, e Fermi manda avanti in parallelo insegnamento e ricerca, fra i quali non fa una vera e propria distinzione.

Nel 1948 Fermi partecipa ad una conferenza tenuta al Congresso Internazionale di Como sulla fisica dei raggi cosmici e Amaldi gli chiede di intercedere presso il presidente del consiglio Alcide De Gasperi per appoggiare una richiesta di aumento degli stanziamenti per la ricerca scientifica in Italia. Dopo la partenza di Fermi, Amaldi si era accollato il duro compito della ricostruzione,mantenendo viva in Italia la tradizione di studi e ricerche avviata al tempo della scuola romana. Negli anni successivi diventerà il protagonista della riorganizzazione e della rinascita della fisica italiana.

Nel 1953 Fermi ha ormai raggiunto un enorme prestigio nella comunità dei fisici americani: all’inizio di quest’anno viene eletto presidente dell’American Physical Society.

Durante l’estate 1954 Fermi torna in Italia per la seconda volta dalla fine della guerra. Durante il soggiorno in Italia la sua salute peggiora rapidamente. Tornato negli Stati Uniti gli viene diagnosticato un cancro allo stomaco. Muore a Chicago il 28 novembre all’età di 53 anni.