IL NUOVO SAGGIATORE Hanno collaborato a questo BOLLETTINO DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA numero: Nuova Serie Anno 31 • N. 5 settembre-ottobre 2015 • N. 6 novembre-dicembre 2015 G. Benedek, L. Belloni, A. Bettini, J. J. Binney, R. Castaldi, L. Cifarelli, Direttore Responsabile Vicedirettore Comitato scientifico E. Colombi, I. Ciufolini, S. De Silvestri, Luisa Cifarelli Giuseppe Grosso G. Benedek, A. Bettini, M. Leone, L. Luperini, L. Maiani, P. Cenci, S. Centro, S. Croci, A. Oleandri, J. Peter Toennies, E. De Sanctis, S. Falciano, N. Robotti, P. Rossi, M. Segala, F. Ferroni, E. Iarocci, G. Spandre, T.Tajima, D. S. Wiersma I. Ortalli, F. Palmonari, P. Picchi, R. A. Ricci

sommario

3 EDITORIALE 73 The Italian Physical Society L. Cifarelli “Enrico Fermi” Prize and Medal 2015 T.Tajima, D. S. Wiersma SCIENZA IN PRIMO PIANO 75 SIF-IOP “Giuseppe Occhialini” Prize 5 One hundred years of General and Medal 2015 Relativity J. J. Binney I. Ciufolini 76 Leonardo da Vinci. Luci, ombre e 22 sessant’anni di yang-mills colori L. Maiani L. Luperini 83 Il Nuovo Cimento 150, 100, 50 anni fa A. Bettini News 84 Anno Internazionale della Luce: una cascata di eventi L. Cifarelli, A. Oleandri 86 Inaugurata a Genova una nuova FISICA E... grande mostra su Enrico Fermi 33 La Farbenlehre di Goethe L. Cifarelli, A. Oleandri M. Segala 88 Il premio Nobel per la Fisica 2015 A. Bettini percorsi 91 La fisica universitaria in una 45 il colore del calore: Macedonio prospettiva di genere: 1980-2015 melloni e l’infrarosso P. Rossi E. Colombi, M. Leone, N. Robotti 57 The unpublished notebooks of 94 RECENSIONI Bruno Pontecorvo in Russia R. Castaldi, G. Spandre 95 in evidenza

IL NOSTRO MONDO 96 indici volume 31 69 Cerimonia Inaugurale 101° Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica Il Nuovo Saggiatore - Bollettino della Società Italiana di Fisica viene inviato gratuitamente ai Soci

Modalità di Iscrizione alla sif

Per iscriversi occorre presentare domanda di associazione con un breve curriculum scientifico e l’indicazione di due Soci presentatori. La domanda di associazione può essere fatta online (oppure scaricando l’apposito modulo di associazione, pubblicato anche in questo fascicolo) all’indirizzo: http://www.sif.it/associazione. La domanda verrà poi esaminata ed eventualmente approvata dal Consiglio di Presidenza. Il pagamento della quota sociale, nei modi sotto indicati, dovrà avvenire dopo aver ricevuto comunicazione della accettazione a Socio.

Rinnovo Quote Sociali

Il rinnovo della quota sociale può essere effettuato:

• Online nell’Area Soci del sito web della SIF; in questo caso si utilizza la carta di credito, con collegamento diretto e sicuro al sito della Banca Nazionale del Lavoro (BNL). Ricordiamo che l’Area Soci è un’area protetta per accedere alla quale occorre utilizzare username e password che vengono inviati a tutti i Soci. (Per accedere agli altri servizi disponibli nell’Area Soci occorre essere Soci in regola). • Seguendo le modalità pubblicate in rete all’indirizzo: http://www.sif.it/associazione. In caso si desideri procedere anche in questo caso con la carta di credito, ricordarsi di usare l’apposito modulo debitamente compilato in tutte le sue parti. • È anche possibile rinnovare l’associazione alla European Physical Society (EPS) attraverso le rispettive società nazionali. I Soci che desiderano pagare la propria quota di associazione all’EPS tramite la SIF possono farlo con le modalità di cui sopra. Le quote di associazione all’EPS sono pubblicate in ultima pagina e in rete allo stesso indirizzo sopraindicato.

How to become a SIF member

To apply for membership an application form must be filled in, including a brief scientific curriculum and the signatures of two introducing Members. The application can be filled in online or downloading the application form at the following address: http://en.sif.it/association. The application form will be examined and eventually approved by the Council. Applicants will have to pay the membership dues, as indicated in the form, only after having been informed by the Society about the acceptance of their application.

Membership Renewal

Those who wish to renew membership, may pay dues by one of the following terms of payment:

• Online by credit card through direct connection with the bank (BNL). This service can be accessed through the Members Area of the SIF website. We remind you that the Members Area is secured and can be accessed only through the username and password supplied to Members. • By cheque or credit card filling the payment form published on the web at the address: http://en.sif.it/association . In case you wish to use the credit card also in this case, make sure to fill in the form in all its parts. • It is also possible to renew the association to the European Physical Society (EPS) through the respective national societies. Members who wish to pay the EPS association fee through SIF can do so according to the instructions above. The EPS association fees are available on the SIF website at the above-indicated address.

2 < il nuovo saggiatore EDITORIALE / EDITORIAL The English version is available online

Cari Lettori, cari Soci, alla nostra “unequivocal”) aveva scatenato molte polemiche, al punto da provocare una revisione della dichiarazione da parte dell’APS. il mio Editoriale questa volta non poteva che iniziare parlando di una La conclusione dell’APS, molto simile alla mia, era che il contributo dei recente polemica sul clima, che mi ha vista coinvolta insieme alla SIF e ai fisici al problema del clima, di così vitale rilevanza, dovrebbe soprattutto fisici italiani in toto in una strana vicenda mediatica. Si è detto fin troppo essere di carattere scientifico e tecnologico. Ovviamente, anche nella sulla faccenda e sulla mia presa di posizione sostanzialmente in merito a recentissima dichiarazione [4] dell’APS del novembre 2015, alla vigilia una parola, “unequivocal”, riferita all’origine antropica del riscaldamento dell’incontro di Parigi sul clima, questa parola (o analoghe) non c’è. climatico, che avrei voluto fosse solo leggermente attenuata per darle Dopo questa premessa, che ritenevo doverosa, vorrei parlare del una connotazione un po’ più probabilistica. È stato il netto rifiuto a questa 2015 che sta per concludersi. In questo numero de Il Nuovo Saggiatore, richiesta e a qualsiasi discussione che mi ha trattenuta dal sottoscrivere figura un riassunto (p. 84-85) delle molteplici attività che si sono svolte a nome della SIF la dichiarazione [1] del Science Symposium on Climate in Italia per celebrare l’anno della luce IYL 2015. La SIF ha patrocinato - ROME2015 (19-20 novembre 2015), organizzato dalla SISC (Società quasi 100 eventi sul tema della luce e delle sue tantissime applicazioni in Italiana per le Scienze del Clima) in collaborazione con altre Società. tutti i campi. Questi eventi nel mondo sono stati circa 2500, monitorati Il mio operato ha scatenato un uragano che ha colpito, oltre a me, dal Segretariato Internazionale dell’IYL 2015 presso l’ICTP. Un grande anche la SIF e i fisici italiani, cosa che mi ha profondamente addolorata. successo, a coronamento di un’occasione unica per la diffusione della Si è trattato purtroppo di una reazione eccessiva, del tutto strumentale, cultura scientifica, iniziata a Parigi, con la bella cerimonia inaugurale del derivata, a mio avviso, da una micidiale confusione tra argomenti 19-20 gennaio 2015, e che si concluderà in Messico, a Mérida, con una scientifici e politici. solenne cerimonia di chiusura il 4-6 febraio 2016. Ho cercato di spiegare, prima di tutto in rete, come fossero andate Nel corso del 2015 la situazione economica della Società è rimasta esattamente le cose (tempi, modalità, ecc.) e le mie motivazioni. Ho sotto controllo e le sue attività scientifiche, culturali ed editoriali sono cercato anche di chiarire che non si fanno in questo modo, in fretta e andate avanti per il meglio. Il bilancio complessivo è dunque positivo senza dialettica, le dichiarazioni “condivise” tra diverse Società, usando sotto vari punti di vista. la tecnica del prendere o lasciare. In queste condizioni mi è stato solo A Varenna, nel quadro della International School of Physics “Enrico possibile effettuare una consultazione “lampo” del Consiglio della SIF per Fermi”, oltre a due eccellenti corsi su materia soffice e fotonica, e-mail. Ma in rete, si sa, purtroppo accade che nei vari blog si legga solo rispettivamente, si è anche svolto uno speciale workshop dedicato al il commento al commento del commento, senza risalire alla fonte, in un futuro delle grandi infrastrutture di ricerca, un tema di notevole interesse distorto crescendo. in termini di sfide e opportunità. Ho quindi ritenuto opportuno accettare di rilasciare un’intervista, Il 101° Congresso della SIF si è tenuto a Roma con successo e molta pubblicata su La Repubblica il 5 dicembre scorso, che purtroppo visibilità sui media, radunando per l’occasione un gran numero di (soprattutto a causa del titolo assolutamente travisante) non ha fatto partecipanti. che peggiorare le cose. Ho infine scritto una “Lettera al Direttore” La SIF ha poi attivamente collaborato alla realizzazione di una nuova dello stesso quotidiano, pubblicata il sabato successivo, aimè in forma mostra multimediale su Enrico Fermi, come illustrato in questo numero molto ridotta. Potete, se volete, leggere questa mia lettera [2] nella de Il Nuovo Saggiatore (p. 86-87), che è stata inaugurata a Genova in sua versione originale sul sito web della SIF, nella quale faccio anche occasione del Festival della Scienza e già visitata da migliaia di studenti. osservare che i nostri amici chimici, matematici e astronomi, pur non Sul fronte editoriale, sia per le riviste proprie della SIF sia per quelle a avendo sottoscritto la dichiarazione perché non coinvolti dalla SISC per partenariato europeo, la situazione è soddisfacente. motivi che ignoro, sono rimasti estranei alla polemica che ha travolto Il Nuovo Saggiatore ha brillantemente compiuto i suoi primi trent’anni soltanto i fisici. Mi auguro che la mia lettera possa costituire un elemento e dovrà essere più strettamente collegato, in termini di notizie e di chiarezza. So perfettamente che non tutti la pensano come me, ed contenuti, con il Giornale di Fisica, che potrà così risultare ancora più è bene che sia così, ma spero che sia finalmente chiaro a tutti cosa è in mirato ed efficace per il mondo della scuola. realtà accaduto. Per EPJ Plus, che ha ormai compiuto cinque anni, il numero delle Può essere interessante leggere un “Climate Change Commentary” [3] sottomissioni è in continua crescita. Sono stati pubblicati tanti sul sito web dell’American Physical Society (APS) che riguarda una interessanti articoli e le aspettative di impact factor per il 2016 dichiarazione dell’APS di qualche anno fa, appunto sul tema. Scoprirete sembrano essere buone. La Rivista del Nuovo Cimento è ormai un punto di che anche oltreoceano la parola “incontrovertible” (che tanto assomiglia riferimento per la nostra disciplina. L’esordio nel 2015 de Il Nuovo Cimento Open Access per la pubblicazioni di atti di conferenze è promettente e non desta allarmi dal punto di vista economico. Concludo nell’annunciare che proprio nei giorni in cui a Parigi si svolgevano i recenti terribili attentati terroristici, le Società Italiana e Francese di Fisica hanno istituito un premio congiunto, intitolato a Jacques Friedel e Vito Volterra. Per noi questa è stata anche un’occasione per manifestare la nostra commossa solidarietà ai colleghi francesi.

A voi tutti i miei grati e sinceri auguri per un felice 2016.

[1] http://www.rome2015.it/wp-content/uploads/2015/11/ statment_ROME2015_on_line.pdf [2] http://static.sif.it/SIF/resources/public/files/ Lettera_al_Direttore_20151209.pdf [3] https://www.aps.org/policy/statements/07_1.cfm [4] http://www.aps.org/policy/statements/15_3.cfm Credit: Watercolour by Fritz Wagner, “Norwegische Küste 15”, 2014

VOL31 / NO3-4 / ANNO2015 > 3 C A L E N D A R I O E V E N T I

VARENNA - VILLA MONASTERO - LAKE COMO

INTERNATIONAL SCHOOL OF PHYSICS “ENRICO FERMI”

196th Course 27 June - 6 July 2016 • “Metrology: from physics fundamentals to quality of life” Directors: M. INGUSCIO (INRIM, Torino), M. MILTON (BIPM, Sèvres), P. TAVELLA (INRIM, Torino)

197th Course 8 - 13 July 2016 • “Foundations of Quantum Theory” in collaboration with the Wilhelm und Else Heraeus Foundation Directors: E. M. RASEL (Universität Hannover), W. P. SCHLEICH (Universität Ulm)

198th Course 22 - 27 July 2016 • “Quantum simulators” Directors: T. CALARCO (Universität Ulm, Germany), R. FAZIO (Scuola Normale Superiore, Pisa), P. MATALONI (Università “La Sapienza”, Roma)

The 3rd Course of the EPS-SIF International School on “Energy” will jointly take place together with the 69th Course of the International School of Solid State Physics: “Materials for Energy and Sustainability V” at the “Ettore Majorana” Foundation and Centre for Scientific Culture, Erice on 13 - 19 July 2016 Directors: D. Cahen (Weizmann Institute of Science Rehovot), L. Cifarelli (Università and INFN, Bologna), D. Ginley (NREL Golden, CO), A. Slaoui (ICUBE-CNRS, Strasbourg), A. Terrasi (Università e CNR-IMM, Catania), F. Wagner (Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Greifswald)

102° CONGRESSO NAZIONALE DELLA SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA Padova, 26 - 30 settembre 2016

ELEZIONI DELLE CARICHE SOCIALI SIF PER IL TRIENNIO 2017-2019

A norma del Regolamento Elettorale per le cariche sociali della Società Italiana di Fisica l’Assemblea Elettorale è convocata, in occasione del 102° Congresso Nazionale della SIF presso l’Università di Padova, mercoledì 28 settembre 2016 alle ore 9.00. Il Seggio Elettorale verrà aperto alle ore 10.00 di mercoledì 28 settembre e verrà chiuso alle ore 10.00 di venerdì 30 settembre. Si rammenta che, a norma del nuovo Regolamento, reperibile nell’Area Soci e che prevede la procedura di voto solo con modalità telematica (approvato durante l’Assemblea Generale dei Soci, il 22 settembre 2015 a Roma), hanno diritto di voto i Soci in regola con la quota sociale 2016 all’atto del voto, purché la messa in regola sia avvenuta entro l’apertura del Seggio Elettorale. L’elenco di tali Soci, costantemente aggiornato, verrà reso disponibile nell’Area Soci del sito web della SIF. I Soci che intendono candidarsi per le cariche sociali dovranno comunicare esplicitamente la loro intenzione al Presidente della SIF almeno 45 giorni prima dell’Assemblea Elettorale. Secondo il nuovo Regolamento, possono essere candidati e quindi eletti i Soci che, in regola con la quota sociale 2016 al momento della presentazione della loro candidatura, lo erano anche nel 2015.

4 < IL NUOVO SAGGIATORE scienza in primo piano

ONE HUNDRED YEARS OF GENERAL RELATIVITY Einstein’s gravitational theory and its observational triumph

Ignazio Ciufolini Università del Salento, Lecce, Italy Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”, Roma, Italy

On the occasion of the centanary of its formulation, a description is given of the foundation of General Relativity and of the experimental triumphs achieved by Einstein’s gravitational theory during the last one hundred years. In particular we describe the impressive Solar System tests of General Relativity, some of its important applications to our daily life and the present and future efforts to further test the gravitational interaction. Artistic view of the deflection of light by the Sun. Credit: Dave Jarvis,Artistichttp://davidjarvis.ca/dave/gallery Dave Credit: view of the deflectionby the Sun. of light

1 Introduction

One hundred years ago, between 1914 and 1916, Albert Einstein (1879-1955) published a series of fundamental papers describing the new geometrical theory of gravitation known as General Relativity [1-3]. The field equations of General Relativity in their final form were presented over a period of five days at the end of 1915 by David Hilbert (1862-1943) [3] and Albert Einstein [4] using two different methods. During the past century Einstein’s gravitational theory of General Relativity [5-9] gave rise to an experimental and theoretical triumph. On the one hand, a number of key predictions of General Relativity have been experimentally confirmed with impressive accuracy [10-13]. On the other hand, Einstein’s gravitational theory is a fundamental component for the understanding of a number of astrophysical and cosmological observations [6,8]. Furthermore, General Relativity today has practical applications in space research, geodesy, astronomy and navigation in the Solar System, from the global positioning satellite system (GNSS) to the techniques of very long baseline interferometry (VLBI) and satellite laser ranging (SLR).

