SCIENZA&STORIA/ Niels Bohr e il suo Istituto di Fisica. La biografia scientifica di un grande protagonista della Fisica del Novecento

I contributi di Bohr alla Scienza e il suo ruolo di «maestro» per molti giovani scienziati (alcuni futuri Premi Nobel) nell’Istituto di Fisica da lui fondato a Copenhagen.

22.12.2012 - Gino Segrè
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L"Istituto Universitario per la Fisica Teorica di Copenaghen", fortemente voluto da Bohr e inaugurato nel 1921, ora è denominato "Istituto Niels Bohr"

Presentiamo la traduzione dall’inglese della Relazione tenuta da Gino Segrè al “San Marino Symposium 2008”, organizzato dall’Associazione Euresis in collaborazione con la John Templeton Foundation, i cui Proceddings sono stati pubblicati su Euresis Journal (Marzo 2012).
Bohr è noto soprattutto per aver dato inizio all’interpretazione quantistica della struttura dell’atomo, con l’ipotesi che ha portato nel 1913 al cosiddetto «atomo di Bohr» che introduce i livelli energetici e permette una prima interpretazione delle leggi spettroscopiche che riguardano le righe di emissione e assorbimento degli atomi. Il suo contributo al progresso della Fisica è stato però più complesso, sia per il suo impegno diretto sia per il suo impegno come «maestro» di molti giovani scienziati (di cui non pochi in seguito conseguirono il premio Nobel) che frequentarono, spesso sotto suo invito, l’Istituto di Fisica di Copenhagen, da lui progettato e diretto. Questo secondo aspetto è stato illustrato dall’autore nella sua relazione al “San Marino Symposium”.

La formulazione di Bohr della struttura dell’atomo utilizzò la scoperta sperimentale di Ernest Rutherford secondo cui l’atomo era essenzialmente un grande spazio vuoto con un piccolo nucleo massiccio al suo centro. Talora venivano usate le frasi: una «farfalla nella cattedrale» o «un moscerino nell’Albert Hall» per far comprendere al grande pubblico le dimensioni relative del nucleo e dell’atomo; una migliore, anche se meno pittoresca, analogia è quella del nostro sistema solare, con il Sole al posto del nucleo.

L’atomo di Bohr

Bohr collegò la descrizione di Rutherford a due concetti provenienti dalla teoria dei quanti.
Il primo fu la rivoluzionaria congettura di Max Planck del 1900, che l’energia fosse emessa e assorbita in «quanti» discreti e il secondo fu la brillante intuizione di Einstein del 1905 che la luce, o più in generale la radiazione elettromagnetica, ha una natura dualistica, manifestata sia da onde che da particelle, che divennero note come «fotoni».
La descrizione di Bohr differiva radicalmente da quella della fisica classica per il fatto che gli elettroni che ruotano intorno al nucleo emettono o assorbono energia solo quando si spostano da un’orbita a un’altra mentre, secondo le regole della fisica classica, ci si dovrebbe aspettare che gli elettroni che ruotano irradino con continuità. Un’altra differenza dalla fisica classica fu l’introduzione del concetto che solo certe orbite sono permesse per il moto degli elettroni, la cui dimensione è determinata da regole quantistiche.
Il cosiddetto atomo di Bohr spiegava molte enigmatiche caratteristiche del comportamento atomico, con una corrispondenza particolarmente straordinaria con le informazioni sperimentali ricavate dallo studio dell’idrogeno e dell’elio ionizzato, atomi con un solo elettrone.
[A sinistra: Niels Bohr (1885-1962)]
Bohr trovò anche la necessaria connessione con la teoria classica per orbite molto ampie attraverso quello che chiamò il «principio di corrispondenza».
Lo straordinario successo della teoria di Bohr nello spiegare una notevole varietà di fenomeni, fece apparire chiaro che alcuni degli elementi della sua teoria dovevano essere veri.
Dall’altra parte, il suo fallimento in altri casi, per esempio quello degli atomi con molti elettroni, fece apparire ugualmente chiaro che in primo luogo era necessario avere una soddisfacente teoria quantistica della materia.

