Oltre la fisica delle particelle: il lato sconosciuto di Enrico Fermi

Dalla scala atomica a quella planetaria, il silenzioso (e inaspettato) contributo di Fermi sui fenomeni che governano il nostro pianeta

di Domenico Di Mauro

Il genio scientifico di Enrico Fermi, celebre per i suoi lavori pionieristici sulla fisica delle particelle, sulla fisica nucleare, sulla teoria quantistica e sulla meccanica statistica, ha tracciato un percorso indelebile nella storia scientifica del secolo scorso, portandolo ad ottenere il Premio Nobel nel 1938. Una nota distintiva di Fermi era la sua straordinaria capacità di semplificare intricati problemi scientifici e la sua abilità di mettere a punto teorie in discipline diverse. Non sorprende quindi che a sei dei suoi allievi sia stato conferito, negli anni a seguire, il premio Nobel. Anche questo un meritato risultato del lascito di un così brillante maestro.

Il lato sconosciuto di Enrico Fermi

Molto meno noto è il contributo personale di Enrico Fermi alla geofisica, un aspetto senz’altro affascinante della sua carriera scientifica. Enrico Fermi è stato l’unico fisico del ventesimo secolo a raggiungere i vertici della professione sia come teorico che come sperimentatore. Per la mole del suo lavoro sperimentale, la vastità dei suoi interessi spiccava rispetto a qualsiasi altro fisico della sua epoca. Non si può, infatti, neanche immaginare che geni come Einstein, Bohr, Schrödinger, Dirac, Pauli o Heisenberg potessero impartire lezioni di geofisica. Lui fece anche quello.

Alcune recenti indagini storiche condotte dai fisici Gino Segrè, nipote di Emilio Segrè che fu allievo di Fermi e premio Nobel anch’egli, e John Stack ci svelano un’inedita prospettiva del grande fisico. Dallo studio di alcuni appunti risulta infatti che nei primi anni della sua carriera in America, Fermi si è dedicato allo studio della fisica della Terra solida e dei fenomeni atmosferici che caratterizzano il nostro pianeta. 

Gli appunti originali

Dagli appunti originali di Fermi ritrovati presso la Columbia University di New York, Segrè e Stack sono stati in grado di ricostruire ed esplorare le intuizioni di Fermi su vari temi come la gravità terrestre, la termodinamica atmosferica, l’effetto Coriolis negli uragani, le maree, i terremoti e le onde sismiche, il magnetismo terrestre e l’elettricità atmosferica. 

Tra il 1939 e il 1941 Fermi ha condotto infatti un corso di Geofisica presso il dipartimento di fisica della Columbia University, svolto settimanalmente con sessioni di un’ora e mezza. Dalla raccolta degli appunti delle lezioni si comprende che quel corso era di livello avanzato, orientato a studenti di scienze e ingegneria. Per seguire quelle lezioni era richiesta una solida preparazione matematica sulle equazioni differenziali parziali e sui calcoli vettoriali, e una base in fisica che comprendesse corsi di meccanica, termodinamica e almeno un corso su elettricità e magnetismo.

A ben guardare, non ci sorprende che Fermi avesse scelto di tenere, appena giunto negli Stati Uniti, come suo primo insegnamento proprio un corso di geofisica. La geofisica era stata infatti da lui insegnata a Roma a partire dal 1928 quando, a soli 27 anni, unanimemente riconosciuta la sua genialità, fece il suo ingresso nel mondo accademico, ottenendo la prima cattedra di fisica teorica in Italia. Sono gli anni in cui nasceva il gruppo di giovanissimi studiosi, guidati da Fermi,  il famoso gruppo dei “ragazzi di via Panisperna”.

Gli anni in America

Fermi si trasferì con la famiglia negli Stati Uniti direttamente dalla Svezia, dopo aver ritirato il premio Nobel nel 1938.  Una scelta divenuta necessaria per evitare che le leggi razziali, promulgate in Italia proprio in quell’anno, potessero danneggiare la moglie Laura Capon, di religione ebraica. Al tempo stesso la scelta avrebbe permesso a Fermi di godere dei generosi finanziamenti del governo americano sulle ricerche a cui lui era interessato. 

Dagli appunti originali dell’epoca, si intuisce il lato sconosciuto di Enrico Fermi: lo studioso tratta alcuni argomenti di geofisica che negli anni ‘40 del secolo scorso, non erano stati ancora pienamente affrontati. 

La tettonica a placche, per esempio, non compare tra gli appunti. Fu infatti accettata solo alla fine degli anni ‘60, sebbene le sue radici risalgano al lavoro di Alfred Wegener nel 1915. Così come non compare nulla sulla teoria geodinamica del campo magnetico terrestre su cui sono state formulate diverse ipotesi su cui ancora oggi si dibatte. 

Sebbene la geofisica abbia fatto grandi progressi dall’epoca delle lezioni di Fermi, molte delle tecniche da lui utilizzate sono ancora attuali. Fatto questo che emerge chiaramente leggendo gli appunti scritti di suo pugno. Una conferma che Fermi, uno dei giganti della fisica del ventesimo secolo, sapeva rendere particolarmente interessante qualsiasi tipo di argomento. Aveva una incomparabile capacità di presentare temi scientifici complicati in modo semplice.

I “rompicapi” di Fermi

Fermi era conosciuto in una cerchia ampia di scienziati anche per la sua capacità di stimare l’entità di un qualsiasi fenomeno fisico. Una capacità che incoraggiava a sviluppare nei suoi collaboratori e negli studenti con continui stimoli inquisitivi. Questa sua abilità divenne così nota che tali rompicapi sono ora semplicemente conosciuti come “domande di Fermi“, utilizzate in matematica applicata, in particolare nella didattica, progettate per insegnare l’arte dell’approssimazione. Tutto ciò è ben evidente nelle pagine lasciate da Fermi, dove ogni argomento trattato include risultati quantitativi dell’effetto preso in considerazione. Un grande aiuto, prima di imbarcarsi in calcoli accurati, viene proprio dalla stima approssimativa dei valori che entrano in gioco in uno specifico fenomeno fisico.

Un esempio ben documentato è la stima della potenza della bomba atomica fatta esplodere il 16 luglio del 1945, il noto Trinity test, che portò al perfezionamento delle bombe che saranno sganciate due settimane dopo in Giappone,  a Hiroshima e a Nagasaki. Fermi calcolò la potenza dell’esplosione basandosi sulla distanza percorsa dai fogli di carta che caddero sul pavimento a causa dell’onda d’urto, pavimento dell’edificio da cui Fermi assistette al test.

Per approfondire

La raccolta delle note originali per conoscere ed apprezzare il lato sconosciuto di Enrico Fermi può essere consultata in queste pagine.

Segré e Stack, partendo dagli appunti originali del grande scienziato, hanno recentemente pubblicato un libro (in lingua inglese) dal titolo “Unearthing Fermi’s Geophysics“. L’intento dichiarato dagli autori è stato quello di realizzare il testo di geofisica che Enrico Fermi avrebbe potuto dare alle stampe ma che non ha mai visto la luce.