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Fig. 1 Sagittarius A*: the supermassive black hole (in the middle) at the center of our Milky Way galaxy. The large image displays X-rays from the NASA’s Chandra X-ray Observatory in blue and infrared emission from the Hubble Space Telescope in red and yellow. The inset shows a close-up view of Sgr A* only in X-rays. Credits: X-ray: NASA/ UMass/D.Wang et al., IR: NASA/ STScI. http://chandra. harvard.edu/photo/2013/ sgra_gas/sgra_gas_hand. pdf

Today the evolution of the universe and the gravitational interaction are described by General Relativity which represents gravitation as spacetime curvature. Fundamental predictions of General Relativity include the expansion of the universe and black holes (fig. 1). Despite its experimental triumph during the last one hundred years, Einstein’s theory has encountered some unexpected developments in observational cosmology. Indeed, the study of distant supernovae in 1998 led to a discovery that they accelerate away from us [14,15], this accelerated expansion of the universe is explained by “dark energy” but its nature is today one of the biggest riddles in physics [16]. Observational data currently support its interpretation as the cosmological constant introduced by Einstein. However its current value needs to agree with the expectations of quantum field theory. General Relativity is a classical theory that does not encompass Quantum Mechanics and no one has succeeded in a quantized version of Einstein’s theory, though there are efforts, with both Loop Quantum Gravity and String Theory [17,18] approaches. Combining General Relativity with quantum theory might reveal the nature of dark energy and hence resolve the mystery of its value, and whether it might be related to dark matter (that invisible form of matter inferred from its gravitational effects). Furthermore, Einstein’s theory predicts the occurrence of spacetime singularities, events in which every known physical theory ceases to be valid, the spacetime curvature diverges and time ends [19]. Modifications of Einstein’s gravitational theory on cosmological scales, for instance the so-called f(R) theories (with higher-order curvature terms in the action), have been proposed to explain the acceleration of the universe without dark energy.

6 < il nuovo saggiatore scienza i. ciufolini: One hundred years of General Relativity in primo piano 2 General relativity and its experimental point-like event of the spacetime, there exists a sufficiently confirmations small neighbourhood of the event in which in every local, freely falling frame all the non-gravitational laws of physics 2.1 The equivalence principle and the gravitational time are the laws of Special Relativity. dilation The medium strong form of the equivalence principle is The equivalence principle is at the foundations of General satisfied by General Relativity and by the metric theories Relativity and of its geometrical structure. It is one of the best of gravity. By replacing “all the non-gravitational laws of tested principles in the whole field of physics. In the scientific physics” with “all the laws of physics” we get the very strong literature there are a number of different formulations of equivalence principle, which is at the basis of Einstein’s the equivalence principle that are at the basis of different theory. The difference between the medium strong and gravitational theories. The weak form, also known as the the very strong form of the equivalence principle is that uniqueness of free fall or the Galilei equivalence principle, the former applies to all phenomena except gravitation is at the basis of the most of the known viable theories of itself whereas the latter applies to all phenomena of nature. gravitation. The medium strong form is at the basis of the This means that according to the medium strong form, the so-called metric theories of gravity, i.e. those geometrical existence of a gravitational field could possibly be detected theories of gravitation based on a symmetric metric tensor in the free-falling frames by the influence of the gravitational to describe the geometry of spacetime, and the very strong field on local gravitational phenomena. form is a cornerstone of Einstein’s theory. For example, the gravitational binding energy of a body Galileo Galilei (1564-1642) in his Dialogues Concerning Two could contribute differently to the inertial mass and to the New Sciences writes: “The variation of speed in air between passive gravitational mass and therefore we could have, for balls of gold, lead, copper, porphyry, and other heavy materials different objects, different inertial mass to gravitational mass is so slight that in a fall of 100 cubits a ball of gold would surely ratios. This phenomenon is called the Nordtvedt effect and not outstrip one of copper by as much as four fingers. Having occurs for example in the scalar-tensor theory of Jordan- observed this, I came to the conclusion that in a medium totally Brans-Dicke. void of resistance all bodies would fall with the same speed”. In spite of the extreme smallness of this effect for solar The weak equivalence principle or Galilei equivalence system bodies, if the very strong equivalence principle is principle has thus been formulated in the following way: “the violated, then Earth and Moon, with different gravitational motion of any free-falling test particle is independent of its binding energies, would have different inertial mass to composition and structure” (where a test particle is defined passive gravitational mass ratios and therefore would have to be electrically neutral, to have negligible gravitational different accelerations towards the Sun; this would lead to binding energy compared to its rest energy, to have the polarization of the Moon orbit around Earth. The Lunar- negligible angular momentum and to be small enough that Laser-Ranging (LLR) experiment has put strong limits on the inhomogeneities of the gravitational field within its volume existence of the Nordtvedt effect and on the violation of the have negligible effect on its motion). very strong equivalence principle. In 1969, with the Apollo The weak equivalence principle – that all the test particles 11 mission, a system of high-precision optical cube corner fall with the same acceleration – is based on the principle reflectors was placed on the Moon’s Sea of Tranquility. Since that the ratio of the inertial mass to the gravitational mass is then, other cube corner reflectors have been placed on the the same for all the bodies, this last is also called the Newton Moon (Apollo 14, Apollo 15, Luna 17, Luna 21...). Using short equivalence principle (Isaac Newton, 1642-1727). The weak laser pulses it is possible to measure with high precision the equivalence principle can be reformulated by saying that in a ranges from the emitting lasers on Earth and the reflectors local, non-rotating, freely falling frame (such as a freely falling, on the Moon. Today the typical LLR ranging accuracy to the non-rotating elevator), the lines followed by a free-falling reflectors on the Moon is at the level of a centimetre. Lunar test particle must be straight lines, in agreement with Special Laser Ranging has been able to put strong validity limits on Relativity. the scalar-tensor Jordan-Brans-Dicke theory, limits on the Einstein generalized the weak equivalence principle to all time decrease of the gravitational constant G predicted by the laws of Special Relativity. He hypothesized that in the the scalar-tensor theory and by Dirac cosmologies and limits local free-falling frames we cannot detect the existence of the on other alternative gravitational theories. The parameter gravitational field, not from the motion of test particles, as in measuring the validity of the strong equivalence principle the weak equivalence principle, but also not from any other is called η and is equal to zero in General Relativity. Today physical phenomenon. One can therefore state the medium η is measured by LLR to be zero with an accuracy of about strong form of the equivalence principle, also called the 2 × 10–4. Einstein equivalence principle, in the following way: for every The weak equivalence principle, the base of most of viable

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gravitational theories, has been tested by a huge number of the ends of a torsion balance. For the rotating Earth, the experiments and methods, from the pendulum experiments effective gravitational force is the sum of centrifugal force of Galileo Galilei, Isaac Newton and Christiaan Huygens (proportional to inertial mass, directed away from the spin (1629-1695), to the latest torsion balance experiments and axis of the Earth) and gravitational force (proportional to Lunar Laser Ranging reaching an accuracy of approximately passive gravitational mass) directed toward the center of the 10–13. It will be tested with an accuracy of about 10–15 by the Earth. For objects horizontally at rest on the torsion balance, forthcoming space experiment MICROSCOPE of CNES to be there will be a torque in the horizontal plane if there is an orbiting the Earth in 2016. unequal ratio of centrifugal to gravitational forces. Thus if The pendulum experiments measure the possible the weak equivalence principle is violated, the masses will dependence of the period of the oscillations of the pendulum be subjected to different accelerations and consequently as a function of the various substances and masses at its end. there will be a measurable, net torque acting on the system. The first systematic tests of the uniqueness of free fall date The classical Eötvös experiments (1889 and 1922), using a back to Galilei. He tested the weak equivalence principle torsion balance, confirmed the weak equivalence principle in two different ways: inclined tables to “dilute gravity’’ and with an accuracy of approximately 5 × 10–9. Torsion balance pendula to minimize friction, he synthesized his results experiments were also performed in the field of Sun by Roll, with the famous gedanken experiment, dropping different Krotkov and Dicke (1964), with an accuracy of about 10–11, objects from the tower of Pisa. In his “Discorsi e Dimostrazioni and Braginsky and Panov (1972) with accuracy of about Matematiche Intorno a Due Nuove Scienze” Galilei describes 10–12. The Eöt-Wash team, using a torsion pendulum, has how, after having tried with freely falling objects and with confirmed the weak equivalence principle in the field of the inclined tables, he concluded that the best way to test the Earth, reaching in 2012 an accuracy of about 10–13 (Eöt-Wash equivalence principle was with pendula (at his time), he then experiment). Lunar Laser Ranging has also reached (2012) an reports the experiment performed: “[…] and finally I have accuracy of about 10–13. taken two balls, one of lead and one of cork, the former more An important effect that may be considered as a than one hundred times heavier than the latter, and I have tied consequence of the equivalence principle is the time dilation each of them to two very thin equal strings, four or five “braccia” of clocks in a gravitational field, or gravitational redshift. long [a “braccio’’ was slightly more than 50 cm], tied up The gravitational redshift may in fact be derived in a weak above; then I have removed both balls from the perpendicular field from the medium strong equivalence principle, the state, I have left them go at the same instant of time and, conservation of energy and basic classical and quantum going down on the circumferences of the circles described by mechanics. General Relativity and most viable gravitational the equal strings, their semidiameters, they went through the theories predict that a clock nearby a mass goes slow as perpendicular line, then, along the same way they came back, observed by a clock far from the mass. This is the time dilation and reiterating one hundred times their going there and back, of clocks in a gravity field. A phenomenon that takes a proper they have sensibly shown, that the heavier goes so slightly faster time Δτ at a point A, takes the proper time than the lighter, that not in one hundred vibrations, nor in one 1/2 thousand, it advances in time of a minimum interval, but they go (1) ΔτB = (g00 B / g00 A) ΔτA ≅ ΔτA (1 + UA – UB) ≡ ΔτA (1 – ΔU) , at the very same rate. One can also see the effect of the medium, that by causing some obstacle to the motion, reduces much as seen by one observer at another point B. Here the second more the vibrations of the cork than those of the lead, but does approximate expression refers to a weak gravitational field,

not make them more or less frequent […]”. g00 is the time-time component of the metric (see section The accuracy of the Galilei pendulum experiments 2.2 below) and U > 0 is the standard Newtonian gravitational

(about 1610) has been estimated by some authors to be potential, therefore if the radial distance rA > rB, ΔU = UB – UA approximately 2 × 10–3. Later, Christian Huygens and Isaac > 0, and the duration of a phenomenon measured by the

Newton improved the pendulum experiment. Using different proper time of standard clocks in B, ΔτB, is longer than that substances Newton reached (about 1680) an accuracy of measured by the proper time of standard clocks in A, ΔτA. approximately 10–3. The redshift of electromagnetic waves propagating Another type of highly accurate experiments of the from a body can then be easily derived as a consequence weak equivalence principle are the torsion balance of the time dilation of clocks in a gravitational field. The experiments. Masses of different materials are placed at gravitational time dilation has been tested measuring the

8 < il nuovo saggiatore scienza i. ciufolini: One hundred years of General Relativity in primo piano

Fig. 2 The NASA Gravity Probe A space test of the gravitational time delay.

frequency shift of electromagnetic waves propagating in a gravity field and comparing the rate at which standard clocks “tick” at different altitudes. In the present paper and, often in General Relativity, we use geometrized units such that the gravitational constant G and the speed of light c are equal to 1, i.e. time, multiplied by c, and mass, multiplied by G/c2, are measured in units of length. Among the redshift experiments, the Pound-Rebka-Snider experiment (1960-1965) used the Mössbauer effect and measuring the frequency shift ofγ -rays rising a 22.6 meter tower at Harvard, reached an accuracy of about 10–2. Other measurements have used the gravitational redshift of electromagnetic waves from white dwarfs, from 40 Eridani B, from Sirius B, from the Sun and from Saturn. However, the most accurate gravitational time dilation measurement is, so far, the Vessot and Levine (1979-80) Clock experiment, called GPA (Gravity Probe A)(fig. 2). Two hydrogen-maser clocks, one on a rocket at about 10000 km altitude and one on the ground, were compared. The accuracy reached, in agreement with the theoretical prediction, has been estimated to be approximately 2 × 10–4. Previous measurements used crystal clocks on the GEOS-1 Earth satellite, cesium-beam clocks on jets and rubidium clocks on jets. The high-stability clocks on the GNSS (Global Navigation Satellite System) spacecraft, regularly measure the gravitational time dilation relatively to the clocks on the ground. In section 4 below we briefly describe the important application of relativity to the GNSS positioning. The Atomic Clock Ensemble in Space (ACES) experiment of the European Space Agency (ESA) will place in 2016 cold atom clocks on the International Space Station to measure the gravitational time dilation with an accuracy of about 2 × 10–6 (fig. 3).

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Fig. 3 An artistic view of the ACES experiment on the Columbus module of the International Space Station containing PHARAO and Space H-Maser. Credit: ESA–David Ducros, http://www.esa. int/spaceinimages/ Images/2009/12/ACES

2.2 Spacetime curvature and the field equations of Einstein’s gravitational theory Einstein’s theory of gravitation is based on a spacetime manifold with dynamical curvature that is generated by mass-energy and mass-energy currents via the field equations. The motion of any test-particle, that to a certain extent may be a planet, a satellite or a star, is a purely geometrical line of the spacetime manifold called geodesic, that is a generalization of a straight line of the flat Euclidean space. In 1827 Carl Friedrich Gauss (1777-1855) published one of the single most important works in the history of differential geometry: Disquisitiones Generales Circa Superficies Curvas (General Investigations of Curved Surfaces). In this work he defines the curvature of two-dimensional surfaces, the Gaussian curvature, from the intrinsic properties of a surface. He concludes that all the properties that can be studied within a surface, without reference to the outer space, are independent of deformations, without stretching, of the surface – theorema egregium – and constitute the intrinsic geometry of the surface. For example the distance between two points, measured along the shortest line between the points within the surface, is unchanged for deformations, without stretching, of the surface. The study of non-Euclidean geometries really began with the ideas and works of Gauss, Nikolai Ivanovich Lobachevski (1792-1856) and Jànos Bolyai (1802-1860). In non-Euclidean geometries, the Euclid 5th postulate of the straight lines (that, for example, can be expressed in the well- known form: through any point not lying on a given straight line, there is one, and only one, straight line parallel to the given line) is not satisfied. In 1854 Georg Friedrich Bernhard Riemann (1826-1866) gave the lecture (published in 1866): Uber die Hypothesen, Welche der Geometrie zu Grunde liegen (On the Hypotheses which Lie at the

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Foundations of Geometry). This work is another cornerstone equations for matter and fields described by the energy-

in the history of differential geometry; it extends the ideas of momentum tensor Tαβ , obtained as a consequence of the Gauss from two-dimensional surfaces to higher dimensions, field equations. introducing the notions of what we call today Riemannian During the last one hundred years there have been a huge manifolds, Riemannian metrics and the Riemannian curvature number of confirmations of both the dynamical spacetime of manifolds, that reduces to the Gaussian curvature for structure and of the field equations of General Relativity. ordinary two-surfaces. He also discusses about the possible The dynamical spacetime structure is common to most curvature of the Universe and suggests that gravitation may theories of gravitation but the Einstein-Hilbert equations (2) be related to space curvature. are the field equations of Einstein’s gravitational theory. The development of the absolute differential calculus A formalism called Post Newtonian Parametrized (PPN) also known as tensor calculus or Ricci calculus was to a formalism was developed to test General Relativity versus great extent due to Gregorio Ricci Curbastro (1853-1925) other metric theories of gravitation. This formalism describes who elaborated the theory during the decade 1887-1896. the post-Newtonian approximation of a number of metric Riemann’s ideas and a work (1869) of Christoffel were at the theories of gravitation using 10 parameters, called PPN bases of the tensor calculus. In 1901 Ricci and his student parameters. The method is to expand the metric and the Tullio Levi-Civita (1873-1941) published the fundamental energy-momentum tensor at the order beyond Newtonian memoir: Methods de Calcul Differential Absolu et leurs theory (post-Newtonian) in terms of small known classical Applications (Methods of Absolute Differential Calculus and potentials (such as the standard Newtonian potential) their Applications) that is a detailed description of the tensor and then to multiply each post-Newtonian term by a calculus; i.e. the generalization, on a Riemannian manifold, dimensionless parameter. The PPN parameters are then of the ordinary differential calculus, with geometrical experimentally measured to test different metric theories of objects whose properties are independent of any particular gravitation. coordinate system. One of these parameters, γ, measures the amount of The way and precise amount of spacetime curvature space curvature generated by a body, such as the Sun, generated by mass-energy and mass-energy currents is the Earth or a star, by different field equations of different governed by the field equations presented in their final gravitational theories at the order of approximation beyond form at the end of 1915 by David Hilbert and Albert Einstein the Newtonian gravitational theory. Indeed, the Riemann using two different methods. The field equations are the ten curvature tensor measures the curvature of a manifold and independent components of the tensorial equation: by calculating the space components (with Latin indices) of the Riemann tensor at the post-Newtonian order, they come

