Questo libro e’ un’interessante, anche se un po’ datata (essendo stato scritto nel 1976) introduzione storica alla fisica contemporanea.
Emilio Segre’ (1905-1989, premio Nobel per la fisica nel 1959) ricostruisce con dovizia di particolari il susseguirsi delle varie scoperte, e delle rivoluzioni teoriche, soffermandosi sulle biografie, e persino sulle psicologie, non solo dei protagonisti, ma anche di numerosi gregari.
L’autore prende le mosse dalla fine dell’Ottocento, periodo nel quale la fisica sperimentale fece alcune fondamentali scoperte che avrebbero aperto nuovi campi di indagine nel mondo microscopico: l’effetto Zeeman (scissione delle righe spettrali emesse da un atomo dovuta alla presenza di un campo magnetico - 1896), la misurazione della carica dell’elettrone (o meglio del rapporto e/m) da parte di J.J.Thomson (1897), la scoperta di Rontgen dei raggi X (1895), la radioattivita’ (scoperta da H.Becquerel nel 1896 e studiata in seguito soprattutto da M.Curie).
Successivamente Segre’ dedica tre capitoli a tre pilastri della fisica: Rutherford, Planck ed Einstein.
Rutherford e’ stato uno dei massimi fisici sperimentali dei primi del Novecento, nonche’ un punto di riferimento per la comunita’ fisica del suo tempo: suoi sono stati i fondamentali esperimenti che hanno portato alla creazione di un primo modello atomico nel cui l’atomo era composto da un nucleo centrale attorno al quale orbitavano uno (o piu’) elettroni, come pianeti che orbitano attorno al sole. Questo modello porta ancora oggi il suo nome, anche se poi fu abbandonato con l’avvento della nuova Meccanica Quantistica.
Il pioniere di questo rinnovamento fu Planck, che fu il primo ad adottare con successo l’ipotesi della quantizzazione dell’energia, nel tentativo di dare una soluzione al problema teorico del corpo nero. Questa ipotesi col tempo assunse un’importanza sempre maggiore e porto’ alla crisi della Fisica Classica, e in particolare all’abbandono dei modelli atomici classici.
La figura di Einstein non ha bisogno di presentazioni.
Innanzitutto egli fu uno dei primi fisici a capire l’importanza della quantizzazione, che ipotesi che adotto’ sistematicamente nella sua soluzione al problema dell’effetto fotoelettrico (l’altro grande problema irrisolto della fisica teorica dei primi del Novecento).
Ma soprattutto il suo nome e’ legato alla Teoria della Relativita’, che ha rivoluzionato gli stessi concetti di spazio e di tempo, ha introdotto il limite fisico insuperabile della velocita’ della luce, ed ha dato una nuova teoria del campo gravitazionale come curvatura dello spazio tempo causata dalla presenza della massa.
Queste idee, apparentemente paradossali ed incredibilmente ardite per quei tempi, hanno ricevuto nondimeno una serie impressionante di conferme sperimentali, in particolar modo nel campo della cosmologia (in cui gli effetti relativistici si fanno maggiormente sentire a causa delle grandi distanze) oltre ad essere formulate in una forma matematica di grande eleganza.
Si dice che Einstein tenesse molto alla semplicita’ e al lato estetico di una teoria fisica. Quando la Teoria della Relativita’ ricevette le prime conferme sperimentali, gli fu chiesto che cosa avesse fatto se mai la sua teoria si fosse rivelata errata. Egli rispose con la sua la tipica ironica "immodestia": “In quel caso mi sarebbe dispiaciuto molto per il buon Dio, perche’ la teoria e’ corretta”.
I capitoli successivi sono dedicati alle figure dei padri fondatori della Meccanica Quantistica, in particolare Bohr, L.de Broglie, Heisenberg, Pauli, Dirac e Schroedinger: vengono raccontate le varie tappe del cammino teorico che ha portato fino alla formulazione della nuova teoria.
In estrema sintesi la Meccanica Quantistica dice che sia le particelle elementari che compongono la materia, sia quelle di cui e’ composta la luce (i fotoni, che erano stati introdotti da Einstein nella sua teoria dell’effetto fotoelettrico) hanno una duplice indistinguibile natura di particelle e di onde: questo era stato constatato inconfutabilmente da una serie di esperienze sperimentali.
La natura misteriosa di queste “onde” favori’ un acceso dibattito filosofico che si risolse nella creazione di due scuole di pensiero, una “scuola realista” che annoverava tra i propri sostenitori Schroedinger, de Broglie e lo stesso Einstein, e la cosiddetta “scuola di Copenhagen”, capitanata da Bohr, Heisenberg e Pauli.
La scuola realista credeva che la particella realmente si “spappolasse” formando un’onda, ed il suo piu’ grande contributo e’ l’equazione di Schroedinger, l’equazione d’onda per le particelle, ovvero la legge che descrive l’evoluzione temporale della particella/onda.
La scuola di Copenhagen fu piu’ radicale, ed interpreto’ l’onda associata ad una particella in senso statistico: non si tratta di onde reali ma oggetti matematici tramite i quali possiamo calcolare la probabilita’ di presenza della particella (che si distribuisce effettivamente come un’onda). Quando osserviamo una grande quantita’ di particelle osserviamo proprio quella probabilita’ e quello che vediamo ha l’aspetto di un’onda.
Una conseguenza del dualismo onda/corpuscolo e’ che ci sono degli aspetti diversi della materia che non possono essere conosciuti contemporaneamente con la massima precisione: questo e’ noto come il principio di indeterminazione di Heisenberg  (1927) e ci dice ad esempio che se conosciamo con precisione la posizione di una particella non possiamo conoscerne contemporaneamente anche la velocita’.