L’interpretazione di Copenhagen della Meccanica Quantistica

Questo divenne il problema centrale della fisica nei successivi dodici anni, nel quale Bohr giocò un ruolo centrale, sia come leader che come maestro. La soluzione di questo problema cominciò nel 1925-26 con le brillanti ricerche di Werner Heisenberg ed Erwin Schrodinger che produssero rispettivamente la meccanica delle matrici e la meccanica ondulatoria, che presto risultarono essere equivalenti. Calcoli soddisfacenti potevano essere eseguiti con entrambi i sistemi di regole, ma il significato di quella che cominciò a essere chiamata la meccanica quantistica rimaneva oscuro.
Ebbene ancora una volta Bohr giocò un ruolo cruciale. Egli ed Heisenberg, con frequenti spunti forniti da Wolfang Pauli, produssero «l’interpretazione di Copenhagen della Meccanica Quantistica» nel corso di prolungate sessioni giornaliere di lavoro che si protrassero per buona parte del 1927.
I suoi due pilastri sono il «Principio di Indeterminazione» di Heisenberg e il «Principio di Complementarità» di Bohr, benché entrambi i nomi di Bohr e di Heisenberg potrebbero ragionevolmente essere collegati a entrambi principi. Uno dei due pone limiti alla misura simultanea di certe variabili, per esempio la posizione di un elettrone e la sua quantità di moto (che può essere correlata alla sua velocità) mentre l’altro sostiene che uno stesso elettrone può essere osservato sia nella sua forma di particella, sia nella sua forma di onda, ma non in quella di entrambe nello stesso istante.[…]
Questa formulazione della meccanica quantistica, benché usata quasi universalmente, non fu mai completamente accettata da alcuni dei pionieri di questo campo di ricerca, compreso il più famoso e buon amico di Bohr, Albert Einstein. Il trentennale dibattito fra questi due sull’argomento, mai completamente risolto, è diventato una delle leggende della fisica.
Nella sua terza decade di ricerca Bohr fu il pioniere del moderno concetto di nucleo atomico, come un sistema composto da studiare nel suo insieme, invece che come semplice somma dei suoi costituenti, una nozione che aiutò a spianare la via per la comprensione di fenomeni come la fissione nucleare. Tra le altre prime intuizioni attribuite a Bohr, una importante per il futuro della fisica nucleare, e in ultima analisi per le armi nucleari, fu la comprensione che la fissione non avviene in tutto l’uranio, ma solo nel suo isotopo relativamente raro, l’uranio 235.

Una personalità eccezionale

Il conseguimento di questi risultati sarebbe stato sufficiente per collocare Bohr nel pantheon dei grandi scienziati del XX secolo, ma c’è un altro aspetto sia della sua vita sia del suo lavoro che viene spesso dimenticato, perché non ha lasciato una traccia nei testi di Fisica. Esso concerne la sua diretta influenza personale, probabilmente non eguagliata da nessun altro fisico. […] Heisenberg scrisse nella sua commemorazione di Bohr che «L’influenza di Bohr sulla Fisica e sui fisici del nostro secolo è più grande di quella di ogni altra persona, anche più di quella di Einstein» […]