(2) Gαβ = χ Tαβ , out to be proportional to the γ parameter, that is, to post- 3 Newtonian order: Rijkl ∝ γ M/r . The γ parameter has been ν where Gαβ = Rαβ – ½ R gαβ is the Einstein tensor, Rαβ = R ανβ measured with high accuracy by a number of experiments α and R = R α are respectively the Ricci tensor and Ricci scalar and in particular by the deflection of electromagnetic waves built out of the Riemann curvature tensor Rαβνµ (with the by a mass and by the time delay in the propagation of standard rule of summation whenever two indices are electromagnetic waves near a mass or Shapiro time delay.

repeated). Tαβ is the energy momentum tensor and χ = 8 π The deflection of the path followed by photons in geometrized units, and χ = 8 π G/c4 in SI units, where G is propagating near a mass is the sum of two effects. One

the gravitational constant and c the speed of light. Also gαβ contribution, 2 γ M/r0, where M is the mass of the central are the components of the metric tensor, which generalizes body and r0 is the radius of the closest approach of the Pythagoras’ theorem to four-dimensional curved spacetime. photons to the central body, can be interpreted as the It is impressive that in General Relativity the equations bending due to the space curvature. The other contribution,

of motion are just a mathematical consequence of the 2 M/r0 , to the deflection of electromagnetic waves may be field equations. Indeed, according to the field equation: derived and explained as a consequence of the equivalence

Gαβ = χ Tαβ, the matter-energy – Tαβ – “tells” the geometry – principle, special relativity, basic quantum mechanics and gαβ – how to “curve”; furthermore, from the field equations classical (Newtonian) gravitational theory. themselves, the geometry “tells” the matter how to move. The Among the optical measurements of the bending of αβ key is Bianchi’s (contracted) second identity: G ;α = 0, where electromagnetic waves, we recall the expeditions of the semicolon “; ” denotes the covariant derivative. Indeed, Eddington and Dyson, during the solar eclipse of May by simply taking the covariant divergence of both sides 1919, in the islands of Sobral, South America, and Principe, αβ of the field equations, one gets T ;α = 0, i.e. the dynamical Africa, confirming the general relativistic prediction with an

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estimated accuracy of approximately 30%, and the optical error. Measurements have been performed with the Mariner measurement by the Texas Mauritanian Eclipse Team, during 6 and 7 spacecrafts, with the Mariner 9 orbiting Mars and the solar eclipse of June 1973, in Mauritania. with the Viking spacecrafts orbiting Mars or on its surface. The techniques of long baseline interferometry and very The Viking measurements of γ by the time delay reached long baseline interferometry (VLBI) have dramatically an accuracy of approximately 2 × 10–3 . In 2003, the Cassini improved the accuracy of photon deflection measurements. spacecraft measured γ with an accuracy of about 2 × 10–5. With VLBI one measures the arrival time of radio signals Two other classical solar system tests of Einstein’s theory from distant radio sources, quasars, using radio astronomy of gravitation are the perihelion advance of Mercury (and antennas at different locations on the Earth. The signals, in general the periastron advance) and Lunar Laser Ranging. recorded on tapes at different stations, are then cross- The explanation of the perihelion advance of Mercury of correlated to determine the arrival times of the same about 43 seconds of arc per century (already observed in the signal at the various locations. Knowing the direction of XIX century) is a classical confirmation of General Relativity. the radio sources, using a sufficient number of quasars and Today the perihelion advance of Mercury and the related PPN at least three antennas far from each other, one can then parameters β (equal to 1 in General Relativity), assuming the determine, with high accuracy, the components of the Cassini determination of γ, are measured to agree with their vectors connecting the stations and then the orientation of general relativistic value with an accuracy of approximately the Earth relative to the distant stars (that is relatively to an 10–4. Lunar Laser Ranging has provided a number of highly asymptotic inertial frame). In turn, from the difference in the accurate tests of general relativistic effects from the weak and arrival time of radio signals at different locations, that is from strong form of the equivalence principle (see section 2.1) to the difference in the phase of the radio waves at different the geodetic precession or de Sitter effect (the precession of stations, one can determine the angular position of a distant a gyroscope moving in a static gravitational field of a non- star. VLBI has confirmed the general relativistic value ofγ (that rotating mass). is 1) reaching in 2009 an accuracy of about 10–4. A dramatic An impressive number of highly accurate “post- example of the bending of light was discovered in 1979 with Keplerian” tests of General Relativity and indirect tests of the double-image quasar Q0957+561, i.e. two images of the gravitational waves have been provided by the binary pulsar same quasar due to the bending of light by a large unseen PSR B1913+16 and by a number of other binary pulsars. mass, called “gravitational lensing”. A number of gravitational The binary pulsar PSR B1913+16 was discovered in 1974 by lensed astrophysical images have been then discovered, Hulse and Taylor. The system consists of a pulsar orbiting useful also to the study of unseen deflecting masses and of around another neutron star. The parameters of the binary dark matter. system are obtained from analyses of the arrival times of the Another high-precision test of space curvature and of signals from the pulsar. The period of the pulsar is ≅ 59.03 the γ parameter is the delay in the propagation time of milliseconds and its orbital period ≅ 7.75 hours. electromagnetic waves near a mass or Shapiro time delay. The extremely well measured periastron advance of Photons propagating near a body are delayed by its mass. The PSR B1913+16 is ω· = 4.226598 ± 0.000005 degrees per radar echo delay has been measured with passive reflection, year. Furthermore, the PSR B1913+16 observations provide using planets, and with active reflection, using transponders, accurate tests of the time delay of the pulsar electromagnetic either freely orbiting in the solar system, orbiting around a waves and of the gravitational red shift. The rate of decrease planet or on its surface. With the first method, using Mercury of the orbital period of PSR B1913+16 is an indirect test or Venus, the limiting accuracy was due to the uncertainties of gravitational waves (see section 3, next), its observed · in the knowledge of the topography of the planets. With the decrease of P = 2.423 × 10–12 agrees in fact at the level · other technique of reflecting electromagnetic signals using of a few parts in 103 with the value of P due to the loss transponders on spacecraft orbiting in the solar system, the of gravitational waves energy predicted by the general uncertainties are associated with the spacecraft accelerations relativistic quadrupole formula. The measured decrease of due to solar wind, solar radiation pressure and spacecraft the pulsar orbital period puts strong constraints on several control devices, in particular the limiting accuracy is due to alternative gravitational theories. For a detailed analysis of the dispersion of the electromagnetic waves by the solar tests of General Relativity with the binary pulsars we refer to corona, even though dual frequency ranging can reduce this [10, 13, 20].

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3 Gravitational waves and frame-dragging two points is changing in time during the passage of the gravitational wave according to the relations (3). 3.1 Gravitational waves Among the various experiments to directly measure General relativity has so far passed all the tests it has been gravitational waves, in addition to the astronomical put to. However, among some of the biggest remaining observations, we had, since 1960, resonant bar detectors observational challenges are the direct detection of (Weber bars) and today laser interferometers operate gravitational waves (although we already know from the on the Earth. Various types of Gravitational Wave Laser rate of change of the orbital period of the binary pulsar Interferometers have been proposed, among which PSR B1913+16 that this system emits gravitational waves at the Michelson and Fabry-Perot types. A Michelson-type the level predicted by General Relativity [10, 13]), improved gravitational wave laser interferometer is essentially made tests of the equivalence principle, of the PPN parameters and of three masses suspended at the ends of two orthogonal of frame-dragging or gravitomagnetism, and tests of non- arms. If, for example, a gravitational wave is impinging metric and metric theories of gravitation not described by perpendicularly to the system, the proper length, l, of the the standard 10 PPN parameters, such as the Chern-Simons arms of the laser interferometer will change according theory. Here we describe the present experiments to directly to the previous description. For gravitational waves with test gravitational waves and to accurately measure frame- wavelength λ / 2 π >> l, in a local proper reference frame with dragging in the solar system. x and y axes coincident with the arms of the interferometer,

Gravitational waves are curvature perturbations of for example corresponding to the polarization h+, we have the spacetime geometry, and thus of the gravitational

field, propagating with local speed c and predicted by (4) δlx = ½ l hxx(t) = 1/2 l h+(t) and δly = – ½ l h+ (t) Einstein’s theory of gravitation. We write the spacetime

metric gαβ as the flat Minkowski metricη αβ plus a small and the difference between the proper lengths of the two perturbation hαβ. Here hαβ represents a weak gravitational arms is wave, so that: gαβ ≅ hαβ + ηαβ, from the field equations (2), with null energy momentum tensor, in vacuum: Tαβ = 0, (5) δl(t) = δlx(t) – δly(t) = l h+(t) ≡ l h(t) . in the so-called Lorentz gauge, we have: □ hαβ = 0 (where □ is the D’Alambertian operator). This wave equation for Variations in hij due to a gravitational wave will, in turn,

hαβ represents a gravitational perturbation propagating produce oscillations in δl(t) and therefore oscillations in the at the speed of light, c, in a way formally similar to relative phase of the laser light at the beamsplitter, this will electromagnetism where, in the Lorentz gauge, we have finally produce oscillations in the intensity of the laser light the sourceless wave equation for the vector potential measured by the photodetector. If the laser light travels back α α A : □ A = 0. A simple solution of the wave equation for hαβ and forth between the test masses 2N times (N = number of is a plane wave travelling with speed c. Then, in the so- round trips), then the variation of the difference between the called transverse-traceless gauge (which can be imposed proper lengths of the two arms is (assuming N l << λ / 2 π) consistently with the Lorentz gauge), apart from integration Δl = 2 N l h(t). constants, for a plane wave propagating along the z-axis, we Among the current laser interferometer gravitational TT TT TT TT TT TT TT have: h zz = h zx = h zy = 0, as well as h 00 = h 0z = h 0x = h 0y = 0 and waves detectors [21] we have the French-Italian (CNRS and INFN) EGO-VIRGO detector in Cascina near Pisa with (3) hTT = – hTT = h e – i ω (t – z) , 3 km arm length, GEO600 (Germany), KAGRA (Japan), the xx yy + proposed space experiment eLISA and most notably the TT TT – i ω (t – z) two U.S. National Science Foundation (Caltech and MIT) h xy = h yx = hx e , LIGO advanced detectors located in the State of Washington

where h+ and hx are the two polarizations of the gravitational (LIGO Hanford) and in Louisiana (LIGO Livingston) with 4 TT wave and all the other components of h αβ are equal to zero km arm length. The LIGO advanced detectors are operating to first order. Since the proper space length dl between two since September 18, 2015. In the current advanced LIGO points with coordinates xi and xi + dxi is given by the metric gravitational waves search the rms noise in a bandwidth 2 i k –22 as: dl = gik dx dx , the proper space length between the equal to frequency, near 100 Hz, is about 10 (see fig. 4).

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Fig. 4 The LIGO advanced gravitational waves detector at Hanford, Washington. Credit: Caltech/MIT/LIGO Lab. http://www.ligo.org/ multimedia/gallery/lho- images/Aerial5.jpg

3.2 Frame-dragging and gravitomagnetism The origin of inertia has intrigued scientists and philosophers for centuries. Inertial frames of reference permeate our daily life. The inertial and centrifugal forces, such as the pull and push that we feel when our vehicle accelerates, brakes and turns, arise because of changes in velocity relative to uniformly moving inertial frames. A classical interpretation ascribed these forces to acceleration relative to some absolute frame independent of the cosmological matter, whereas an opposite view related them to acceleration relative to all the masses and “fixed stars” in the Universe. An echo and partial realization of the latter idea can be found in General Relativity, which predicts that a spinning mass will “drag” the inertial frames along with it. However, what determines an inertial frame? And, in general, what is the origin of inertia? In the mechanics of Galileo Galilei and Isaac Newton, an inertial frame has an absolute existence, uninfluenced by the matter in the Universe. In Einstein’s gravitational theory, the inertial and centrifugal forces are due to our accelerations and rotations with respect to the so-called local inertial frames which, in turn, are determined, influenced and dragged by the distribution and flow of mass-energy in the Universe. In particular, they are dragged by the motion and rotation of nearby matter; this general relativistic phenomenon is called “frame- dragging” [22] and represents in Einstein’s theory the remnant of the ideas of Ernst Mach (1838-1916) on the origin of inertia. Mach thought that centrifugal and inertial forces were due to rotations and accelerations with respect to all the masses in the Universe; this is known as “Mach’s principle” and inspired Einstein in his development of General Relativity [11]. Frame-dragging has an intriguing influence on the flow of time around a spinning body. Indeed, synchronization of clocks all around a closed path near a spinning body is not possible in any rigid frame not rotating relative to the “fixed stars”, because light corotating around a spinning body would take less time to return to a starting point (fixed relative to the “distant stars”) than would light rotating in the opposite direction. Frame-dragging may be usefully described by a formal analogy of General Relativity, in the weak gravitational field and slow motion approximation, with electrodynamics [23]. For

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Fig. 5 Magnetism and gravitomagnetism. Panel a shows the magnetic field B generated by a central electric current distribution with magnetic moment m and its effect on a test magnetic dipole µ, i.e. a magnetic needle. Panel b shows the gravitomagnetic field H generated by the angular momentum J of a central body · and its frame-dragging effectΩ on a test gyroscope S.

this reason, frame-dragging phenomena, which are due to mass currents and mass rotation, have been called gravitomagnetism. In General Relativity, freely falling test-gyroscopes, i.e. sufficiently small and accurate spinning tops, determine the axes of the local, non-rotating, inertial frames, where the equivalence principle holds – i.e. where the gravitational field is locally "unobservable"and all the laws of physics are the laws of Special Relativity. Therefore, if we rotate with respect to these gyroscopes, we feel centrifugal forces, even though we may not rotate at all with respect to “distant stars”, contrary to our everyday intuition. Indeed, a gyroscope is dragged by spinning masses, i.e. its orientation changes with respect to “distant stars” (see formula (8) below). Whereas an electric charge generates an electric field and a current of electric charge generates a magnetic field, in Newtonian gravitational theory the mass of a body generates a gravitational field but a current of mass, for example the rotation of a body, would not generate any additional gravitational field. On the other hand, Einstein’s gravitational theory predicts that a current of mass would generate a gravitomagnetic field which would exert a force on surrounding bodies and would change the structure of spacetime by generating additional curvature. A gravitomagnetic field generates the frame-dragging of a gyroscope in a similar way to a magnetic field producing the change of the orientation of a magnetic dipole (magnetic needle). Indeed, in General Relativity, a current of mass in a loop (i.e. a gyroscope) behaves in a formally similar way to that of a magnetic dipole, which is made of an electric current in a loop (fig. 5), in electrodynamics [23]. In the mechanics of Galilei and Newton, the external field of a rotating, uncharged spherical body is only given by its mass; in General Relativity the external field of such a body is instead given by its mass M and by its angular momentum J. In General Relativity, in the weak gravitational field and slow motion approximation, for a stationary, localised mass-energy distribution, the (0i) components of the Einstein field equation can be written in the Lorentz

gauge: ∆ h0i = 16 π ρ vi (where in electrodynamics is ∆ Ai = –(4 π/c) ρe vi). Then, far from the source, the solution for the time-space non-diagonal components of the metric, h = (h01, h02, h03), can be rewritten, in the weak field and slow motion approximation: h(x) = –(2 J × xˆ ) / x3.

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h is called the gravitomagnetic potential. One can then define a gravitomagnetic field (fig. 5):

(6) .

From these equations we see that, in General Relativity, in the weak field and slow motion limit, the angular momentum J of a stationary, localised mass-energy current has a role formally similar to the magnetic dipole moment m of a stationary, localised charge current in electrodynamics (the difference between electromagnetism and weak field General Relativity is an extra –4 factor in the field equations of General Relativity). Then, by the geodesic equation, in the weak field and slow motion limit one has

(7) ,

where G = –(M/x2) xˆ is the standard Newtonian acceleration and H is the gravitomagnetic field. Therefore, in General Relativity, as for electromagnetism, there are a torque and a force acting on a gyroscope with angular momentum S and the gyroscope precesses with respect to an asymptotic inertial frame with angular velocity Ω· :

(8) ,

where J is the angular momentum of the central object. This is the dragging of gyroscopes or dragging of inertial frames, of which the gyroscopes define the axes. Furthermore, a central object with angular momentum J, drags the orbital plane (and the orbital angular momentum) of a test particle (which can be thought of as a huge gyroscope) in the sense of rotation of the central body. This dragging of the whole orbital plane is described by the formula for the rate of change of the longitude of the nodal line Ω (the intersection between the orbital plane of the test particle and the equatorial plane of the central object), published by Lense and Thirring in 1918:

(9) ,

where a is the semimajor axis of the test particle, e its orbital eccentricity and J the angular momentum of the central body.