Una spiegazione qualitativa di questo fatto e’ che a causa della quantizzazione ogni misurazione produce una perturbazione nel sistema osservato, perturbazione che e’ tanto piu’ forte quanto e’ precisa la misurazione: tutto cio’ puo’ sembrare strano, ma e’ stato espresso da Heisenberg in forma puramente algebrica.
L’interpretazione di Copenhagen fu prevalente e divenne quella standard, anche se ancora oggi ci sono sparuti gruppi di fisici (per lo piu’ fan di Einstein) che ancora sostengono posizioni vicine alla scuola realista.
La Meccanica Quantistica forni’ l’apparato concettuale necessario alla nuova fisica delle particelle elementari che stava nascendo in quegli anni.
Gia’ nel 1928 Dirac era pervenuto ad una forma relativisticamente invariante dell’equazione di una particella (scrisse l’equazione per un elettrone in un campo elettromagnetico): cio’ rappresentava una prima unificazione della Teoria Quantistica con la Relativita’ Ristretta, ovvero l’atto di nascita della Teoria Quantistica dei Campi., disciplina che ancora oggi e’ lungi dall’essere completata, ma che ha fatto notevoli progressi durante tutto il Novecento.
Per Segre’ l’anno zero del nuovo corso e’ pero’ il 1932: in quell’anno furono fatte delle importanti scoperte nel campo della fisica nucleare, in particolare furono scoperti il neutrone (cioe’ il protone neutro), il positrone (ovvero l’elettrone positivo, cioe’ l’antiparticella dell’elettrone, la cui esistenza era stata sorprendentemente prevista teoricamente da Dirac), e il deuterio (un importante isotopo dell’idrogeno).
Da allora, dapprima le ricerche sui raggi cosmici, ed in seguito gli esperimenti fatti negli acceleratori di particelle sempre piu’ potenti, hanno rivelato una dopo l’altra una serie di nuove particelle “elementari”: queste particelle venivano dapprima descritte empiricamente, e poi inserite gradualmente nel quadro teorico della Teoria Quantistica dei Campi, che veniva via via modificata per rendere conto delle nuove evidenze sperimentali.
Le principali modificazioni sono state l’introduzione di nuove forze tra le particelle elementari come l’interazione forte (che lega ad esempio il protone ed il neutrone nel nucleo) e l’interazione debole (responsabile ad esempio del decadimento radioattivo beta).
Oggi si distinguono quattro tipi di interazione tra le particelle: elettromagnetica, gravitazionale, forte e debole.
Quest’ultima e’ stata ipotizzata dal fisico italiano E. Fermi, alla cui figura il libro dedica un intero capitolo (essendo stato tra l'altro il professore di Segre').
Il suo nome e’ legato ad importanti scoperte nel campo della fisica nucleare, in particolare all’energia atomica, ma anche idee teoriche come la statistica di Fermi: egli e’ presentato come forse l’ultimo fisico che ha dominato con successo sia la fisica sperimentale che quella teorica.
L’autore descrive ampiamente tutto lo sviluppo che porto’ alla scoperta ed all’utilizzo dell’energia atomica, essendo stato tra l’altro uno dei protagonisti (la “scuola di via Panisperna”), non mancando tra l’altro di ricordare piu’ e piu’ volte il suo premio Nobel e quelli dei suoi collaboratori.
Il terreno era stato preparato dai coniugi F.Joliot-I.Curie (figlia di M.Curie) con la loro scoperta della radioattivita’ artificiale, ma poi ci furono altre tappe fondamentali: dai neutroni lenti alla scissione nucleare e alla reazione a catena, fino alla bomba atomica e alla pila atomica.
In particolare le ricerche per arrivare alla bomba atomica furono portate avanti in maniera febbrile, perche’ erano gli anni della II guerra mondiale e si temeva che i Tedeschi potessero giungere prima a questo risultato.
Nel Dopoguerra ci fu la massima fioritura della fisica delle particelle elementari.
Del resto gli acceleratori stavano diventando sempre piu’ grandi e grazie soprattutto ad essi molti costituenti della materia che erano considerati elementari furono scissi in pezzi piu’ piccoli.
Su questa parte il libro e’ certamente un po’ datato perche’ da quando e’ stato scritto (1976) molte opinioni si sono consolidate, mentre altre sono state abbandonate.
I nomi maggiori di questo filone sono H.Yukawa, M.Gell-Mann (lo scopritore dei quark), C.S.Wu, C.N.Yang.
Un ultimo capitolo e’ dedicato agli ultimi sviluppi (per l'epoca), sia teorici come l’Elettrodinamica Quantistica (formulata da Feynman, Schwinger e Tomonaga, che per questo ottennero il Nobel) che e’ un primo caso particolare di Teoria Quantistica dei Campi, sia sperimentali come la scoperta della superconduttivita’, dell’effetto Mossbauer, e l’invenzione dei Laser e dei Maser.
Interessante e’ anche il capitolo conclusivo, nel quale Segre’ fa alcune considerazioni, come quella che nelle nuove generazioni di fisici e’ sempre piu’ frequente una tendenza all’astrazione (che ha come precedente illustre la stessa Meccanica Quantistica), dovuta forse al fatto che gli esperimenti si sono fatti via via piu’ costosi fino a raggiungere limiti proibitivi. E il successo che sta avendo in questi anni la teoria delle stringhe sembra dargli ragione (uno dei massimi teorici delle stringhe, Edward Witten, fisico, ha vinto il piu' prestigioso riconoscimento della Matematica, la medaglia Fields).