Non c’è forse miglior posizione di partenza che quella di prendere spunto dall’affermazione di Heisenberg.[…] L’eminente fisico Abraham Pais, che conosceva bene sia Bohr che Einstein e che scrisse meravigliose biografie di ciascuno di loro, ha posto a confronto le principali caratteristiche delle loro vite. Emergono due grandi differenze. La prima è l’attaccamento a un paese, o, in altri termini, il senso delle proprie radici. Einstein ha molto poco di tutto ciò. […]
Al contrario Bohr fu profondamente legato alla sua nativa Danimarca. Nessun altro posto avrebbe potuto o dovuto essere la sua dimora. Egli faceva molti viaggi, ma anche la più accattivante delle offerte, non avrebbe potuto trascinarlo via di là. Egli vacillò per un momento quando nel 1923 gli fu offerto in Inghilterra a Cambridge un posto di professore al triplo del suo stipendio danese. Egli avrebbe avuto poco o nulla come impegno di insegnamento e sarebbe stato insieme con il suo grande amico Rutherford (Bohr chiamò persino uno dei suoi figli Ernest), ma alla fine i suoi legami con la Danimarca risultarono troppo forti. […]
La Danimarca gli dette molto in cambio, sotto forma di sostegno e apprezzamento. La famiglia produttrice della Carlsberg aveva fatto lascito di una residenza a disposizione per tutta la sua vita di un cittadino della nazione che primeggiava nella scienza, nella letteratura o nelle arti. Quando l’occupante precedente, il filosofo Harald Hoffding, morì nel 1932, Bohr fu scelto come il successivo occupante. […]
L’altra grande differenza fra Bohr e Einstein era nel loro modo di lavorare. Benché entrambi fossero esseri socievoli, interagendo facilmente con gli altri, le riflessioni più profonde di Einstein erano sviluppate in solitudine.[…] Al contrario Bohr sviluppava le sue idee mentre interagiva con gli altri. […]
L’attività quotidiana di ricerca di Bohr non era quasi mai condotta da solo. In compagnia di un fisico più giovane, egli voleva esaminare e riesaminare un argomento rigirandolo, nella propria mente indagatrice, sempre in cerca di chiarezza, ma profondamente consapevole di possibili contraddizioni. Come era solito dire: «Una grande verità è quella il cui opposto è anch’esso una grande verità» . La preparazione dei manoscritti era spesso un processo tormentoso, dato che le frasi venivano scritte e riscritte e poi riscritte il giorno dopo e di nuovo, ancora una volta, il giorno successivo. Benché ciò potesse essere penoso per i giovani fisici che lo aiutavano, essi sentivano che ciò dava loro un’unica possibilità di coinvolgimento nei lavori di una delle grandi menti della Fisica.
È da ricordare a questo punto che Bohr fu fortunato, in un modo in cui non lo fu Einstein, ad avere in tutti i periodi della sua vita una famiglia straordinariamente felice. I suoi affettuosi genitori riconobbero le sue capacità e lo aiutarono a svilupparle. Suo fratello, Harald, di un anno più giovane, un valente matematico, fu dall’infanzia il suo migliore amico. Più importante di tutto, ebbe un lungo e felice matrimonio; sua moglie Margrethe ha un ruolo preminente in tutti i passaggi della vita adulta di Bohr, continuamente rendendogli più facile il cammino. […] Assistito da tutta questa buona sorte, Bohr realizzò contemporaneamente i suoi desideri: contribuire alla scienza, aiutare gli altri, accrescere la cultura della Danimarca e aiutare se stesso e i giovani a portare avanti le proprie idee in fisica.

 

 

L’Istituto di Fisica Teorica

 

Con la pubblicazione nel 1913 del suo modello di atomo, fu chiaro che questo danese di ventotto anni era il leader emergente nel combinare la nuova conoscenza dell’atomo con i principi basilari della teoria dei quanti. Da poco sposato, egli desiderava restare in Danimarca e proseguire i suoi studi, ma non c’era una posizione universitaria adatta a lui. Perciò nel 1914 accettò un posto in Inghilterra, a Manchester, dove c’era Rutherford a presiedere. Due anni dopo, il suo paese di origine, ora consapevole che potevano perderlo per sempre, creò una cattedra di Fisica teorica. Bohr ritornò a Copenhagen, come primo titolare della nuova cattedra.
All’inizio del 1917 egli richiese all’università dei fondi per costruire un Istituto di Fisica Teorica, evidenziando nella sua proposta sia lo scopo di una tale iniziativa, sia la sua opportunità. Egli sottolineò anche il fatto che lo stato della Fisica atomica era tale che era diventato necessario per i fisici teorici costituire una guida per il lavoro degli sperimentatori. In altri termini, il piano fino allora accettato di esperimenti che guidavano la teoria doveva essere ribaltato. Riconoscendo l’importanza di un lavoro comune di teorici e sperimentali, Bohr cominciò a pensare all’opportunità di avere una componente di fisica sperimentale nel nuovo istituto e si impegnò molto per procurarsi i fondi necessari. […]
Nel marzo del 1921 l’Istituto Universitario per la Fisica Teorica fu inaugurato. Completamente esausto, Bohr dovette posticipare un corso di sette lezioni, già previsto da molto tempo, che gli era stato richiesto a Gottinga, il più grande centro tedesco di studi matematici e fisici e non poté partecipare alla Conferenza Solvay del 1921 tenuta a Bruxelles.
Ma recuperò in fretta e di nuovo riprese a correre.

 

 

1922: le lezioni a Gottinga

 

L’anno seguente, 1922, fu trionfale per Bohr in ogni senso. Egli aveva pubblicato una serie di articoli in cui sembrava in grado di spiegare molte delle caratteristiche enigmatiche della Tavola Periodica degli elementi con un uso avveduto del Principio di Corrispondenza, una tecnica che egli escogitò per collegare il mondo classico e quello della quantistica atomica.
Ma il modo in cui ottenne i risultati sconcertò la maggior parte dei lettori. Come lo descrive Kramers: «Molti fisici stranieri pensavano, al momento della comparsa della teoria del sistema periodico elaborata da Bohr, che essa fosse largamente supportata da calcoli non ancora pubblicati che trattavano in dettaglio la struttura dei singoli atomi, mentre la verità era che Bohr aveva inventato e sviluppato con una visione divina una sintesi fra risultati di natura chimica e risultati di natura spettroscopica».
Le principali scuole tedesche guidate da Arnold Sommerfeld a Monaco e da Max Born a Gottinga procedevano in modo più formale, dapprima costruendo le equazioni che un problema sembrava richiedere, poi risolvendole e infine analizzando le soluzioni.