3.2.1 The LAGEOS Satellites Since the orbital plane of a planet, moon or satellite is a kind of huge gyroscope, it “feels” general relativistic effects. However, frame-dragging is extremely small for solar system objects, so to measure its effect on the orbit of a satellite we need to measure the position of the satellite to an extremely high accuracy. Laser-ranging is the most accurate technique for measuring distances to the Moon and to artificial satellites such as LAGEOS (Laser Geodynamics Satellite). Short-duration laser pulses are emitted from lasers on Earth and then reflected back to the emitting laser-ranging stations by retro-reflectors on the Moon or on artificial satellites. By measuring the total round-trip travel time we are today able to determine the instantaneous distance of a retro-reflector on the LAGEOS satellites with a precision of a few millimetres. LAGEOS 1 was launched by NASA in 1976 and LAGEOS 2 was launched by the Italian Space Agency and NASA in 1992, at altitudes of approximately 5900 km and 5800 km respectively. The LAGEOS satellites’ orbits can be fitted, over a 15- day period, with an uncertainty of just a few centimetres. The Lense-Thirring drag of the orbital planes of LAGEOS and LAGEOS 2, eq. (9), is approximately 31 milliarcseconds per year,

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corresponding at the LAGEOS altitude to approximately 1.9 m/yr. Using laser-ranging we can determine their orbits with an accuracy of a few centimetres, so the Lense–Thirring effect can be measured very accurately on the LAGEOS satellites’ orbits if all their orbital perturbations can be modelled well enough. On the other hand, the LAGEOS satellites are very heavy spherical satellites with small cross-sectional areas, so atmospheric particles and photons can only slightly perturb their orbits and especially they can hardly change the orientation of their orbital planes. By far the main perturbation of their orbital planes is due to the Earth’s deviations from spherical symmetry. In particular, the flattening of the Earth’s gravitational potential produces a large perturbation of the LAGEOS node. But thanks to the observations of the geodetic satellites, the Earth’s shape and its gravitational field are extremely well known. For example, the flattening of the Earth’s gravitational potential is today measured with an uncertainty of only about one part in 107. To eliminate the orbital uncertainties due to the errors in the Earth’s gravity determinations, the use of both LAGEOS and LAGEOS 2 was proposed ([24] and references therein). However, it was not easy to confidently assess the accuracy of the earlier observations of the Lense-Thirring effect with the LAGEOS satellites, given the limiting factor of the uncertainty of the gravity determinations available in 1998. The problem of the uncertainties in the Earth’s gravity field was overcome in March 2002 when the twin GRACE (gravity recovery and climate experiment) spacecraft of NASA were launched in a polar orbit at an altitude of approximately 400 km and about 200–250 km apart. The spacecraft range to each other using radar and they are tracked by the global positioning satellites. The GRACE satellites have greatly improved our knowledge of the Earth’s gravitational field. Indeed, by using the two LAGEOS satellites and the GRACE Earth gravity determinations, the orbital uncertainties due to the modelling errors in the non- spherical Earth’s gravitational field are about 10% of the Lense-Thirring effect. In 2004, nearly eleven years of laser-ranging data were analysed. This analysis resulted in a measurement of the Lense-Thirring effect with an accuracy of approximately 10% [24]; the main error source was the uncertainty in some of the Earth’s axially symmetric departures from sphericity. After 2004, other accurate Earth gravity determinations have been published using longer GRACE observations. The LAGEOS analyses have been repeated with these determinations, over a longer period and by using different orbital programs independently developed by NASA Goddard, the GeoForschungsZentrum (GFZ) of Potsdam and the CSR of the University of Texas at Austin. These recent frame-dragging measurements, by a team from the universities of Salento, Rome, Maryland, UT Austin, NASA Goddard and GFZ Potsdam, have improved the accuracy of the 2004 LAGEOS determination of the Lense-Thirring effect [25]. No deviations from the predictions of the general relativity have been observed.

3.2.2 Gravity Probe B In 1959 and 1960, G. Pugh and L. Schiff suggested an experiment to test the general relativistic drag of a gyroscope. On 20 April 2004, after more than 40 years of preparation, the Gravity Probe B spacecraft was finally launched in a polar orbit at an altitude of about 642 km. The Gravity Probe B mission consisted of an Earth satellite carrying four gyroscopes and one telescope, and was designed to measure the relativistic precessions of the four test-gyroscopes with respect to the distant “fixed” stars. Whereas frame-dragging affects the orbital plane of the LAGEOS satellites, on Gravity Probe B it acted on its small gyroscopes. General Relativity predicts that the average frame-dragging precession of the four Gravity Probe B gyroscopes by the Earth’s spin will be about 39 milliarcseconds per year, that is, 0.000011 degrees per year, about an axis contained in Gravity Probe B’s polar orbital plane. Gravity Probe B was designed to measure frame-dragging by the Earth spin with an accuracy of about 0.3%. According to eq. (8), the direction marked by a gyro has a drift with respect to a

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Fig. 6 An artistic view of the LARES space experiment to measure frame-dragging. Shown in the figure are the LARES, LAGEOS, LAGEOS 2 and GRACE satellites which play a key role in the experiment. The spacetime distortion owing to frame-dragging induced by the Earth’s rotation is represented by the distortion of the radial curves. The Earth’s colours represent the EIGEN- GRACE02S anomalies of the Earth’s gravitational field obtained with GRACE [28].

direction defined by a “fixed star”, and so the drift of each gyroscope had to be measured with respect to a direction defined by a telescope pointing towards a distant guide star with known proper motion. The Gravity Probe B telescope pointed at the guide star IM Pegasi (HR8703), a binary system, at a distance of about 300 light years from the Earth; the proper motion of IM Pegasi with respect to distant quasars was measured using VLBI. The Gravity Probe B telescope was designed to have a similar accuracy in pointing at the centre of the guide star. Any change of orientation of a Gravity Probe B gyro would then generate a variation of magnetic field flux through a nearby circuit that would produce an induced electric current in the circuit. The Gravity Probe B gyroscopes used magnetization induced by rotation of a superconductor. The magnetic moment of a superconductor rotating with respect to a local inertial frame is known as the London magnetic moment. For a spinning sphere the London moment is directed along the spin axis of the sphere. Each of the four Gravity Probe B gyroscopes consisted of a quartz sphere (rotor) of radius 1.9 cm, designed to be spherical and to have relative inhomogeneities of its density to a few parts in a million. Each rotor was covered with a very thin film of niobium, that is, a superconductor at the temperature of the experiment (about 2 K), and was spinning at approximately 4000 r.p.m., so that the spinning superconductor layer generated a London magnetic moment aligned along the spin axis of the gyro. The rotors were encircled by a superconducting loop. The variations of the magnetic flux through the loop were measured by the changes of current in a superconducting quantum interference device (SQUID). The first Gravity Probe B results were presented in 2007. The Gravity Probe B team discovered unexpected large drifts of the gyroscopes’ spin axes and estimated the unmodelled systematic errors to be of the order of 100 milliarcseconds per year, corresponding to an uncertainty of the order of two and half times the frame-dragging by the

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Fig. 7 A satellite of the European Positioning System GALILEO. Credit: ESA-Pierre Carril, http://www.esa. int/spaceinimages/ Images/2015/09/Artist_s_ view_of_a_Galileo_Full_ Operational_Capability_ FOC_satellite

Earth spin. However, by some modelling of the systematic errors, the Gravity Probe B team finally published in 2011 a measurement of frame-dragging by the Earth angular momentum with a reported accuracy of about 19 % [26]. Another experiment proposed to test frame- dragging using a ring-laser is GINGER at LNGS of INFN.

3.2.3 The LARES Space Experiment With the launch of the LAser RElativity Satellite, LARES, by the Italian Space Agency (ASI), see fig. 6, a new orbital observable is available which will improve the accuracy of the measurement of frame-dragging by combining the orbital data of LAGEOS, LAGEOS 2 and LARES [27]. LARES was successfully launched on 13 February 2012 by the maiden flight of the VEGA launcher of the European Space Agency (ESA), which was developed by ELV (Avio- ASI). LARES is well observed by the global network of laser stations of the International Laser Ranging Service (ILRS). The LARES orbital elements are: semi-major axis ≅ 7820 km, orbital eccentricity about 0.0008, and orbital inclination ≅ 69.5 degrees. The availability of this new, additional observable, along with those provided by LAGEOS and LAGEOS 2, will enable the elimination of the error source due to the Earth’s even zonal harmonic of degree four (with order zero), which introduced an uncertainty which can be as large as 10% in the measurement of frame-dragging when only the LAGEOS and LAGEOS 2 satellites are used. Thus, the uncertainty in the measurement of frame-dragging using LARES, plus LAGEOS and LAGEOS 2, and the determination of the Earth’s gravitational field by the GRACE space mission, can be as low as approximately one percent. Indeed, the GRACE space mission provides very accurate determinations of the Earth’s gravitational field, which are required to be able to test frame-dragging due to the Earth’s rotation with an uncertainty of a few percent. The Lense-Thirring drag of the orbital planes of LARES, theoretically predicted by

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General Relativity, is approximately 118 milliarcseconds per theory is a fundamental element to understand the evolution year, corresponding, at the altitude of LARES, to about 4.5 m/ of the universe and the dynamics of astrophysical objects in year. The combination of the three satellites will also allow a strong gravitational field. It has also entered our daily life, other tests of fundamental physics. Figure 6 shows an artistic most notably for the determination of our position using representation of the LARES space experiment with the a GNSS navigator. Nevertheless, General Relativity is not GRACE, LAGEOS and LAGEOS 2 satellites. compatible with the other fundamental theory of Quantum Mechanics and the current astrophysical observations of the accelerated expansion of the universe are a profound 4 Daily applications of General Relativity riddle for scientists. Even though a breakdown of General It is amazing that General Relativity has entered our daily Relativity should occur at the quantum level, some viable life with important applications. Today, by using a satellite modifications of Einstein’s gravitational theory already give navigator, we can determine our position with an error that different predictions at the classical level and try to explain may be as low as a few meters or even a few decimeters. Such the cosmological observations. Thus every aspect of General a small positioning error requires the clock corrections of Relativity should be directly tested and the accuracy of General and Special Relativity. If these corrections were not the present measurements of Einstein’s theory and of the applied, the positioning error would amount to several km. foundations of gravitational theories should be further The main largest relativistic corrections are already routinely improved. New effects are then being sought on very small considered and included in the positioning with Global length scales, on very large scales and even in the solar Navigation Satellite Systems (GNSS) (fig. 7), such as GPS, system for what they might reveal about theories such as GLONASS, GALILEO and COMPASS, they are due to the special quantum gravity, string and brane-world models of the relativistic Doppler effect, to the gravitational time dilation Universe. The planned space observatories will open new of clocks (section 2.1) and to the Sagnac effect [29]. For the windows on the Universe and I believe that further surprises GPS satellites, orbiting at an altitude of about 20000 km, the may change our way of thinking about the Universe. first two effects, i.e., the Special and General Relativity clock corrections, amount to about 39 microseconds per day, i.e. by multiplying this clock correction by the speed of light, they Acknowledgements correspond to a positioning shift of about six kilometres over The author thanks Alessandro Bettini, Ken Nordtvedt, twelve hours! Antonio Paolozzi and Kip Thorne, and in particular Richard Matzner, for reading the manuscript and for useful comments. He gratefully acknowledge the support of the Italian Space Conclusions Agency, grants I/043/08/0, I/016/07/0, I/043/08/1 and The theory of General Relativity has passed all the tests I/034/12/0 and the International Laser Ranging Service for that have been conducted in the last one hundred years, providing high-quality laser ranging tracking of the LARES including both the solar system experiments and the satellites. astrophysical observations. Today Einstein’s gravitational

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Ignazio Ciufolini Ignazio Ciufolini is, since 1999, associate professor of General Physics at University of Salento (Lecce) and, since 2013, associate at Centro Fermi (Rome). Active in the field of General Relativity and gravitational physics, in 1980 he got aL aurea “Magna cum Laude” at Sapienza University of Rome and in 1984 a PhD in Physics at University of Texas at Austin under the supervision of John Archibald Wheeler, Richard Matzner, Steven Weinberg and Bryce DeWitt. Between 1992 and 1998 he was a member of the international ESA-NASA team for the study of a space experiment for detection of gravitational waves using an orbiting laser interferometer, that lead to the Laser Interferometer Space Antenna (eLISA) project. He is the Principal Investigator for the Italian Space Agency (ASI) of the LAser RElativity Satellite (LARES) mission. The LARES satellite was successfully launched on 13 February 2012, aimed to improve the accuracy of the measurement of frame-dragging. He has published research papers with the main experts in General Relativity and gravitational physics, including John Archibald Wheeler, Roger Penrose and Richard Matzner. With John Archibald Wheeler he wrote the book Gravitation and Inertia (1995). He received a number of international honours and awards, among which: 1996: Award of the US ‘American Association of Publishers’, PROSE Award, as author (with John A. Wheeler) of the best 1995 professional and scholar book in physics and astronomy (Gravitation and Inertia, Princeton University Press). 2001: International Tomassoni-Chisesi Award for Physics of Sapienza, University of Rome (this prize is awarded to recognize and encourage outstanding achievements in physics). 2010: International Occhialini Prize and Medal of the UK Institute of Physics (IOP) and the Italian Physical Society (SIF) for “providing further experimental confirmation of Einstein’s theory of General Relativity through the use of laser-ranged satellites to study and measure frame-dragging”. In 2007 Nature dedicated the cover of the 6th September 2007 issue (n. 449) to his review paper on “Dragging of Inertial Frames” and General Relativity. His detailed CV, list of publications and metrics are at: http://www.ignaziociufolini.it/home_en.html

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Sessant’anni di Yang-Mills

Luciano Maiani Dipartimento di Fisica, Sapienza Università di Roma, Roma, Italia INFN Sezione di Roma, Roma, Italia © Derek Leinweber, CSSM University of Adelaide CSSM University Leinweber, © Derek

Sessant’anni fa, Chen Nin Yang e Robert Mills pubblicavano un breve lavoro che avrebbe segnato una nuova epoca nella fisica teorica delle particelle fondamentali, quella delle teorie di gauge non abeliane. L’invarianza di gauge dell’elettromagnetismo, tradotta nella meccanica quantistica da London a da Fock come invarianza per trasformazioni di fase della funzione d’onda, aveva una caratteristica che risuonava bene nelle menti dei fisici teorici: la simmetria determina completamente la dinamica delle particelle cariche nel campo elettromagnetico. Yang e Mills estendono questo concetto ad una simmetria non commutativa (in gergo: non abeliana), quale era la simmetria che, proprio in quegli anni, emergeva dagli esperimenti sulle particelle nucleari, la simmetria che, per oscure ragioni, chiamiamo di “spin isotopico”. Ci sono voluti decenni perchè i fisici apprezzassero appieno la portata delle teorie di gauge non abeliane ma, sessant’anni dopo, possiamo dire che Yang e Mills hanno conquistato il campo: tutte le interazioni che agiscono a livello delle particelle fondamentali sono derivabili da simmetrie di gauge, abeliane e non abeliane. Questo articolo illustra le sorprese che Yang e Mills hanno incontrato sul loro cammino, le brillanti soluzioni che seguirono per aggirare ostacoli che sembravano insormontabili e il modo in cui si è arrivati a quella che chiamiamo la Teoria Standard.

1 Simmetrie locali astronauti in orbita) e le trasformazioni gravitazione di Newton. Poche teorie hanno esercitato sui loro generali di coordinate si riducono alle Ma nel mondo non ci sono solo contemporanei un fascino pari a quello trasformazioni di Lorentz della Relatività le forze gravitazionali e, nel 1915, della Teoria della Relatività Generale di Speciale. Possiamo vedere la Relatività questo significava parlare delle forze Albert Einstein (fig. 1), apparsa nel 1915. Generale come la teoria dell’invarianza elettromagnetiche e delle equazioni L’invarianza delle leggi fisiche sotto delle leggi per trasformazioni di Lorentz di Maxwell. Il monumentale lavoro di trasformazioni arbitrarie di coordinate che dipendono dal punto. Lorentz, con la sua teoria dell’elettrone, e la non superabilità della velocità Le particelle percorrono le geodesiche e la nascente Meccanica Quantistica, della luce tolgono dalla scena ogni dello spazio-tempo così che la dinamica i quanti di Planck e l’atomo di Bohr, traccia dell’ “Azione a distanza” che delle forze gravitazionali è determinata indicavano che sono proprio le forze caratterizzava la gravitazione di Newton. completamente dalla geometria. elettromagnetiche a determinare L’osservatore in un punto dello spazio- Il raccordo è fornito dall’equazione il comportamento della materia, tempo, x, è influenzato solo da quanto di Einstein, secondo la quale il dall’atomo in su. A quel tempo, avviene nelle sue immediate vicinanze, tensore di Riemann (geometria) deve Rutherford aveva già individuato il hic et nunc. Nei suoi paraggi, lo spazio- essere uguale al tensore impulso- nucleo atomico, ma esso era visto solo tempo appare piatto (la gravità sparisce energia (forze), a meno di un fattore come sorgente delle forze coulombiane se siamo in caduta libera come gli determinato dalla costante della che legano nell’atomo gli elettroni

22 < il nuovo saggiatore © Derek Leinweber, CSSM University of Adelaide CSSM University Leinweber, © Derek

Fig. 1 Foto di gruppo alla conferenza in onore di Albert Einstein per il suo 70° compleanno, all’ Institute for Advanced Study, Princeton 1949. Da sinistra H. P. Robertson, E. Wigner, H. Weyl, K. Goedel, I. I. Rabi, A. Einstein, R. Ladenburg, J. R. Oppenheimer, G. H. Clemence. Fonte: Hystorical Photograph Collection, Princeton University Library.

