Quando i fisici seguono il loro istinto

In questa epoca di grande scienza, con la fisica fondamentale generalmente testata in laboratori tentacolari come CERN e LIGO, gli individui anticonformisti che fanno una grande differenza attraverso le loro intuizioni azzeccate sono una razza sempre più rara. Chi lo ha fatto in passato ha assunto una qualità quasi mitica

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In questa epoca di grande scienza, con la fisica fondamentale generalmente testata in laboratori tentacolari come CERN e LIGO, gli individui anticonformisti che fanno una grande differenza attraverso le loro intuizioni azzeccate sono una razza sempre più rara. Chi lo ha fatto in passato ha assunto una qualità quasi mitica. Le loro eccellenti ipotesi hanno cambiato la storia in un modo che oggi sarebbe molto più difficile a causa della complessità di molte aree di ricerca, che spesso richiedono massicce collaborazioni.

I fisici Fred Hoyle e George Gamow

Sono passati 20 anni dalla morte, il 20 agosto 2001, del controverso astrofisico britannico Fred Hoyle, un iconoclasta noto tanto per la sua ostinata adesione a credenze marginali quanto per i suoi sostanziali contributi alla scienza. Sia il bene che il male nella sua carriera derivavano dalla stessa fonte: una propensione per le previsioni radicali basate su calcoli del sedile dei pantaloni e un senso intuitivo di quale deve essere la spiegazione corretta secondo le regole della natura.

Il principale partner di dibattito di Hoyle, almeno dal punto di vista dei media, era il fisico russo-ucraino-americano George GamowGamow morì nel 1968, più di tre decenni prima di Hoyle, ma il loro tempo insieme sotto i riflettori pubblici, all’incirca dai primi anni ’50 alla metà degli anni ’60, fu abbastanza lungo da rendere leggendaria la loro battaglia di idee. La loro disputa riguardava l’origine dell’universo e della materia al suo interno. Mentre entrambi concordavano sul fatto che lo spazio si sta espandendo, Hoyle sostenne a gran voce che era infinitamente vecchio, con nuova materia che lentamente gocciolava nello spazio vuoto lasciato dall’espansione, creando nuove stelle e galassie e colmando le lacune nel corso degli eoni. Pertanto, in quello che lui e i co-creatori Hermann Bondi e Thomas Gold hanno chiamato “universo in stato stazionario”, il cosmo sembra essenzialmente lo stesso nel complesso nel tempo.

Gamow, d’altra parte, credeva che tutta la materia fosse stata creata in uno stato caldo e denso, miliardi di anni fa, quando l’universo osservabile era molto più piccolo. Durante i primi infuocati minuti, tutti gli elementi chimici erano stati falsificati, credeva. Insieme ai suoi associati Ralph Alpher e Robert Herman, ha cercato di mostrare come un tale accumulo potrebbe essere fattibile in un calderone cosmico primordiale. Respingendo l’idea di una massiccia violazione della conservazione della materia e dell’energia all’alba dei tempi, Hoyle ha deriso tali modelli (compresa un’idea precedente del matematico e sacerdote belga Georges Lemaître). In un programma radiofonico della BBC nel marzo 1949, soprannominò una genesi così improvvisa il “big bang”, un nome che rimase.

Come Hoyle, Gamow faceva spesso affidamento sui suoi sentimenti istintivi per fare previsioni scientifiche. Aveva poca pazienza per progetti che richiedevano pagine e pagine di calcoli e molti anni di sforzi. Quindi, mentre le loro visioni cosmologiche erano molto dissimili, il loro modo di condurre la ricerca aveva molto in comune.



Ad esempio, nel 1928, durante una visita all’Università di Göttingen in Germania, Gamow apprese di un dilemma che i fisici affrontarono nello spiegare il processo di decadimento alfa, quando un nucleo pesante come l’uranio espelle improvvisamente una particella alfa (un ammasso di due protoni e due neutroni). Chiaramente, la particella alfa attraversa una sorta di barriera energetica che normalmente vietava il passaggio, ma come? Intuitivamente, l’enigma gli ricordava una situazione nella meccanica quantistica in cui gli elettroni avevano una possibilità finita di passare attraverso una regione classicamente proibita.