Il metodo di Bohr, d’altro canto, si basava sull’intuizione e sull’accurata ricerca di dati sperimentali come indizi su come procedere. La differenza fra i due approcci divenne chiara durante le sue lezioni a Gottinga; ciò ispirò i giovani, con una particolare influenza su due studenti di Sommerfeld, entrambi destinati a grandi cose nel mondo dei fisici; i loro nomi erano Wolfang Pauli e Werner Heisenberg, il quale avrebbe detto in seguito: «Tutti noi avevamo imparato la teoria di Bohr da Sommerfeld e conoscevamo tutto quello che la riguardava. Ma essa appariva del tutto differente udita dalle labbra dello stesso Bohr».
Le lezioni furono tenute nel mese di giugno. I fisici erano arrivati per sentirlo da tutta la Germania e alcuni anche dai paesi confinanti. I più anziani portarono con sé i loro migliori allievi; furono trovate camere per farli dormire. Alla fine della terza lettura, Heisenberg si alzò e pose alcune acute domande su quello che Bohr aveva appena detto. Il danese, intuendo che questo giovane di vent’anni era fuori dell’ordinario, gli chiese di fare con lui una passeggiata sulle colline di Gottinga. La passeggiata durò tre ore, durante le quali i due scoprirono quanto avevano in comune nel modo di pensare alla fisica. Bohr riconobbe la vivacità di ingegno del giovane e Heisenberg fu lusingato dalla sua attenzione.[… ]
Molti anni dopo Heisenberg ricordava: «quella passeggiata aveva avuto profonde ripercussioni sulla mia carriera scientifica o, forse, è più giusto dire che la mia vera carriera scientifica cominciò solo quel pomeriggio».
[A destra: Werner Heisenberg (1901-1976)]
Alla fine della passeggiata Bohr invitò il giovane a passare del tempo con lui a Copenhagen, dove avrebbero avuto più tempo per parlare di questi argomenti. Passò un anno e mezzo prima che Heisenberg avesse completato i suoi studi e potesse venire. Quando arrivò, Bohr era molto indaffarato, essendo a capo di un team di ricerca in espansione e padre di cinque giovani figli, ma dopo pochi giorni chiese ad Heisenberg di andare con lui a fare un giro di tre giorni. Avrebbero portato tutto quello che era loro necessario negli zaini – la cosa importante era che riuscissero a conoscersi reciprocamente. Durante questo tempo si formò un legame che sarebbe stato cruciale due anni dopo quando Bohr e Heisenberg avrebbero lavorato insieme per un anno a formulare l’interpretazione della meccanica quantistica.
L’incontro di Gottinga fu un punto di svolta anche per Pauli […], che andò a Copenhagen e rimase un grande amico e un revisore critico delle ipotesi di Bohr per il resto della sua vita. Nel giro di due anni Pauli era giunto al «Principio di Esclusione», una delle pietre miliari della Fisica quantistica.

 

 

1922 : il Premio Nobel

 