“planetari”. L’individuazione delle forze con λ funzione reale delle coordinate, delle nuove forze determinate da Fμν e nucleari e deboli era ancora di là da e mostra che il fattore di scala, λ(x), la corrispondente equazione del moto venire. è determinato dai coefficienti di una prende la forma

In questo quadro, nel 1918, Hermann forma differenziale, Aμ(x): Weyl [1] formula la sua teoria di gauge (4) . delle interazioni elettromagnetiche1. (2) . Weyl postula che l’invarianza per è una equazione del tipo dell’equazione trasformazioni locali di coordinate si L’integrale va eseguito su un cammino di Einstein, un ente geometrico estenda anche alla calibrazione delle che, partendo dall’origine, arriva al eguagliato ad un ente dinamico, che lunghezze fisiche (gauge = calibro)2: punto x. Il cammino è arbitrario e si determina le forze che si esercitano sulla ottiene o meno lo stesso risultato per materia che porta la qualità associata alla (1) , tutti i cammini, a seconda del verificarsi corrente Jμ. Weyl identifica, ovviamente, o meno della condizione di integrabilità: Jμ con la corrente elettromagnetica, la costante e con la carica elettrica 1 un resoconto accurato sull’origine delle (3) . elementare, e Fμν con il tensore di teorie di gauge si trova in [2] Maxwell, che riassume in sé i campi 2 è quella che termini moderni, chiamiamo Quando questo non avviene, ci sono elettrici e magnetici. invarianza di scala.

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che permette di rendere l’equazione di Schroedinger invariante per le sostituzioni

(8)

(9)

sulla funzione d’onda dell’elettrone e sul campo elettromagnetico. Weyl, nel 1929, accettò la cruciale introduzione dell’unità immaginaria nell’esponente e propose, anzi, che l’invarianza per le trasformazioni (8) e (9) dovesse essere il principio da cui derivare le leggi dell’elettrodinamica, principio cui attribuì il nome di principio di gauge o principio minimale. Il lavoro di H. Weyl del 1929 segna l’inizio delle moderne teorie di gauge. Chen Nin Yang (fig. 2) venne a conoscenza delle idee di Weyl attraverso un articolo illustrativo di W. Pauli che aveva letto da studente a Chicago.

2 Fisica delle particelle negli anni cinquanta Fig. 2 Chen Ning Yang. Nel frattempo, il clima nella fisica era completamente cambiato. All’inizio degli anni cinquanta, l’attenzione era concentrata sulle interazioni nucleari, le interazioni forti, e sulle interazioni deboli, le nuove forze individuate da Fermi Einstein fece subito notare, tuttavia, che le leggi della negli anni trenta nei decadimenti β dei nuclei e di cui adesso fisica non sono invarianti sotto trasformazioni di scala3, si cominciavano ad osservare nuovi esempi nei decadimenti e l’elegante teoria del campo elettromagnetico dovette delle nuove particelle, il muone, il pione, le particelle strane. essere abbandonata. Come avrebbe detto molto più tardi Nei primi esperimenti con fasci di pioni, al Ciclotrone di un altrettanto eminente fisico, Richard Feynman, “it doesn’t Chicago, Fermi aveva osservato la prima “risonanza” barionica matter how beautiful your theory is, it doesn’t matter how e ottenuto la sorprendente conferma di una nuova simmetria, smart you are. If it doesn’t agree with experiment, it’s wrong”. la simmetria dello spin isotopico, che caratterizza le particelle Con l’avvento della Meccanica Quantistica, V. Fock, sensibili alle interazioni forti (“adroni” dal greco adros = forte). 1926, in relazione all’equazione di Schroedinger per La simmetria di spin isotopico (in breve: isospin) era l’elettrone, e F. London, 1927, nel formulare la teoria della stata introdotta da Werner Heisenberg negli anni trenta, in superconduttività, osservarono che la sostituzione minimale relazione alla sorprendente similarità delle masse del protone dell’elettromagnetismo classico [3] e del neutrone (i “nucleoni”)4 e consisteva nel supporre che le forze nucleari fossero simmetriche per la sostituzione di (5) protone e neutrone con arbitrarie sovrapposizioni lineari di questi due stati. dà luogo, nell’equazione di Schroedinger, alla sostituzione Naturalmente, questa simmetria non è rispettata dalle forze elettromagnetiche, che distinguono il protone (carica (6) elettrica +e) dal neutrone (carica elettrica 0). Ma le forze nucleari sono molto più intense delle forze elettromagnetiche (7) e con Heisenberg si poteva supporre che la simmetria ci desse informazioni sulla degenerazione dei livelli nucleari,

3 l’osservazione che le leggi della fisica non sono invarianti per trasformazioni di scala risale a Galileo Galilei; in una teoria invariante di 4 si trova: M – M ~ +1.4 · 10–3 M . scala, tutte le particelle dovrebbero avere massa nulla come il fotone. n p p

24 < il nuovo saggiatore scienza l. maiani: sessant’anni di yang-mills in primo piano

almeno per nuclei abbastanza leggeri da poter trascurare un risultato che non dipende dall’ordine in cui abbiamo le repulsioni coulombiane tra protoni. In analogia con eseguito le due trasformazioni. quanto avviene per lo spin delle particelle (di qui il nome Al contrario, l’applicazione di due trasformazioni di isospin, della simmetria) la simmetria implicava che i nuclei si prima U e poi V conduce alla trasformazione complessiva: presentassero in multipletti di spin isotopico I, con 2I+1 stati e cariche elettriche distanziate di una unità, secondo la regola (14) (10) ,

dove Q è la carica elettrica in unità della carica del protone, che in genere è diversa dalla trasformazione ottenuta 5 B il numero barionico e I3 la terza componente dello spin eseguendo prima V e poi U, che è pari a isotopico, analoga al numero quantico magnetico del momento angolare. (15) , La sorpresa degli anni cinquanta era che anche gli adroni

recentemente scoperti rispettavano la simmetria di isospin e si presentavano in multipletti, ciascuno caratterizzato da un poiché, in genere, VU ≠ UV. valore I dello spin isotopico e da cariche elettriche date da Un gruppo commutativo, quale quello formato dalle una formula analoga6: traformazioni di fase (8), è comunemente indicato con il termine gruppo abeliano8. Il gruppo SU(2) delle (11) ; trasformazioni (14), per confronto, è un gruppo non abeliano. In secondo luogo, le trasformazioni (12) sono trasformazioni S è un nuovo numero quantico introdotto da M. Gell-Mann globali. Al contrario della fase attribuita a ψ(x) nella (8) che è per caratterizzare le particelle strane (S = 0 per nucleoni diversa da un punto all’altro, gli stati p e n definiti nella (12) e pioni, S = +1 per K+,K0, S = –1 per l’iperone Λ, etc.). Le si riferiscono ad una definizione di protone e neutrone che osservazioni di Fermi al Ciclotrone di Chicago, mostravano deve essere condivisa, ad un dato istante di tempo, da tutti gli in modo convincente che la simmetria non era qualcosa di osservatori dell’Universo e che è trasformata dalla matrice U accidentale, ma si riferiva ad una proprietà fondamentale in tutti i punti dell’Universo, simultaneamente. delle interazioni forti, di validità generale. La regola base della simmetria di isospin si può riassumere nelle sostituzione 3 Yang-Mills Nel 1953, C. N. Yang e R. Mills si proposero di formulare una (12) , teoria delle simmetria di isospin che non suggerisse, per dirla con Einstein, alcuna “spooky action-at-a-distance”. dove U è una qualsiasi matrice complessa7 2 × 2. La Sembra che questo (il concetto di simmetria globale) non sia sostituzione (12) è simile a quella illustrata nella (8), con due consistente con il concetto di campi localizzati alla base delle importanti differenze. usuali teorie fisiche. Nel presente lavoro, vogliamo esplorare la In primo luogo, il prodotto di matrici non gode della possibilità di richiedere che tutte le interazioni siano invarianti proprietà commutativa come il prodotto dei fattori di sotto trasformazioni indipendenti di spin isotopico in tutti fase che compaiono nella (8). Se eseguiamo nella (8) due i punti dello spazio-tempo, in modo tale che l’orientamento trasformazioni in sequenza caratterizzate dalle fasi λ e ρ, relativo dello spin isotopico in due punti dello spazio tempo otteniamo divenga una quantità priva di significato fisico (se ignoriamo i campi elettromagnetici). (13) , Questo il programma, enunciato in apertura dell’articolo [4]. Si trattava, in sostanza, di estendere la costruzione della teoria di gauge abeliana di London e Weyl, sintetizzata nella 5 Pari al numero totale dei nucleoni (protoni e neutroni). sostituzione minimale (7), ad una teoria di gauge non- 6 nota come formula di Gell-Mann e Nishijima. abeliana. La sostituzione minimale coinvolge adesso diversi 7 per semplicità si richiede che la matrice U abbia determinante pari all’unità; l’insieme delle matrici di questo tipo forma un gruppo in cui vale la regola di moltiplicazione definita dal prodotto tra matrici righe × colonne. è il gruppo SU(2), le matrici Speciali e Unitarie in 2 dimensioni. 8 dal nome del matematico norvegese Niels Henrik Abel.

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Fig. 3 Chen Ning Yang e Robert Mills, al simposio in onore di C. N. Yang, University of New York, Stony Brook, 1999. © Nu Xu, Brookhaven National Lab. (http://www-rnc.lbl.gov/~nxu/photo/yangpicture/p5220211.jpg)

campi vettoriali, tanti quanti sono i gravitazionale esercita un’attrazione approfondimenti (si dice che Pauli generatori del gruppo (tre, nel caso di anche sulle onde gravitazionali che avesse scoperto per suo conto le teorie SU(2)), analoghi al potenziale vettore lo attraversano. La teoria di Yang- di gauge non abeliane, ma non avesse elettromagnetico. Mills è una versione enormemente pubblicato i risultati proprio perchè Gli sviluppi successivi dell’articolo semplificata, ma assolutamente non pensava che la questione della massa mantengono quanto promesso e triviale, della teoria della gravità di fosse un ostacolo insuperabile). presentano una elegante teoria Einstein. dell’elettrodinamica non abeliana, che Il problema è quello della massa mantiene molte delle proprietà della delle particelle associate ai campi 4 Un’idea in cerca di applicazione elettrodinamica che conosciamo, con vettoriali. Nell’approssimazione g=0, Pubblicata nel 1954, la teoria di qualche sorpresa ed un serio problema. queste particelle hanno tutte massa Yang e Mills è rimasta a lungo un’idea Nella teoria di Yang-Mills, come zero, proprio come avviene per il fotone elegante in cerca di applicazione. in elettrodinamica e in Relatività in elettrodinamica e in conflitto con Il successo della simmetria di spin Generale, la simmetria (invarianza sotto l’osservazione che in Natura non ci sono isotopico ha fatto pensare che la trasformazioni non abeliane locali) altre particelle di massa zero oltre al teoria delle Interazioni Forti fosse il determina l’interazione dei campi fotone. suo campo di applicazione naturale vettoriali con la materia (i nucleoni). In elettrodinamica la massa del fotone e i mesoni di spin 1 scoperti nel 1961 L’intensità dell’interazione è fissata è zero nel limite e=0 e tale si mantiene (i mesoni ρ, ω e K*) sono stati per un da una costante, g, del tutto analoga anche in presenza di interazione, certo tempo identificati con i campi di alla carica elettrica e che appare nella proprio a causa dell’invarianze di gauge. gauge delle Interazioni Forti. Tuttavia, (8). A differenza dell’elettrodinamica, Yang e Mills arguiscono che questo la teoria della dominanza dei mesoni tuttavia, i campi vettoriali sono essi argomento non si può estendere alla vettoriali (vector meson dominance) non stessi sensibili alle trasformazioni non loro teoria, mantenendo così aperta la è mai andata oltre un limitato successo abeliane e quindi interagiscono tra possibilità che le correzioni di ordine g2 fenomenologico. loro in un modo anch’esso determinato possano spingere la massa dei campi Una seconda linea di pensiero, iniziata completamente dalla simmetria e dalla vettoriali a valori diversi da zero. da J. Schwinger, indicava le interazioni costante di interazione g. Oggi sappiamo che la soluzione del deboli ed elettromagnetiche come il Anche in assenza di materia, la problema non è questa, ma dobbiamo campo naturale di applicazione delle teoria di Yang-Mills descrive un mondo dare atto a Yang e Mills (fig. 3) di aver idee di Yang e Mills. Queste idee furono complicato di campi vettoriali in intuito che c’erano dei lati oscuri rinforzate dagli sviluppi della teoria interazione tra loro. Si riproduce la nel problema della massa dei campi delle interazioni di Fermi intervenuti situazione della gravità in cui il campo vettoriali, tali da giustificare ulteriori verso la metà degli anni cinquanta.

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Nel 1958, Feynman e Gell-Mann e altri [5] proponevano di Schwinger, proponeva una prima teoria unificata delle che le interazioni di Fermi fossero di natura vettoriale, quindi interazioni deboli ed elettromagnetiche [6] basata sulla teoria dovute allo scambio di una particella elettricamente carica di Yang-Mills. e di spin 1, il cosiddetto bosone vettoriale intermedio, W±. Per superare la seconda delle difficoltà appena enunciate, Inoltre, per spiegare la quasi eguaglianza delle costanti di Glashow proponeva di limitare le sue considerazioni ai soli Fermi dei decadimenti beta del neutrone e del muone, valida doppietti leptonici. Inoltre, come soluzione provvisoria ma entro qualche percento, avanzavano l’ipotesi che la corrente efficace, proponeva di inserire nella lagrangiana dei termini vettoriale che interviene nel decadimento del neutrone di massa ad hoc per i bosoni vettori, assumendo che la fosse proprio la corrente associata alla simmetria dello spin simmetria di gauge potesse essere violata esplicitamente da isotopico. Una corrente conservata dalle interazioni forti, queste masse (come la simmetria di spin isotopico è violata “proprio come vorrebbe una teoria di gauge”. La simmetria dalla differenza di massa protone-neutrone) senza per questo di spin isotopico, così prominente nei fenomeni nucleari, perdere le sue principali virtù. sarebbe stata dunque la base per una teoria di gauge delle Anche se questa speranza si è rivelata infondata (a interazioni deboli ed elettromagnetiche! posteriori la teoria risulta non rinormalizzabile e quindi Lo schema su cui adattare queste idee è diverso da quello matematicamente inconsistente) la teoria di Yang-Mills con della (12), e sarebbe basato su doppietti di materia (materia termini di massa aggiunti ad hoc è stata uno strumento adronica e materia leptonica9, che si trasformano tutti allo importante per esplorare le proprietà fenomenologiche stesso tempo, sotto le trasformazioni di un nuovo gruppo dell’unificazione elettrodebole. Glashow ha identificato SU(2), indicato col nome di isospin debole: per primo il gruppo di gauge appropriato per descrivere le interazioni elettrodeboli, il gruppo SU(2) ⊗ U(1), con la (16) conseguente necessità dell’esistenza di un bosone intermedio neutro, lo Z0, in aggiunta ai bosoni carichi W ± e al fotone. (17) è rimasto a lungo misterioso come si potesse “dare una massa” ai bosoni vettori in una teoria con accoppiamento L’ ostacolo principale su questa linea è rappresentato debole (g ~− e). Il problema è stato risolto in modo dalla massa dei bosoni intermedi che, lungi da essere nulla soddisfacente solo verso la metà degli anni ‘60, con la come faceva sospettare la teoria di Yang-Mills, deve essere scoperta del cosiddetto meccanismo di Brout-Englert-Higgs, abbastanza grande affinchè queste particelle non diano legato alla rottura spontanea della simmetria di gauge [7], effetti visibili nei decadimenti deboli del neutrone, del muone nella seconda metà degli anni sessanta. e delle altre particelle. La teoria formulata da Steven Weinberg [8] e da Abdus Inoltre lo schema (16) non permette di includere i Salam [9] incorporava il meccanismo di Brout-Englert-Higgs decadimenti beta delle particelle strane, sui quali in quegli risolvendo il problema della massa dei bosoni vettoriali, ma anni si cominciavano a raccogliere dati precisi. era ancora limitata ai doppietti leptonici, lasciando in sospeso Nel 1961, Sheldon Glashow, che era stato uno studente il problema della materia strana. Mancava ancora qualcosa. Sul piano formale, il problema veniva chiuso nel 1972 dai lavori di Gerardt ‘t-Hooft e Martinus Veltman [10], che 9 col nome leptoni si indicano le particelle insensibili alle interazioni mostravano che la teoria di Weinberg e Salam, con la massa forti, come l’elettrone, il muone e i loro neutrini. Il termine deriva dal dei bosoni intermedi associata alla rottura spontanea di greco leptos = leggero, che ricorda che tutte le particelle appena citate simmetria, è rinormalizzabile come l’elettrodinamica, aprendo sono più leggere del nucleone. Questa denominazione si applica tuttavia anche al terzo leptone, la particella τ, nonostante essa sia più la strada alle moderne verifiche di precisione della teoria. pesante del protone.)

