Il secolo nuovo della fisica

Mentre il diciannovesimo secolo volgeva al termine si era profondamente diffusa nella comunità scientifica la convinzione che tutti i misteri del mondo fisico fossero stati scoperti e chiariti. Dall’elettromagnetismo all’ottica, dall’acustica alla meccanica statistica si trattava adesso soltanto di fare piccoli aggiustamenti, per così dire “ordinaria manutenzione”.

Per comprendere quanto fosse radicato questo convincimento nel 1875, quando Max Planck, un giovane tedesco di Kiel, stava decidendo se dedicare la sua vita alla matematica o alla fisica, gli fu consigliato caldamente di non scegliere la fisica perché in quel campo le scoperte importanti erano già state fatte tutte. Fortunatamente Planck decise lo stesso di studiare fisica teorica e in particolare si appassionò al concetto dell’entropia, aspetto fondamentale della termodinamica.

Un professore di Yale

Quando però nel 1891 Planck pubblicò i risultati dei suoi studi scoprì con sgomento che le sue teorie erano già state scoperte anni prima da uno studioso americano dell’università di Yale, ormai prossimo alla pensione, J. Willard Gibbs. Nato nel 1839, Gibbs figlio di un professore di letteratura sacra, appartenente ad una famiglia di emigranti inglesi, nel 1854 si iscrisse alla Yale University (dove poi, dal 1871, insegnò matematica).

Nel 1863 ottenne il primo dottorato in ingegneria. È da considerare tra i fondatori della moderna chimica fisica, le cui basi si possono riscontrare nella sua opera “On the equilibrium of heterogeneus substances” (Sull’equilibrio delle sostanze eterogenee). Persona modesta, se si esclude tre anni vissuti in Europa, passò tutta la sua vita entro i confini di un’area di tre isolati compresa fra casa sua e il campus di Yale a New Haven (Connecticut). Nei primi dieci anni di lavoro a Yale non chiese neppure lo stipendio attingendo al cospicuo patrimonio familiare. Gibbs era una mente brillante, asservita però a un carattere modesto ed una scarsa capacità di attrazione nell’insegnamento. Da quando nel 1871 fu assunto come professore a Yale, i suoi corsi attiravano un paio di studenti al semestre.

Tra il 1875 e il 1878 Gibbs scrisse una serie di articoli fondamentali che poi raccolse nel saggio “On the equilibrium of heterogeneus substances” che spiegavano gran parte dei fenomeni termodinamici. In particolare Gibbs dimostrò che la termodinamica si applicava anche su scala atomica nelle reazioni chimiche. Non sappiamo perché pubblicò il suo saggio fondamentale su una rivista che era sconosciuta persino nel Connecticut, lo stato dove viveva e insegnava, per questo Planck venne a sapere solo anni dopo di aver “sprecato” il suo tempo, dietro a risultati già acquisiti da questo singolare scienziato.

La fine dell’etere luminifero

Intanto negli anni Ottanta del diciannovesimo secolo, a Cleveland, circa 550 miglia da Yale, Albert Michelson ed Edward Morley, pur senza averne intenzione demolirono il concetto di “etere luminifero”, il mezzo invisibile, stabile e senza attrito che permetteva, secondo una convinzione imperante da Newton, di trasmettere la luce, allora intesa come un’onda. Per comprendere quanto fosse radicato il convincimento dell’esistenza dell’etere, ancora nel 1909, il grande fisico inglese J.J. Thomson insisteva: «L’etere non è una creazione fantastica nata dalle speculazioni di un filosofo; esso ci è necessario come l’aria che respiriamo». Questa roboante dichiarazione fu rilasciata quattro anni dopo la dimostrazione incontestabile della sua non esistenza.

Il risultato di Michelson-Morley divenne, come disse William H. Cropper, «probabilmente il più celebre risultato negativo nella storia della fisica». Per questo lavoro, Michelson ottenne un premio Nobel per la fisica venti anni dopo la dimostrazione sperimentale dell’assenza dell’etere e delle conseguenze che da ciò derivavano, in termini di unicità e di costanza della velocità della luce. Paradossalmente anche Michelson faceva parte di coloro che ritenevano che la scienza avesse ancora poco da dare e che gran parte dei misteri della natura fosse stato ormai risolto.

L’ostetrico della teoria dei quanti

In realtà si era alle soglie di una vera rivoluzione e la fisica finora dominata dalle leggi e dalle proprietà del macrocosmo si sarebbe inoltrata nel mondo imprevedibile, controintuitivo e inesplorato del microcosmo. Uno dei primi audaci esploratori della microfisica sarà Max Planck che abbiamo lasciato deluso per aver inseguito per anni risultati già scoperti e documentati da altri.

Nel 1900, ormai quarantenne fisico teorico presso l’università di Berlino, sarà “l’ostetrico” della nuova teoria dei quanti, postulando che l’energia non avesse un carattere continuo, ma viaggiasse invece in pacchetti distinti, che egli chiamò, appunto, quanti. Questo concetto nuovo risolse anche i dilemmi posti dagli esperimenti di Michelson e Morley, dimostrando che la luce non doveva essere necessariamente un’onda.

L’anno della rivoluzione

La nuova fisica però nasce definitivamente qualche anno dopo, nel 1905, quando un semisconosciuto funzionario dell’ufficio Brevetti di Berna, pubblica su Annalen der Physik, cinque articoli, tre dei quali secondo C.P. Snow «erano tra i più grandi [scritti] nella storia della fisica».

Uno di essi prendeva in esame l’effetto fotoelettrico utilizzando la nuova teoria dei quanti di Planck, un altro verteva sul comportamento di piccole particelle in sospensione (i moti browniani), e un altro delineava una teoria della relatività speciale. Solo il primo valse ad Albert Einstein il Premio Nobel per la Fisica nel 1921, ma tutti e tre, ed il terzo in particolare, apriranno con il botto, il secolo della nuova fisica.

Fonti:

alcune voci di Wikipedia

Storia di quasi tutto di B. Bryson