L’anno 1922 terminò con un altro trionfo per Bohr, essendogli stato assegnato il Premio Nobel. La cerimonia fu coronata da un’ulteriore dimostrazione delle sue intuizioni sulla struttura della materia. Bohr aveva fin dall’inizio cercato di garantire che il suo istituto di Copenhagen avesse un’ala dedicata all’attività sperimentale, scegliendo oculatamente a capo di essa un vecchio amico di Manchester, Georg von Hevesy.
Uno dei primi esperimenti suggeriti da Bohr fu quello di cercare l’ancora non scoperto elemento 72 della Tavola Periodica in campioni di zirconio, poiché secondo i suoi calcoli i due elementi dovevano avere proprietà simili. Von Hevesy, lavorando con Dirk Coster, un giovane fisico tedesco, riuscì a isolare il nuovo elemento solo pochi giorni prima che fosse assegnato il Premio Nobel per la Fisica, permettendo a Bohr di farne l’annunzio alla conclusione del suo discorso di accettazione. Le sue proprietà erano esattamente quelle previste da Bohr. All’elemento fu dato il nome di hafnium, da Hafniae che significa «porto» e che è l’antico nome latino della città di Copenhagen (molti anni dopo, l’elemento transuranico 107 prodotto artificialmente fu chiamato Bhorium).
A partire dal 1924 l’iniziale Istituto Universitario per la Fisica teorica era diventato insufficiente. […] Il progetto cominciò con due ulteriori edifici, uno dei quali avrebbe ospitato i Bohr e l’altro una struttura dedicata all’attività sperimentale.
[…] Nel 1923 Bohr fece la sua prima visita negli Stati Uniti. Avendo ricevuto il Premio Nobel l’anno prima, fu riconosciuto come una figura intellettuale di riferimento anche se non aveva ancora quaranta anni. Nel novembre fece una presentazione avvincente all’IEB (International Education Board fondato da John D. Rockefeller), dopo la quale al suo istituto vennero assegnati 40.000 dollari, la prima donazione assegnata dall’IEB a un istituto di ricerca fisica […].
A partire dal 1926 i nuovi edifici furono disponibili. Dopo che la famiglia Bohr si fu spostata nella villa adiacente, una parte dello spazio liberatosi al terzo piano del vecchio edificio fu trasformato in un piccolo appartamento per ospiti speciali. Werner Heisenberg, che era diventato amico di Bohr quattro anni prima, fu il primo a occuparlo. Il grande passo avanti nella teoria dei quanti era appena avvenuto non con una, ma con due formulazioni. La prima, ottenuta da Heisenberg nell’estate del 1925, fu conosciuta come Meccanica delle matrici e la seconda, sviluppata indipendentemente da Erwin Schrodinger, fu chiamata Meccanica ondulatoria. Pur essendosi presto mostrate equivalenti nella loro capacità di risolvere problemi, la loro accoglienza nella comunità dei fisici fu nondimeno molto differente perché la Meccanica ondulatoria impiegava tecniche matematiche familiari, mentre la Meccanica delle matrici sembrava in confronto oscura.
Heisenberg, sentendosi messo da parte dai fisici che si precipitavano ad abbracciare la formulazione di Schrodinger e a rigettare la sua, chiese aiuto a Bohr. Egli lo fece principalmente perché sentiva che né lui né Schrodinger erano arrivati a una comprensione soddisfacente delle teorie che proponevano. Schrodinger non era d’accordo, e così la maggior parte della comunità dei fisici, ma Bohr si schierò dalla parte di Heisenberg.
Egli aveva avuto la stessa linea di pensiero e allora invitò il giovane amico tedesco a unirsi a lui nel cercare di raggiungere una corretta comprensione. Così cominciò quello che risultò essere un intero anno di lavoro per entrambi.[…]

Bruxelles, Conferenza Solvay 1927. I partecipanti al congresso

Da sinistra a destra:

  1. in alto: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, T. De Donder, E. Schrödinger, E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin.
  2. fila centrale: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr
  3. in basso: I. Langmuir, M. Planck, Madame Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, C. E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson

Il risultato delle loro fatiche fu presentato per la prima volta da Bohr all’inizio dell’autunno del 1927 a un convegno sul lago di Como, che commemorava il centenario della morte di Volta e poco dopo a Bruxelles alla quinta Conferenza Solvay. […]

 

I giovani fisici a Copenhagen

 