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5 Quark, angoli e ancora quark sia una sovrapposizione dei quark d ed s con un angolo di L’inizio degli anni sessanta segna una vera e propria mescolamento, da allora noto col nome di angolo di Cabibbo. rivoluzione nella fisica delle particelle. M. Gell-Mann [11] In questo caso, lo schema dell’isospin debole sarebbe e G. Zweig [12], indipendentemente, propongono che gli adroni siano semplicemente degli aggregati di costituenti (21) più fondamentali, cui Gell-Mann dà il nome suggestivo di quark [11]. Bastano tre tipi di quark per riprodurre gli adroni Confrontando i decadimenti dei barioni con stranezza con il osservati fino ad allora e giudiziosamente catalogati, anno decadimento del neutrone, si ricava il valore: per anno, dal Particle Data Group [13]. I primi due tipi (oggi diciamo sapori) di quark portano (22) l’unità dello spin isotopico +1/2 (su) e –1/2 (giù e vengono indicati in inglese con le lettere u=up (carica elettrica e che riproduce bene anche la deviazione dall’unità del

stranezza: Qu = +2/3, S = 0) e d=down (carica elettrica e rapporto delle costanti di Fermi del muone e del neutrone: stranezza: Qd = –1/3, S = 0); il terzo sapore porta l’unità di stranezza ed è indicato con s = strange (carica elettrica e (23) , 10 stranezza: Qs = –1/3, S = –1) . Le regole che danno la composizione in quark dei vari un rapporto che, nella semplice teoria della corrente adroni sono straordinariamente semplici: vettoriale di Feynman e Gell-Mann, sarebbe esattamente pari all’unità. • barioni=(qqq); esempi: p=(uud), n=(udd), Λ=(uds), etc.; – – – – La classificazione in (21) non è ancora soddisfacente per • mesoni=(q q); esempi: π+ =(ud), π–=(du), K +=(us), K0 estendere la teoria di Cabibbo ad una teoria di Yang-Mills =(ds–), etc. unificata. Se lo facciamo, il bosone neutro, Z 0, produrrebbe Gli anni sessanta vedranno arricchirsi il catalogo con nuove dei processi con cambiamento di stranezza, del tipo particelle, che andranno a collocarsi all’interno del nuovo paradigma, senza eccezioni. (24) , La classificazione sotto l’isospin debole nella (16) si aggiorna, in prima approssimazione, nello schema che sono osservati procedere con probabilità assai inferiori ai processi mediati dal W, ad esempio il decadimento (20). Peraltro, questo era il motivo che aveva impedito a Glashow e, (18) successivamente, a Weinberg e Salam, di includere gli adroni

nelle loro teorie unifcate. (19) Nel 1970, S. Glashow, J. Iliopoulos e L. Maiani [15] mostravano che l’introduzione di un quarto sapore di quark, Tuttavia, il decadimento beta delle particelle strane, ad il quark charm, c, avrebbe evitato il conflitto. Lo schema esempio ipotizzato da Cabibbo si doveva modificare nello schema più simmetrico (20)

corrisponde alla transizione uds → uud, ovvero s → u e non (25) potrebbe avvenire in questo schema perché s avrebbe isospin 0 e non sarebbe accoppiato a W –. Nicola Cabibbo [14] osservava che le interazioni deboli La struttura delle (26) indica che quark e leptoni si devono potrebbero non rispettare la classificazione (18) ma presentare in due “generazioni” identiche tra loro, con una piuttosto richiedere che il quark down con isospin definito simmetria perfetta tra quark e leptoni. Glashow, Iliopoulos e Maiani mostravano inoltre che l’esistenza del quarto quark avrebbe soppresso i processi con 10 il valore negativo di S è dato per consistenza con la classificazione scambio dello Z e cambiamento di stranezza (meccanismo della stranezza dei diversi adroni introdotta originalmente da Gell-Mann. GIM) e deducevano, dai limiti su questi processi, una

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previsione per la massa del quarto quark, Maskawa, può includere coefficienti complessi che producono la violazione della simmetria . 풞풫 (26) . Negli anni ancora successivi, sono state ottenute evidenze decisive per la teoria unificata elettrodebole con Era una previsione sorprendente, che conduceva ad tre generazioni di quark e leptoni. La prima evidenza favore un quark con una massa decisamente superiore a quella dell’esistenza del charm risale 1974, con la scoperta, a dei quark conosciuti fino ad allora e portava a prevedere Brookhaven e SLAC (USA), della particella J/ψ, interpretata numerose particelle di un nuovo tipo, associate ad un numero come uno stato legato cc–. A conferma della natura adronica quantico, il charm, C, conservato dalle interazioni forti. Come della J/ψ, sono state osservate subito dopo altre particelle avviene per le particelle strane, le particelle più leggere con della stessa famiglia, nella stessa regione di massa, che C ≠ 0, mesoni e barioni, avrebbero dovuto decadere tramite rappresentano i diversi stati legati di una coppia di quark le interazioni deboli. pesanti. Nel 1972, con l’introduzione del charm e la prova della Nel 1976, sono state ottenute le prime evidenze per rinormalizzabilità della teoria di Weinberg e Salam data da • le particelle con charm C = ± 1, ‘t-Hooft e Veltman, la costruzione di una teoria unificata • un nuovo leptone pesante, il leptone τ, che portava a tre elettrodebole teoricamente consistente poteva dirsi conclusa. le famiglie leptoniche, Ma mancava ancora qualcosa per la fisica: lo schema (25) • un nuovo quark di tipo “down”, il quark indicato con la non permette di introdurre alcuna violazione della simmetria lettera b, per beauty. , la simmetria tra materia e antimateria11, nelle interazioni 풞풫 deboli. In questo modo si doveva rimandare la spiegazione Diversi esperimenti hanno ottenuto evidenze dirette della violazione osservata nei decadimenti dei mesoni K per l’appartenenza a doppietti elettrodeboli del τ e del b, neutri ad una nuova interazione, da introdurre ad hoc. confermando così lo schema nella (28), fino all’osservazione Nel 1973, Makoto Kobayashi e Toshihide Maskawa [16], diretta, al Tevatron, del quark t, per top, 1994, e del neutrino

estendendo la costruzione di Cabibbo, mostravano che ντ, 2000. Nel 2001, esperimenti condotti a KEK (Giappone) l’esistenza di un’ulteriore generazione di quark e leptoni e a SLAC (USA), hanno mostrato un ottimo accordo tra la avrebbe permesso l’introduzione di coefficienti complessi violazione di osservata nei decadimenti dei mesoni 풞풫 nella corrente debole e dato ragione della violazione di . con beauty e quanto calcolabile a partire dalla fase prevista 풞풫 Lo schema nella (25) si doveva estendere alla da Kobayashi e Maskawa. Queste scoperte giustificano ampiamente la convenzione, ormai universale, di associare i

nomi di Cabibbo, Kobayashi e Maskawa alla matrice UCKM che caratterizza il mixing dei quark nella teoria con tre famiglie. (27) La struttura di Yang-Mills della teoria elettrodebole è stata ampiamente verificata con gli esperimenti al collisore Spp–S del CERN12, cui è dovuta la prima osservazione dei bosoni intermedi W ± e Z 0 nel 1983, e successivamente ai collisori

t e b indicano la nuova famiglia di quark e DW = (dW, sW, bW) LEP del CERN, HERA di DESY (Germania) Tevatron di FermiLab sono le tre combinazioni lineari dei campi dei quark (USA), che hanno messo in evidenza, in particolare, le D = (d, s, b) ottenute con una matrice unitaria che generalizza interazioni a tre bosoni vettoriali tipiche della teoria di Yang- la costruzione di Cabibbo: Mills. Infine, nel 2012, gli esperimenti ATLAS e CMS, al Large (28) . Hadron Collider del CERN (fig. 4), hanno messo in evidenza una particella di spin zero, che tutto fa pensare sia associata al

Con tre generazioni, UCKM, la matrice di Cabibbo-Kobayashi- bosone di Brout-Englert-Higgs e alla rottura spontanea della simmetria di gauge elettrodebole.

11 ottenuta combinando la coniugazione di carica, , che cambia ogni 풞 particella nella sua antiparticella, e la trasformazione di parità, , che 풫 inverte l’orientamento degli assi coordinati. 12 l’acronimo sta per Super Proton-antiProton Synchrotron.

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Fig. 4 Rappresentazione grafica dei laboratori CMS e ATLAS al CERN. © CERN.

6 Il colore dei quark che richiede che le particelle di spin 1/2 associati al colore stesso. Verso la fine degli anni sessanta, si obbediscano alla statistica di Fermi- Con argomenti semiquantitativi, Han poteva ben affermare che il modello dei Dirac e quindi abbiano una funzione e Nambu [17] mostravano che gli stati quark rendesse conto elegantemente d’onda completamente antisimmetrica. che non sono singoletti di colore, ad dei mesoni e dei barioni più leggeri e Ignorando questi dubbi, c’erano stati esempio un quark o un gluone isolati, delle risonanze scoperte fino ad allora. dei tentativi di descrivere le interazioni avrebbero un’energia infinita rispetto ai Tuttavia, persistevano dubbi sulla reale forti primarie tra quark come dovute singoletti di colore. Questo era dovuto natura dei quark, da alcuni considerati allo scambio di una particella vettoriale al fatto che i campi vettoriali di Yang- come un mero artificio matematico, elettricamente neutra, analoga al Mills hanno massa nulla, se il colore utile per descrivere lo spettro degli fotone, cui era stato dato il nome di non è rotto spontaneamente, e quindi adroni ma privo di un’effettiva gluone, nome derivato dall’inglese generano delle forze a lunga distanza rispondenza nella realtà. “glue = colla”, per il suo ruolo di legare i che impediscono ai quark e ai gluoni di I dubbi erano dovuti in gran parte quark all’interno degli adroni. “venire fuori” dagli adroni singoletti di al problema della simmetria della Il problema della simmetria della colore: un meccanismo di confinamento funzione d’onda dei quark nei barioni funzione d’onda dei barioni, per spin permanente del tutto inatteso. Una ed al fallimento dei tentativi fatti fino e sapore, trova una soluzione naturale visione più moderna del confinamento ad allora per osservare i quark nelle se assumiamo che un quark di un dato è illustrata nella fig. .5 collisioni di alta energia o in Natura, sapore possieda un ulteriore numero Han e Nambu pensavano a gluoni come particelle stabili13, residuo del Big quantico che prende tre valori. è dotati di carica elettrica e a quark con Bang originario del nostro Universo. possibile soddisfare il principio di Pauli, cariche elettriche intere. All’inizio degli Per quanto riguarda il primo punto, è se assumiamo che i barioni, siano nello anni settanta fu presa in considerazione un fatto che, per descrivere la struttura stato completamente antisimmetrico una soluzione alternativa, in cui i quark complessiva di spin e di carica dei nei nuovi numeri quantici, una hanno cariche elettriche frazionarie barioni, è necessario che lo stato di tre configurazione invariante per e il numero quantico di colore è quark sia completamente simmetrico trasformazioni di colore (color singlet). completamente indipendente dal per lo scambio dei quark stessi, in Nel 1965, Han e Nambu [17] hanno sapore. Un quark di un dato sapore si contrasto con la relazione spin-statistica dato una formulazione elegante di presenta in tre varianti che possiamo questa ipotesi, introducendo una caratterizzare con tre “colori” diversi: simmetria SU(3) che opera sugli indici rosso, verde e blu. I valori delle di colore e ipotizzando che la simmetria cariche elettriche attribuite ai quark 13 dato il valore frazionario della carica elettrica, il quark più leggero deve essere del colore fosse una simmetria di gauge u, d, ed s per i tre diversi colori sono assolutamente stabile. e i gluoni fossero i campi di Yang-Mills quelle convenzionali 2/3, –1/3, –1/3

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Fig. 5 All’interno degli adroni, i campi condensano in “stringhe” che possono andare da un quark ad un antiquark (mesoni) o confluire in vertici a tre stringhe (barioni). L’energia della stringa è proporzionale alla sua lunghezza. Se applichiamo una forza su un quark, la stringa si estende, assorbendo energia, ed eventualmente si rompe, dando luogo a due mesoni, in cui i quark sono ancora confinati.

rispettivamente e i gluoni sono completamente neutri. elettrone-protone e neutrino-protone ad alto momento Questa teoria [18] fu chiamata dai suoi proponenti, H. Fritzsch trasferito. e M. Gell-Mann, Cromodinamica Quantistica14, la teoria Le leggi di scala, identificate in precedeza da J. D. Bjorken, quantistica di Yang-Mills basata sul colore. erano state interpretate da R. Feynman come indicative del fatto che i costituenti elementari del protone (che Feynman aveva chiamato genericamente partoni) si comportano, nella 7 Una svolta inattesa: libertà asintotica diffusione dell’elettrone o del neutrino, come se fossero liberi La svolta decisiva per l’affermazione della teoria di Yang- da interazione. Mills come elemento centrale delle interazioni fondamentali Lo stesso Feynman aveva osservato che circa il 50% del è nata dai risultati di un calcolo, apparetemente di routine, momento del protone è portato da particelle elettricamente effettuato nel 1973 da David Gross e Franck Wilczek [19] e, neutre, che nella QCD sono naturalmente associate ai gluoni. indipendentemente, da David Politzer [20]. L’investigazione sperimentale dei processi di diffusione a Il calcolo riguardava la determinazione dell’andamento ad grandi momenti trasferiti (deep inelastic scattering) di elettroni alto momento trasferito, q2, della costante effettiva di una e neutrini ha portato a concludere che il protone (ed ogni teoria non abeliana come la QCD. Il risultato mostrava che la altro adrone) partecipa ai processi a grande momento costante effettiva, g2, tende asintoticamente a zero al crescere trasferito come se fosse costituito da un insieme incoerente di q2: di gluoni, quark e antiquark dei diversi sapori, ciascuno

caratterizzato da una funzione, Pi (x), che dà la probabilità (29) di trovare nel protone un partone di un dato tipo i = u, d, s, …, g, con una frazione x del momento del protone stesso.

Le interazioni tra quark, estremamente intense alle energie Le funzioni Pi (x) prendono il nome di funzioni di struttura del e momenti trasferiti dell’ordine di q2 ~ 1 GeV2, decrescono in protone (o dell’adrone in considerazione). intensità e tendono asintoticamente ad una situazione in cui L’approccio logaritmico alla libertà asintotica, eq. (29), i quark si comportano come se fossero liberi, una proprietà fa sì che le relazioni di scala siano affette da correzioni cui è stato dato il nome suggestivo di “libertà asintotica” delle logaritmiche, che sono state accuratamente calcolate da interazioni forti (asymptotic freedom). Il risultato, al tempo diversi autori [21] e confrontate con i dati sperimentali ad completamente inatteso, giustifica le relazioni di scala nelle energie via via crescenti. sezioni d’urto, che erano state osservate alla fine degli anni L’accordo straordinario tra previsioni teoriche e osservazioni sessanta e nei primi anni settanta nei processi di diffusione sperimentali costituisce oggi una solida prova a favore della QCD come teoria delle interazioni forti [22].

14 in inglese, Quantum Chromo Dynamics, QCD.

vol31 / no5-6/ anno2015 > 31 8 Y-M, sessant’anni dopo insieme alle altre particelle che non sono singoletti, i quark, Sessant’anni dalla sua pubblicazione, l’idea che le all’interno dei singoletti della simmetria, gli adroni. Non interazioni siano generate da una simmetria locale è sembrano esserci altre possibilità, ma queste sono sufficienti diventato il paradigma centrale della fisica fondamentale. per riportare l’idea di Yang-Mills in accordo con il mondo Gravità, interazioni elettrodeboli e interazioni forti sono reale. descritte, con vari gradi di precisione ma senza alcun reale Tutti ci chiediamo, adesso, quale potrà essere il prossimo conflitto con le osservazioni, da interazioni “di gauge” passo. generate dalla sostituzione minimale. è difficile pensare che la Natura si accontenti di La lagrangiana di Yang-Mills, senza termini aggiuntivi di quattro interazioni, derivate dallo stesso principio, massa, è risultata rinormalizzabile, che ci sia o no la rottura ma permanentemente separate in capitoli differenti. spontanea causata da un vuoto non simmetrico. Il lato L’unificazione completa, il sogno coltivato da Einstein oscuro della teoria di Yang-Mills al momento della sua quando il mondo sembrava dominato da gravità ed creazione, la massa associata ai quanti dei campi vettoriali, elettromagnetismo, si ripropone adesso con gravità e bosoni intermedi o gluoni, è stato anche sostanzialmente Yang-Mills. chiarito. Nel caso di rottura spontanea con riduzione ad un Molte teorie sono state proposte, Grande Unificazione, gruppo di gauge abeliano, i bosoni associati alle simmetrie Supersimmetria, Technicolor, Stringhe, per superare la spontaneamente rotte prendono una massa mentre il campo barriera. Sono convinto che la risposta potrà venire solo associato alla simmetria abeliana rispettata (il fotone) resta dall’esplorazione sperimentale della regione di energia in cui a massa zero. Se non c’è rottura spontanea, contrariamente siamo appena entrati, con il Large Hadron Collider, o in quella a quanto pensavano Y-M, i campi di una simmetria non immediatamente successiva. Come negli anni cinquanta, abeliana restano tutti a massa nulla, ma sono confinati, il futuro, ancora una volta, è nascosto nelle Alte Energie.