Gamow eseguì un rapido calcolo utilizzando regole quantistiche e risolse il problema del decadimento alfa durante la notte, condividendo i suoi risultati con il fisico ungherese Eugene Wigner il giorno successivo. Più tardi, Gamow apprese che i fisici di Princeton Ronald Gurney ed Edward Condon avevano sviluppato indipendentemente una soluzione simile. La fisica nucleare è progredita immensamente dopo quella svolta. La formula di Gamow prevedeva anche le collisioni tra i singoli nucleoni (protoni e neutroni), essenziali per comprendere come un ciclo di fusione trasformi l’idrogeno in elio nei nuclei delle stelle vibranti, generando calore e luce nel processo.

L’accumulo di elementi chimici ha tuttavia un collo di bottiglia, che ha richiesto le intuizioni di Hoyle per aiutarlo a svelare. La natura non fornisce un modo semplice per creare l’isotopo carbonio-12 e gli elementi sopra di esso. La nucleosintesi del big bang – lo schema sviluppato da Gamow, Alpher e Herman per spiegare come sono stati forgiati gli elementi – non mantiene una temperatura sufficientemente alta per un tempo sufficientemente lungo da superare l’instabilità del berillio-8, uno dei gradini della scala per raggiungere il carbonio-12. Il berillio-8 decade estremamente rapidamente, offrendogli solo una minuscola possibilità di combinarsi con l’elio-4 per produrre carbonio-12 (matematicamente, il modo più semplice per creare quell’isotopo), a meno che le condizioni non fossero molto più favorevoli di quelle che il Big Bang potrebbe fornire.

Poiché non supportava il Big Bang, Hoyle non credeva che gli elementi chimici (a parte forse l’elio) fossero stati forgiati nell’universo primordiale. Piuttosto, nel 1946 escogitò brillantemente un metodo alternativo. Man mano che le stelle esauriscono la loro fonte primaria di carburante, trasformando l’idrogeno in elio tramite processi di fusione, i loro nuclei si contraggono e diventano sempre più caldi. Temperature così immense offrono l’ambiente perfetto per la creazione degli elementi. Inoltre, l’improvvisa contrazione alla fine della vita di una stella è, se è sufficientemente massiccia, accompagnata da un’esplosione di supernova che vomita gli elementi forgiati nello spazio. In breve, lo schema di Hoyle spiegava abilmente sia l’intruglio che la distribuzione degli elementi che vediamo sulla Terra.

Un’altra delle intuizioni fenomenali di Hoyle ha spiegato come superare il collo di bottiglia del berillio-8. Ha ipotizzato che il carbonio-12 possedesse un livello di energia quantistica che corrispondeva bene a quello del berillio-8 combinato con l’elio-4, rendendo le trasformazioni a temperature estremamente elevate abbastanza probabili da poter avvenire nei nuclei in contrazione. Quando un team di sperimentatori del Kellogg Radiation Laboratory del Caltech ha verificato che in natura esisteva un tale stato di eccitazione del carbonio-12, l’intuizione di Hoyle è stata splendidamente confermata.

L’aspetto negativo dell’approccio intuitivo adottato sia da Hoyle che da Gamow è che la semplice speculazione potrebbe andare fuori strada. Nel caso di Hoyle, gli piacevano le partite di scherma intellettuale e non gli importava se gli altri erano fortemente in disaccordo con le sue congetture, purché rimanessero aperte al dibattito. Quindi, si aggrappò alle variazioni del modello dello stato stazionario molto tempo dopo prove sostanziali, a partire dalla scoperta a metà degli anni ’60 di un debole bagliore di radiazioni che permea l’universo, indicando un Big Bang caldo.

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