Benché forse non sia l’ultima parola sull’argomento, la formulazione di Bohr continua a restare in piedi. La confutazione di Bohr delle critiche di Einstein e altri alla Conferenza Solvay del 1927 innalzò ulteriormente la sua reputazione e quella dell’Istituto di Copenhagen. Tutti i giovani fisici teorici volevano ora recarsi lì. Fu difficile ottenere le risorse finanziarie necessarie, ma destreggiandosi con i fondi provenienti da diverse fonti, Bohr riuscì a mantenere un certo grado di libertà con sforzi straordinari, e fece ampiamente uso di questa libertà. […]
La storia di George Gamow, in seguito fondatore della cosmologia del Big-Bang, illustra come egli usasse di questa libertà. Gamow arrivò per la prima volta in Danimarca nel 1928. Egli era stato istruito, o forse più correttamente aveva istruito se stesso, con due amici a San Pietroburgo, poiché nessuno dei professori era aggiornato sugli sviluppi della meccanica quantistica. Ventiquattrenne al tempo del suo arrivo nell’Europa occidentale, fu il primo giovane fisico a lasciare la Russia devastata e ancora grandemente impoverita dalla prima guerra mondiale e dalla rivoluzione. Il suo arrivo in Occidente era stato reso possibile da un finanziamento che gli permetteva di passare tre mesi in Germania, durante i quali fece un’importante scoperta, che sarebbe risultata la prima applicazione della nuova Meccanica quantistica al nucleo atomico. Egli aveva mostrato come queste nuove tecniche di calcolo potevano spiegare molte delle più importanti caratteristiche del decadimento di un nucleo pesante attraverso l’emissione delle cosiddette particelle α.
Quando i suoi tre mesi furono trascorsi, si supponeva che egli dovesse ritornare a San Pietroburgo. Decise di farlo passando per Copenhagen e qui si recò immediatamente all’Istituto di Bohr, di cui aveva sentito parlare, chiedendo alla segretaria in uno stentato tedesco di parlare con Bohr. La risposta fu che il professore era molto occupato e non poteva vederlo fino alla settimana successiva, ma sentendo che Gamow poteva restare un solo giorno a Copenhagen lo fece passare. Bohr parlò per un po’ con il giovane russo. Comprendendo immediatamente l’importanza del suo lavoro, e scoprendo che Gamow aveva denaro per un solo giorno in Danimarca, gli chiese se gli sarebbe piaciuto rimanere per un anno, se lui, Bohr, gli avesse procurato uno stipendio. La risposta da parte di uno sbalordito Gamow fu evidentemente un entusiastico sì.[…]

Copenhagen 1930: Oscar Klein, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, George Gamow, Lev Landau e Hans Kramers

 

L’arrivo di Gamow a Copenhagen coincise con una nuova idea di Bohr su come stimolare pensieri creativi in Fisica. Fino ad allora l’Istituto aveva funzionato, per una mezza dozzina di anni, con molti giovani fisici che andavano e venivano. Non sarebbe stato interessante riunirli una volta l’anno per una settimana di discussioni a ruota libera? Non ci sarebbe stata un’agenda dei lavori, nessuna pubblicazione di atti, nessuna formalità. […] Inoltre egli avrebbe loro detto di sentirsi liberi di farsi accompagnare da uno studente particolarmente brillante, se lo avessero voluto. Questo avrebbe avvicinato la gente più giovane allo «spirito di Copenhagen». Decidendo che questo poteva essere utile Bohr scrisse a molti dei suoi amici fisici, sollecitandoli a venire; ed essi lo fecero! A partire dal 1929, fu stabilita una nuova tradizione di Copenhagen. […]

 

 

1932, anno di grandi scoperte

 

Il 1932, segnò molti importanti cambiamenti, quasi tutti suggeriti da nuovi ed eccitanti risultati sperimentali.
La scoperta del positrone, l’antiparticella dell’elettrone, mostrò la fondamentale correttezza della teoria di Dirac, che univa la relatività speciale con la meccanica quantistica e accelerava il cammino verso una teoria quantistica dei campi che poteva render conto sia della creazione sia dell’annichilazione delle particelle.
L’istituto cominciò anche un sottile spostamento delle sue attività, dalla fisica atomica a quella del nucleo. Un’altra delle scoperte di quell’anno, la componente mancante del nucleo, il neutrone, indusse a questo cambio. I problemi che riguardavano la natura delle forze nucleari, il comportamento statistico che sembrava errato, e i misteri del peso atomico cominciarono tutti a essere risolti.
Nello stesso tempo cominciarono a realizzarsi innovazioni tecnologiche che avrebbero modificato il campo della ricerca. Nella tarda primavera del 1932 Cockroft e Walton ottennero la prima disintegrazione nucleare artificiale ed entro pochi mesi Ernest Lawrence, seimila miglia distante, riprodusse i loro risultati con un nuovo tipo di macchina che egli aveva costruito, il ciclotrone.
L’Istituto di Bohr, che era sempre a ragione orgoglioso di essere un luogo dove la gioventù poteva trovarsi insieme a lavorare su qualsiasi cosa avesse trovato interessante, rispose a queste nuove sfide con Bohr, vigoroso come sempre, a guidare l’assalto. Domande del tipo di «come si doveva immaginare un nucleo di elevato peso atomico» cominciarono a emergere; aveva forse alcune proprietà che somigliavano a quelle di una goccia di liquido?
Tutte queste questioni vennero alla ribalta alla fine dell’inverno 1938 quando Lise Meitner e suo nipote Otto Frisch evidenziarono che gli esperimenti di bombardamento dell’uranio con neutroni, condotti da Otto Han e Fritz Strassman, si dovevano interpretare come dovuti alla scissione del nucleo di uranio in due frammenti dello stesso ordine di grandezza. I test che confermarono questo risultato furono condotti da Frisch all’Istituto di Bohr.