Bibliografia [12] G. Zweig, “An Su(3) Model For Strong Interaction Symmetry And Its Breaking. 2”, CERN-TH-412. [1] H. Weyl, “The Theory of Groups and Quantum Mechanics”. Dover [13] K.A. Olive et al. (Particle Data Group), Chin. Phys. C, 38, (2014) Books on Mathematics (Dover Publications) 1950. 090001. [2] L. O’Raifeartaigh, “The Dawning of Gauge Theory”, (Princeton [14] N. Cabibbo, Phys. Rev. Lett., 10 (1963) 531. University Press) 1997. [15] S. L. Glashow, J. Iliopoulos, L. Maiani, Phys. Rev., D2 (1970) 1285. [3] vedi, ad esempio, L. Maiani, and O. Benhar, O. Benhar, L. Maiani, [16] M. Kobayashi, T. Maskawa, Progr. Theor. Phys., 49 (1973) 652. “Meccanica Quantistica Relativistica” (Editori Riuniti University [17] M. Y. Han, Y. Nambu, Phys. Rev., 139 4B (1965) B1006. Press) 2012; “Relativistic Quantum Mechanics: an Introduction to [18] H. Fritzsch and M. Gell-Mann, Proceedings of the XVI International Quantum Fields” (Taylor and Francis) 2015. Conference on High Energy Physics. Chicago 1972, a cura di [4] C. N. Yang and R. Mills, Phys., 96 (1954) 191. J. D. Jackson, A. Roberts, eConf C 720906V2 (1972) p. 135 [5] R.P. Feynman and M. Gell-Mann, Phys. Rev., 109 (1958) 193; [hep-ph/0208010]; vedi anche S. Weinberg, Phys. Rev. Lett., 31 S.S. Gershtein, and J.B. Zeldovich, Sov. Phys. JETP, 2 (1957) 576. (1973) 494. [6] S. L. Glashow, Nucl. Phys., 22 (1961) 579. [19] D. J. Gross and F. Wilczek, Phys. Rev. D 8 (1973) 3633; Phys. Rev. D, [7] F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett., 13 (1964) 321; P.W. Higgs, 9 (1974) 980. Phys. Lett., 12 (1964) 132; Phys. Rev. Lett., 13 (1964) 508. [20] H. D. Politzer, Phys. Rev. Lett., 30 (1973) 1346. [8] S. Weinberg, Phys. Rev. Lett., 19, (1967) 1264. [21] in particolare da G. Altarelli, G. Parisi, Nucl. Phys., B126 (1977) 298; [9] A. Salam, in N. Svartholm: Elementary Particle Theory, “Proceedings Y.L. Dokshitzer, Sov. Phys. JETP., 46 (1977) 691. of the Nobel Symposium 1968”. Lerum Sweden (1968) pp. 367-377. [22] vedi ad esempio G. Altarelli, “The Development of Perturbative [10] G. ‘t Hooft, M. J. G. Veltman, Nucl. Phys. B, 44 (1972) 183. QCD”, (World Scientific, Singapore) 1994. [11] M. Gell-Mann, Phys. Lett., 8 (1964) 214.

Luciano Maiani Luciano Maiani, fisico teorico, è Professore Emerito presso Sapienza Università di Roma. è stato presidente dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, Direttore Generale del CERN di Ginevra, presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche e presidente della Commissione Nazionale Grandi Rischi. Autore di più di 200 pubblicazioni su riviste internazionsi, tra i suoi contributi, la previsione, insieme a S. L. Glashow e a J. Iliopoulos, dell’esistenza di un quarto tipo di quark, il quark charm. Per i suoi contributi, ha ricevuto numerosi riconoscimenti, tra cui: Premio Fermi (SIF), Dirac Medal (ICTP), High Energy and Particle Physics Prize (EPS), Bruno Pontecorvo Prize (JINR, Dubna). Maiani continua le sue ricerche sulla fisica teorica delle particelle fondamentali alla Sapienza e al CERN.

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La Farbenlehre di Goethe

Marco Segala Università dell’Aquila, L’Aquila, Italia

La Farbenlehre “Teoria dei colori” di Johann Wolfgang Goethe è un’opera difficile da collocare e da valutare: se Goethe non l’avesse scritta, la sua fama non ne sarebbe diminuita; e se non l’avesse scritta un autore tanto eminente, forse oggi di essa si parlerebbe molto meno. La sua principale tesi – che i colori sono fenomeni derivati dalla miscelazione di luce bianca e oscurità – si oppone alla concezione newtoniana secondo la quale i colori sono originari e il bianco è derivato, e per questo viene semplicisticamente considerata “sbagliata”. Tuttavia, proprio perché si tratta di un’opera di Goethe e poiché la natura del colore è qualcosa di complesso, i giudizi semplicistici vanno evitati. Esperimenti della metà del Novecento condotti da diversi studiosi (tra i quali Edwin Land, l’inventore dell’apparecchio fotografico Polaroid) hanno mostrato che due raggi monocromatici, entrambi gialli ma con sfumature diverse, possono dar luogo all’intera gamma dei colori, se fatti interagire con superfici bianche e nere in certe condizioni di luminosità. Goethe non ha “sbagliato”. Piuttosto bisogna tenere conto che scrisse un trattato di cromatologia, non di ottica – nonostante lo abbia presentato come alternativo all’Opticks di Newton. I suoi risultati non sono dunque direttamente comparabili con quelli di un’opera dedicata principalmente all’ottica e solo marginalmente ai colori.

1 La cromatologia di Goethe Quando nel 1810 diede alle stampe la Farbenlehre [1], Goethe aveva 61 anni ed era un monumento della cultura tedesca ed europea. La pubblicazione del Faust nel 1808 mostrava t h e k

che l’età non aveva limitato la vivacità del suo genio creativo e testimoniava la tenacia o t

dell’uomo nel portare a compimento un progetto iniziato più di trent’anni prima. La “Teoria Ar dei colori” era, in ambito scientifico, l’analogo del Faust: il completamento di un’impresa iniziata vent’anni prima, con la pubblicazione dei Beyträge zur Optik (“Contributi all’ottica”) [2], e perseguita con veemenza, convinzione e fervore. La Farbenlehre apparve in due volumi. Il primo raccoglie la parte “didattica” (“Abbozzo di una teoria dei colori”, pp. 1-352) – esposizione della cromatologia di Goethe – e la parte “polemica” (“Smascheramento della teoria di Newton”, pp. 353-650) – analisi e critica dell’ottica di Newton; il secondo ha per titolo “Materiali per una storia dei colori”: percorre la storia della ricerca sui colori dalla preistoria alla fine del Settecento (pp. xxiii-xxvii e 1-665) e si chiude @ Städel Museum - U. Edelmann/ Museum - U. @ Städel con la “Confessione dell’autore” (pp. 666-692), che narra la storia dell’interesse di Goethe per i colori. Inizialmente Goethe aveva previsto anche una quarta parte, con integrazioni alle

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precedenti e con l’esposizione delle ricerche considerarsi come indicazioni per proseguire a lui coeve. Invece si limitò ad aggiungere nella ricerca, come suggerimenti per dare una serie di saggi del fisico Thomas Seebeck – attenzione a diversi “modi di rappresentazione” con la descrizione di nuovi esperimenti sugli della realtà. L’aspetto più innovativo di questa effetti dell’illuminazione colorata su pietre, ricerca era che il nero, tradizionalmente metalli e piante – sotto il titolo “In luogo della considerato come privo di colore, aveva promessa parte supplementare” (pp. 693-724). un ruolo nella produzione dei colori e che Poiché il testo aveva richiesto già quattro l’oscurità, tradizionalmente considerato come anni per la stampa, era apparso consigliabile assenza di luce, aveva un ruolo nella diffusione non attendere il completamento della quarta della luce. parte. Il volume si chiude con l’indice dei nomi I “Contributi all’ottica” invitavano i lettori, (pp. 725-734) e l’indice analitico (pp. 735-757) e naturalmente i newtoniani, a mettere in per l’intera opera. questione il dogma che i colori fossero luce Da un punto di vista terminologico, l’opera “purificata” dalla rifrazione nel prisma e a propone trasformazioni radicali rispetto ai concedere che essi invece esprimessero la “Contributi all’ottica” di vent’anni prima: mescolanza di luminosità e oscurità. Ma per non si parla più di scienza dell’ottica, ma quanto stimolante, questo invito poneva esclusivamente di scienza dei colori; il termine più questioni di quante ne risolvesse. In newtoniano “raggio” luminoso (Strahl) viene particolare, pareva difficile spiegare in che sostituito da “luce” (Schein) e “immagine” senso l’oscurità ha a che fare con la luce, (Bild). In questo modo Goethe rende evidente se non in senso puramente negativo. Negli che la sua opera percorre un cammino anni successivi Goethe si rese conto che una profondamente diverso rispetto all’Opticks di definizione del colore che facesse riferimento Newton. soltanto a ciò che è fuori dall’occhio non Simile invece rimane la procedura di poteva essere esaustiva. Poiché esperimenti indagine, volta non alla teorizzazione bensì alla con la medesima fonte luminosa potevano generalizzazione di risultati sperimentali. Nella dare luogo a percezioni di colori differenti, se sua prima opera dedicata alla cromatologia, ne doveva concludere che i colori non avevano Goethe non aveva voluto sfidare Newton sul origine soltanto nell’interazione tra luce e piano teorico; bensì aveva inteso mostrare oggetti ma anche nella visione stessa. Goethe che se si guarda al mondo dei colori senza aveva capito che la percezione dei colori è pretendere di verificare quanto stabilito anche attività dell’occhio. dall’ottica newtoniana, novità e sorprese sono L’idea di quelli che nella Farbenlehre saranno a portata di mano. Molteplici esperimenti chiamati “colori fisiologici” venne sviluppata con il prisma elaborati da Goethe svelavano dopo la pubblicazione dei “Contributi” fenomeni cromatici curiosi, in particolare e indusse Goethe a chiedere consiglio a in prossimità dei bordi dei corpi illuminati uno dei grandi fisiologi dell’epoca, Samuel dalla luce che aveva attraversato il prisma Thomas Soemmerring. Negli anni successivi, stesso. Altrettanto interessanti variazioni la concezione che il colore originasse nella cromatiche si manifestavano quando, pur polarità luce-oscurità non venne meno, e anzi senza cambiare la fonte di illuminazione, guidò anche la ricerca nell’ambito dei colori lo schermo bianco posto dietro gli oggetti fisiologici. La nozione di polarità permise di illuminati veniva sostituito da uno nero. Inoltre spiegare come la percezione di un colore in era facile provare che l’apparire dei colori determinate condizioni determini la visione all’aperto era ben diverso da quello che si del colore complementare o di ombre colorate. poteva esperire all’interno di un laboratorio. Da ultimo la polarità venne definita come il Goethe sosteneva che da questa molteplicità e «fenomeno originario» (Urphänomen) della complessità dell’esperienza e degli esperimenti costituzione del colore, a partire dal quale Tavole originali tratte da Farbenlehre non si doveva prematuramente ricavare una Goethe costruì la tripartizione fondamentale di J. W. Goethe. teoria; osservazione ed esperimenti erano da dei colori in fisiologici (dove la polarità è

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nell’attività dell’occhio), fisici (dove la polarità dalle condizioni ambientali. Quando definisce i è data dalla contrapposizione tra trasparenza colori “fisici”, l’allontanamento dalla prospettiva e torbidità del mezzo attraverso cui la luce newtoniana è palese: essi originano passa) e chimici (dove la polarità viene dalla dall’interazione della luce con mezzi materiali contrapposizione tra bianco e nero degli che «di per sé non hanno alcun colore e oggetti illuminati). L’analisi e la spiegazione dei possono essere trasparenti o torbidi o lucidi tre tipi di colore occupa i primi tre capitoli della oppure, infine, completamente opachi» (FL, I, parte didattica della Farbenlehre. § 136). Mentre nel caso dei colori fisiologici La scelta di iniziare dai colori fisiologici, «era l’occhio specialmente attivo, ed eravamo «che appartengono in tutto o in parte al in grado di rappresentare i fenomeni di cui soggetto e all’occhio» (FL, I, §1; per la versione esso era sede soltanto in noi ma non fuori italiana cfr. [3]), specifica immediatamente la di noi, qui vengono fatti nascere nell’occhio novità rispetto alla concezione newtoniana. attraverso oggetti incolori, […] qui non si Tradizionalmente «considerati inessenziali e tratta di colori già determinati, ma di colori casuali, alla stregua di illusioni e deficienze», che divengono e mutano» (FL, I, § 137). I colori invece sono manifestazioni delle «necessarie fisici scaturiscono dalla relazione tra soggetto condizioni del vedere» (FL, I, § 3). Scaturiscono e oggetto e si distinguono in: 1) catottrici, dalla naturale attività della retina, la quale quando la luce «viene riflessa dalla superficie «a seconda che su di essa agisca la luce o di un mezzo»; 2) parottici, quando la luce l’oscurità, si trova in due differenti condizioni, «sfiora il margine di un mezzo»; 3) diottrici, l’una interamente opposta all’altra» (FL, I, quando la luce «attraversa un corpo traslucido § 5): rilassato e non reattivo nell’oscurità, o trasparente» e viene rifratta; 4) epottici, in una condizione di tensione estrema se quando il colore «si presenta in diverse la luce è abbagliante. La visione dei colori circostanze sulla superficie incolore dei corpi» è possibile solo quando la luce stimola (FL, I, § 140). un’attività conciliante i due opposti: «la Come si può vedere, la fenomenologia retina, durante ciò che chiamiamo vedere, si cromatica evocata da Goethe espande trova contemporaneamente in condizioni grandemente quella prospettata da Newton, diverse e persino opposte. La chiarezza non che di fatto si era concentrata sui colori abbagliante svolge la propria azione accanto diottrici. Goethe non manca di far notare alla piena oscurità» (FL, I, § 13). A sostegno che anche nell’ambito di questo tipo di di questa tesi fisiologica Goethe porta gli colori Newton ha indebitamente ristretto la esperimenti che mostrano come la visione di procedura sperimentale a pochissimi casi, un colore determini la propensione dell’occhio tanto da non notare che non sempre la a «produrre i colori corrispondenti» ( FL, I, rifrazione della luce determina l’insorgere dei § 56). L’attività polare della retina, a seconda colori (FL, I, § 196). Invece, gli esperimenti che di come è stimolata, produce la totalità dei Goethe descrive mostrano fenomenologie colori e le loro infinite sfumature; e i colori si cromatiche molto più varie e portano alla manifestano secondo «leggi della visione» e conclusione che i colori non sono contenuti dei colori che si possono così descrivere: «nel nella luce bianca ma sono invece prodotti violetto richiamato dal giallo sono racchiusi dall’intorbidarsi della luce quando tocca il rosso e l’azzurro; nell’arancio, al quale oggetti o attraversa mezzi diversi dall’aria. Se corrisponde l’azzurro, stanno invece il giallo e il per Newton il prisma permetteva di scomporre rosso; il verde infine riunisce azzurro e giallo e la luce bianca nei suoi costituenti originari, richiama il rosso» (FL, I, § 60). per Goethe il prisma intorbida la luce bianca A differenza di Newton, che intendeva i e, a seconda delle diverse condizioni, fa colori come originari e li indentificava come sorgere i diversi colori, in tutte le sfumature raggi luminosi diversamente rifrangibili, e le tonalità. Quindi i colori non sono sette, Goethe sostiene che i colori non hanno una ma sorgono dalla mescolanza di luce e esistenza stabile e definitiva, indipendente torbidezza del mezzo. Gli esperimenti con

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il prisma confermano quanto emerso dallo studio dei colori fisiologici: vi sono tre colori primari (blu, rosso e giallo) le cui relazioni sono rappresentate dalla ruota dei colori (fig. 1) (FL, I, §§ 214-217)1. Le medesime conclusioni si traggono dallo studio dei colori chimici, quelli che si manifestano o si fissano sulle superfici del corpi e che pertanto sono permanenti e più stabili dei precedenti, anche in condizioni ambientali differenti (FL, I, § 486). Qui la polarità fondamentale è tra bianco (totale luminosità) e nero (totale assenza di luce). Giallo e blu sono le più immediate manifestazioni di colore a seguito della mescolanza, rispettivamente, di bianco con pochissimo nero e di nero con pochissimo bianco (FL, I, § 502). L’intensificazione degli opposti porta rispettivamente all’arancione e al violetto (FL, I, § 518) e l’acme dell’intensificazione porta al rosso (FL, I, § 523). Quando si combinano direttamente giallo e blu si ottiene il verde (FL, I, §§ 537-538). Nei due capitoli successivi, la parte didattica Fig. 1 La ruota dei colori dipinta da Goethe nel 1793. della Farbenlehre è dedicata a considerazioni generali sulla natura dei colori e sul rapporto tra la cromatologia e altre discipline (filosofia, matematica, tintura, fisica, fisiologia, teoria del suono). Ampio spazio è anche dedicato alla nozione di polarità, il cui ruolo a fondamento della fenomenologia cromatica viene da Goethe espressa come in tabella 1 (FL, I, § 696). Positivo Negativo La combinazione degli opposti non determina un antagonismo distruttivo bensì Giallo Blu la realizzazione di un fenomeno nuovo, con Azione Privazione caratteri propri, in un bilanciamento più o Luce Ombra meno armonioso (FL, I, §§ 697-698 e 706-707). Sulla base di questa armonia Goethe procede Chiaro Scuro con la trattazione dell’azione sensibile, morale Forza Debolezza ed estetica dei colori (FL, I, §6). Caldo Freddo Questa pur sommaria descrizione della parte didattica dell’opera rende chiaro perché, dal Prossimità Distanza punto di vista dei newtoniani, la cromatologia Repulsione Attrazione di Goethe appariva eccessivamente elaborata, Affinità acida Affinità alcalina quasi barocca, nella sua attenzione alla pluralità delle manifestazioni del colore, Tab. 1 Fondamenti della fenomenologia cromatica secondo Goethe. ma non abbastanza rigorosa dal punto di vista della metodologia. La critica veniva poi resa ancora più severa dal risentimento