 

 

Le nuove iniziative

 

La fisica sperimentale non era l’unica attività dell’Istituto che era stata aggiunta nel corso degli anni. […] Un nuovo campo fu la biologia, del resto non del tutto estranea a Bohr, dato che il padre di Bohr era stato un eminente fisiologo, ed egli era perciò cresciuto avvezzo a discussioni sull’argomento.

Ma a partire dalla fine degli anni Venti il suo interesse si rinnovò, sollecitato dalle sue riflessioni sulla complementarità. Si può descrivere la struttura di un oggetto vivente, o il dettagliare i suoi componenti necessariamente conduce alla fine della vita? […]
Forse il suo più importante risultato fu quello di ispirare uno studente di dottorato di ventisei anni di nome Max Delbruck a seguire questa traccia e mutare la sua carriera (era un fisico) in quella di biologo. Delbruck a sua volta divenne uno dei fondatori della moderna biologia molecolare, ricreando sia al California Institute of Technology sia al Cold Spring Harbor Laboratory di Long Island uno spirito di avventura e di informalità come quello di Copenhagen, che egli aveva ammirato come giovane fisico. […]
Un progetto di scienze biologiche ebbe nell’Istituto di Bohr un considerevole successo; probabilmente il motivo principale fu che era a cavallo dei confini fra fisica, chimica e biologia; lo diresse Georg von Hevesy, vecchio amico di Bohr, […] che lo aveva raggiunto a Copenhagen dopo la prima guerra mondiale e vi era rimasto per i successivi sei anni, andandosene poi per accettare una cattedra a Friburgo; ma nel 1934 tornò a Copenhagen per portare avanti il suo programma di ricerca sull’uso degli isotopi radioattivi come marcatori biologici. […]
A partire dal 1937 von Hevesy dedicò essenzialmente tutte le sue energie a un’ampia varietà di problemi con l’uso di queste tecniche nello studio sia degli animali sia nelle piante.
[A sinistra: Georg von Hevesy (1885-1966)]
Questo lavoro l’avrebbe condotto all’assegnazione del Premio Nobel per la chimica nel 1943.
Il programma di ricerca che von Hevesy aveva progettato si adattava molto bene alle possibilità di espandere il ruolo della ricerca sperimentale nell’Istituto di Bohr. Lo sviluppo di sorgenti di alto voltaggio che avevano condotto al successo di Cockroft e Walton e in particolare al ciclotrone di Lawrence, avevano dischiuso nuove possibilità per ricerche di fisica nucleare. Bohr ora cominciò a progettare la costruzione di un ciclotrone a Copenhagen.
Un tale strumento poteva essere usato per esperimenti di fisica nucleare, ma poteva anche essere usato per produrre gli isotopi radioattivi che stava usando von Hevesy, e, come ulteriore vantaggio, poteva produrre raggi X per il trattamento dei malati di cancro. Bohr riceveva finanziamenti dalla Fondazione Rockefeller, dalla Fondazione Carlsberg e dalla Fondazione Thrige. Ma aveva anche bisogno di competenze tecniche.
Nel marzo del 1937, nel suo giro per il mondo, visitò Berkeley e si accordò con Lawrence perché uno dei suoi migliori aiutanti californiani, Lawrence Laslett, venisse a Copenhagen e lo aiutasse a costruire il ciclotrone. Laslett arrivò nel settembre 1937.
Il ciclotrone di Copenhagen cominciò a funzionare nel novembre 1938. Fu il secondo nell’Europa occidentale, essendo il primo stato costruito a Cambridge nel Cavendish Laboratory. Allora iniziò una serie di esperimenti, fra cui poco più di un anno dopo, l’esplorazione di come un nucleo di uranio potesse scindersi in due frammenti se bombardato con neutroni. Otto Frisch chiese a un biologo in visita all’Istituto se in biologia c’era un termine per la divisione cellulare di un batterio. Gli fu risposto che l’espressione era «fissione nucleare».

 

 

Un porto nella tempesta

 

Ma poco tempo dopo le attività di ricerca furono drasticamente ridotte dallo scoppio della seconda guerra mondiale nel 1939 e dall’occupazione tedesca della Danimarca l’anno successivo.
L’ascesa al potere del partito nazista offrì a Bohr nuove opportunità, quando cercò di aiutare i fisici ebrei rifugiati a trovare una nuova casa. Il 7 aprile del 1933, meno di tre mesi dopo che Hitler era diventato il Cancelliere tedesco, passò un decreto correntemente noto come Beamtengesetz. Esso permetteva che ricercatori tedeschi fossero allontanati dalle loro posizioni universitarie su basi politiche o razziali. Eccezioni dovevano essere fatte per chi aveva fatto il soldato nella prima guerra mondiale, ma, per esempio James Franck scelse di non avvalersi di questa clausola. Franck, un intimo amico di Bohr, era direttore del programma sperimentale di fisica a Gottinga e anche era stato insignito del Premio Nobel in Fisica nel 1925, per il suo lavoro che confermava molti degli aspetti principali della teoria atomica di Bohr. Max Born, il direttore dell’Istituto di Fisica Teorica di Gottinga, a questo punto lasciò anche lui la Germania, e così lo fece la maggior parte dei collaboratori del suo istituto. Gottinga, fino a quel momento il più attivo centro di ricerca tedesco sulla Fisica dei quanti, terminò essenzialmente di esistere e di essere un punto di forza nelle frontiere della Fisica.
Copenhagen, già un punto di attrazione su questo argomento di ricerca, ora divenne ancora più importante dato che i rifugiati ricorrevano a un porto tranquillo, mentre cercavano delle posizioni da qualche parte nel mondo. […]
Presto Bohr stesso sarebbe diventato un rifugiato. Dopo che l’esercito tedesco ebbe occupato la Danimarca, fu solo una questione di tempo, prima che Bohr, la cui madre era ebrea, fosse minacciato di deportazione. Egli e sua moglie Margrethe, avvertiti di un imminente arresto, fuggirono nella notte del 29 settembre 1943.
Una piccola imbarcazione li portò a un vascello più grande che li condusse in Svezia.
[A destra: Niels Bohr e la moglie Margrethe (1936)]
Allora andò direttamente a Stoccolma, per intercedere presso le autorità svedesi, includendo un’udienza con il re, a favore degli ebrei danesi. Una settimana dopo il suo arrivo in Svezia fu trasportato in Inghilterra e infine negli Stati Uniti. Mentre era lì fece diversi viaggi a Los Alamos, diede qualche consiglio tecnico, ma principalmente si adoperò a ispirare i giovani fisici, con la speranza che lo sviluppo delle armi nucleari potesse favorire la prospettiva di un disarmo mondiale, introducendo a una nuova era di apertura e cooperazione. La maggior parte dei successivi due anni furono dedicati a una «diplomazia viaggiante», compresi incontri sia con Churchill sia con Roosevelt, per portare avanti questa prospettiva.

 

 

Il ritorno a Copenaghen

 

Appena finita la guerra, Bohr ritornò a Copenhagen e vi arrivò il 25 agosto 1945. Il mattino dopo andò in bicicletta all’Istituto e il 7 ottobre festeggiò il suo sessantesimo compleanno, di nuovo nella sua terra natale.
Egli giocò un ruolo di primo piano nello sviluppo del CERN, il Centro Europeo per le Ricerche Nucleari; Copenhagen ospitò il suo gruppo di ricerca teorica per cinque anni, dall’inizio della costruzione nel 1952, fino al completamento del suo acceleratore nel 1957, anno in cui il gruppo si spostò a Ginevra. Contemporaneamente i paesi scandinavi si associarono per creare un istituto di Fisica Teorica a Copenhagen. Il Nordisk Institut for Teoretisk Atomfisik, detto anche Nordita, è ancora oggi esistente ed è ancora un attivo centro di ricerca. Bohr fu il primo presidente del Consiglio direttivo.
Morì durante il sonno nel 1962.

 

 

 

Traduzione, a cura della Redazione di Emmeciquadro, dell’articolo di Gino Segrè*, pubblicato in Euresis Journal a Marzo 2012 con il titolo “Niels Bohr and His Physics Institute. An Example of Creativity and Creative Inspiration in Science“.

 

* Dept. of Physics and Astronomy , University of Pennsylvania, Philadelphia, USA.

 

 

 

 

© Pubblicato sul n° 47 di Emmeciquadro




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