1 Le tre diverse combinazioni dei primari danno luogo ai tre colori secondari (verde, arancione, viola).

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verso la durezza e l’intransigenza che Goethe espresse nei 2 Autobiografia e ricerca sui colori confronti dell’ottica newtoniana nella seconda parte della Il destino della Farbenlehre si giocò nei due anni che Farbenlehre, dedicata alla “messa a nudo” della teoria di seguirono la sua pubblicazione. I pochi scienziati che Newton e alla “polemica” contro di essa.2 In effetti, le scelte la lessero la giudicarono come l’opera di un dilettante; terminologiche e retoriche di Goethe in quelle trecento e poiché si trattava di Goethe, questo parere si diffuse pagine di analisi dell’Opticks non si conformano all’ideale di rapidamente in tutta Europa. Gli altri lettori la eressero a prosa scientifica impersonale e argomentativa. Senza contare vessillo di una scienza non sottomessa alla rigidità del rigore che l’insistenza con la quale Goethe contesta la “verità” della e dell’impersonalità; un’opera nata dal fiore della cultura concezione newtoniana, non senza scadere nell’insulto, romantica, che mostrava la superiorità delle humanitates stride fortemente con l’invito a considerare la complessità rispetto all’aridità delle scienze naturali. delle manifestazioni della natura e la pluralità dei modi Non era certo questa l’intenzione di Goethe, il quale di rappresentarle. Goethe aveva ben chiaro che quella di peraltro praticava il rigore nella ricerca scientifica e si era Newton non era una cromatologia ma una teoria dell’ottica sempre tenuto lontano dal romanticismo, pur coltivando che solo marginalmente si era occupata di colori: perché, amicizie profonde con esponenti del mondo romantico allora, trattarla come un’antagonista da distruggere, invece (Schiller e Schelling, innanzitutto). Tuttavia la Farbenlehre che come un modo di guardare alla natura da un altro punto risaltava come un contributo scientifico atipico. Anche di vista e con finalità diverse? Perché usare il guerreggiante la presenza della “Confessione dell’autore” al termine del termine “polemica” invece che il più neutro e amichevole secondo volume – un testo autobiografico così ricco di “critica”? particolari e indicazioni sulle motivazioni e sul percorso che La scelta risaliva ai primi anni dell’interesse di Goethe per avevano condotto l’autore al tema dei colori – appariva non i colori, quando si confrontò con testi e studiosi newtoniani consona. che si mostravano arroganti e stolidi nel loro rifiuto di Goethe invece riteneva che la storia del suo coinvolgimento ammettere che al mondo dei colori ci si potesse avvicinare nella ricerca sul colore fosse fondamentale. L’inserimento anche in modo diverso da quello di Newton. In quel periodo della “Confessione” al termine della parte storica della Goethe iniziò a utilizzare metafore di natura religiosa – Farbenlehre chiarisce che Goethe si sentiva parte di quella ortodossia, chiesa, tradizione canonica, credenza, fede – per storia, e avrebbe voluto che anche gli scienziati del suo descrivere l’attaccamento dei newtoniani alla teoria dei colori tempo intendessero in questo modo il suo contributo alla nell’Opticks; e presto si sentì come un eretico di fronte ai cromatica. La “Confessione” non solo esplicita la natura e la detentori della verità rivelata. La critica alla concezione del profondità dell’interesse goethiano per la comprensione colore in Newton diventava una polemica contro le pretese di del rapporto tra luce e colori; essa permette anche di definitività e completezza di una teoria idolatrata e auspicava meglio comprendere la distanza tra la nozione goethiana di uno sguardo più aperto da parte degli studiosi, fondato scienza, e di scienza dei colori in particolare, e quella dei suoi su un ritorno al confronto con i fenomeni. Si trattava di contemporanei. abbandonare la nozione scolastica di auctoritas e di ritrovare La prima tesi esposta da Goethe nella “Confessione” è che l’autentico spirito scientifico. la biografia e le circostanze della vita di uno scienziato sono Purtroppo Goethe non riuscì nell’intento. Il sarcasmo nei un elemento importante per comprendere la sua attività e confronti dei fisici (Physiker) gli alienò le simpatie di coloro interpretare i risultati scientifici. L’inclusione della storia delle che avrebbero potuto apprezzare le sfide poste da una idee e degli aspetti sociologici della ricerca nella storia della cromatologia non riducibile all’ottica newtoniana. Inoltre, scienza, nel corso degli ultimi decenni, ha mostrato che la la pretesa di Goethe di studiare i colori ignorando qualunque concezione storiografica di Goethe era promettente e apriva discorso sulla natura della luce e sull’ottica lo poneva al prospettive importanti; ma all’epoca prevaleva l’idea che la di fuori della comunità dei fisici. Goethe aveva ragione a ricerca scientifica dovesse essere “pura”, avulsa da contesti, sostenere che la riduzione operata da Newton dei colori a contingenze e biografie. Anche per questo gli scienziati che raggi di luce era impropria e non permetteva una buona avvicinarono la Farbenlehre negli anni immediatamente comprensione dei colori. Ma una cromatologia al di fuori successivi alla sua pubblicazione la interpretarono come della scienza dell’ottica non poteva riscuotere successo nella non ascrivibile, se non addirittura estranea, alla tradizione comunità scientifica. scientifica moderna. Un secondo aspetto che merita attenzione nella “Confessione” è quello dell’origine dell’interesse di Goethe per i colori: non la ricerca di una spiegazione scientifica del colore, 2 Il titolo della parte polemica è “Enthüllung der Theorie Newtons”, dove bensì la constatazione della mancanza di consapevolezza il termine Enthüllung esprime il senso del mettere a nudo e mostrare la nella produzione e nell’uso dei colori da parte dei pittori. Se pochezza della teoria di Newton.

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ne rese conto soprattutto durante il viaggio in Italia (1786-88), newtoniana che «tutti i colori sono contenuti nella luce», durante il quale la pittura ebbe un posto centrale, sia perché sebbene tale nozione gli fosse nota solo per via teorica e non egli stesso vi si dedicò con passione sia perché frequentò avesse mai assistito o realizzato «gli esperimenti attraverso i numerosi pittori: «molti dei dipinti erano stati realizzati in mia quali doveva venire dimostrata la teoria newtoniana» (FL, II, presenza, molte delle loro parti erano state attentamente p. 674; [4], p. 408). studiate nella loro posizione e forma, e nel merito di tutto Fu l’incontro con la letteratura scientifica dell’epoca che lo questo gli artisti e io stesso potevamo dare spiegazione o indusse a ripetere gli esperimenti newtoniani con il prisma: perfino offrire consiglio. Quando però si trattava di colorito «quando cercai di avvicinarmi ai colori dal versante della tutto sembrava lasciato al caso, a un caso determinato dal fisica, mi capitò di leggere in un qualche compendio il relativo gusto, a un gusto determinato da una certa abitudine, a capitolo ma, trovandovi solo teoria, non riuscivo a cavarne un’abitudine determinata da un certo pregiudizio, a un nulla di utile per i miei scopi, cosicché mi proposi quanto pregiudizio determinato dalla peculiarità dell’artista […] Gli meno di vedere io stesso i fenomeni» (FL, II, p. 675; [4], p. 408). artisti agivano in ragione di un’incerta tradizione o di qualche In effetti all’epoca i manuali che nel titolo menzionavano impulso, cosicché chiaroscuro, colorito, armonia dei colori, termini come “fisica” o “teoria della natura” offrivano nozioni vorticavano confusamente» (FL, II, p. 671-672; per la versione semplificate delle conoscenze scientifiche del tempo. Erano italiana cfr. [4]). testi a supporto della didattica, ma non erano manuali come Quello che Goethe sta dicendo può sembrare curioso: quelli odierni, dedicati alla formazione di uno scienziato. dopotutto gli artisti riproducono i colori che vedono o li Spesso le trattazioni erano spurie, persino scorrette, e nel alterano creando effetti inaspettati; perché dovrebbero caso della fisica dei fenomeni luminosi l’assunzione delle seguire regole “scientifiche”? Il punto di vista di Goethe concezioni newtoniane era fondata più sul prestigio del appare però in tutta la sua cogenza se riflettiamo non sui loro autore che sulla lettura e la comprensione dell’Opticks. colori nella pittura ma sull’impiego delle note in musica, La tesi di fondo era talmente nota che nella descrizione regolate dalla dottrina dell’armonia e del contrappunto. degli esperimenti con il prisma venivano sottostimate In effetti Goethe stesso nella Farbenlehre dedica un paio di le condizioni fondamentali sotto le quali gli esperimenti pagine alla comparazione tra dottrina musicale e teoria dei potevano essere replicati con successo. La mancanza di colori (FL, I, § 747-750, p. 281-282), e se seguiamo questa rigore nell’esposizione delle procedure sperimentali rendeva analogia possiamo fin da subito cogliere la profonda meno convincente il passaggio dall’analisi dei risultati differenza dell’interrogarsi goethiano sui colori rispetto alla empirici all’elaborazione dell’interpretazione teorica; di fatto tradizione newtoniana: è la stessa differenza che intercorre però i lettori già riconoscevano la validità della concezione tra la teorizzazione dell’espressione musicale e l’analisi dei newtoniana (come testimoniato dallo stesso Goethe: suoni in termini di onde sonore e frequenza di vibrazione «come tutti anche io ero convinto del fatto che i colori sono delle molecole dell’aria. Con la prima si stabiliscono le regole contenuti nella luce» (FL, II, p. 674; [4], p. 408), e quindi una per manipolare i suoni e creare brani musicali; con la seconda procedura argomentativa più convincente sarebbe sembrata si offre la “spiegazione fisica” dei fenomeni sonori. Se si torna pleonastica. ai colori, si può dire che Goethe pose la questione della Si prenda ad esempio uno dei manuali più diffusi possibilità di elaborare una dottrina dei colori ad uso degli dell’epoca, Anfangsgründe der Naturlehre (Fondamenti artisti, qualcosa che non era derivabile dalla “spiegazione della toeria della natura), compendio di Johann Christian fisica” dei colori presente nell’Ottica di Newton. Polycarp Erxleben (1744-1777)[5]3 che Goethe certamente Secondo questa prospettiva, la polemica di Goethe contro lesse nella fase di studio precedente la ricerca sui colori e Newton parrebbe fuori luogo, proprio perché si tratterebbe la cui quinta edizione citò nei Beiträge zur Optik. I paragrafi di teorizzazioni su piani diversi. Eppure la scontro ci fu, anche centrali del capitolo ottavo (Vom Lichte, Della luce) sono perché non sapendo dove e come iniziare una nuova dottrina dedicati all’esperimento newtoniano del prisma (Die Farben del colore ad uso degli artisti, Goethe decise che bisognasse des Prisma, §§ 362-372)(fig. 2), alla spiegazione della innanzitutto porre domande non tanto sull’uso dei colori quanto sulla loro natura: «ero giunto alla conclusione che 3 L’opera ebbe una seconda edizione (e un’immediata ristampa) per comprendere i colori nella loro evenienza fisica bisogna nel 1777, anno in cui l’autore morì. In seguito fu Georg Christoph muovere dal lato della natura, e che per questa via si può Lichtenberg (1742-1799), professore di fisica sperimentale a Gottinga, scoprire qualcosa del loro nesso con l’arte». Per questo a curare le successive edizioni dell’opera: nel 1784 (III), nel 1787 (IV), nel motivo Goethe ritenne doveroso partire dalla concezione 1791 (V, con una ristampa nel 1793), nel 1794 (VI, con una ristampa nel medesimo anno e nel 1801).

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colorazione dei corpi (Wie die Körper Farben zeigen, §§ 373-382) e agli strumenti ottici come indispensabili per correggere gli “errori” e i difetti della visione oculare (Von den optischen Werkzeugen: das Auge und dessen Fehler, §§ 383-392)4. La descrizione di tre esperimenti newtoniani (con un prisma, con una lente e un prisma, con due prismi) e dei loro risultati è abbastanza accurata, ma non completa: non viene specificato che lo schermo deve essere posto non troppo vicino al prisma; che, per garantire il parallelismo dei raggi incidenti, il prisma va inclinato secondo un certo angolo; che la luce deve passare attraverso un foro molto piccolo prima di giungere al prisma, perché soltanto una superficie molto piccola del prisma sia toccata dalla luce incidente. Eseguire questi esperimenti senza tenere conto di queste condizioni non porta ai risultati descritti: eppure Erxleben sostiene che questi tre esperimenti hanno permesso a Newton di stabilire la concezione che la luce è un composto di «sette luci semplici e omogenee» e che ciascuna di queste sette luci «ha il suo proprio grado di rifrangibilità» ([5], V edizione, 1791, §366). Per Goethe tutto questo è inaccettabile, per due motivi. Innanzitutto perché è metodologicamente sbagliato usare un numero così esiguo di esperimenti per trarre conclusioni sulla natura: «un singolo esperimento o anche una serie di esperimenti collegati tra loro non provano nulla; di fatto niente è più pericoloso che voler provare una proposizione immediatamente per mezzo Fig. 2 I diversi risultati della sperimentazione di Goethe con i di esperimenti» [6]. Inoltre perché l’enfasi sugli “errori” della visione prismi paragonati a quello di Newton, nel disegno 4 (Goethe, “Teoria dei colori”, tavola XIII). oculare e l’insistenza sull’uso di strumenti per fondare la scienza dell’ottica condanna la ricerca a un incontro mediato con la natura, e questo per Goethe significa l’annullamento della persona, il disconoscimento del ruolo attivo degli occhi nella produzione dei fenomeni visivi e dei colori, e da ultimo la negazione della ricerca scientifica stessa. Non si capacitava del fatto che la scienza avesse tradito l’empiria e amaramente ricordava che all’inizio delle sue ricerche «ancora nutrivo la follia di credere che tutti coloro che si occupano di scienze delle natura guardano ai fenomeni» (FL, II, p. 687-688; [4], p. 415). Anche questa considerazione epistemologica determinò Goethe nella polemica contro Newton, anche se in questo caso Newton fu molto più vicino alla posizione di Goethe che a quella dei newtoniani: sebbene riconoscesse l’imprecisione dell’osservazione a occhio nudo, non voleva però che questa fosse bandita dalla ricerca. A differenza degli estensori dei manuali newtoniani, egli aveva ben chiara la distinzione tra “errori” e “limiti” della visione, e riteneva che osservazioni ripetute e procedure sperimentali rigorose potevano produrre risultati affidabili.

4 La numerazione dei paragrafi restò la medesima nelle sei edizioni dell’opera, mentre le variazioni e gli ampliamenti cambiarono la paginazione.

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3 Goethe sperimentatore aveva accolto quel numero come una verità. Invece Goethe Il lungo cammino che portò Goethe dai “Contributi riusciva a elaborare esperimenti in cui i colori erano molto all’ottica” alla “Teoria dei colori” fu sostanzialmente di più numerosi e meno marcate erano le differenze tra loro; carattere sperimentale. All’inizio si trattò di mettere alla soprattutto riteneva del tutto insufficiente la concezione prova manuali e testi scientifici imprecisi e talvolta persino newtoniana perché non poneva i problemi pertinenti alla scorretti nelle descrizioni degli esperimenti di Newton. Non colorazione dei corpi, del cielo, del cielo intorno al sole si può biasimare Goethe, se iniziò a guardare attraverso il e attorno alla luna, delle ombre colorate, della capacità prisma in condizioni lontane da quelle richieste dall’Opticks della natura di offrire innumerevoli sfumature di colore. di Newton: «mi trovavo in una stanza completamente bianca, La riduzione dell’infinita varietà delle fenomenologia e quando alzai lo sguardo mi attendevo, memore della cromatica a sette colori fondamentali gli sembrava la teoria di Newton, di vedere la parete bianca colorarsi di tutte negazione della curiosità e del desiderio di comprensione che le gradazioni, di vedere la luce che raggiungeva l’occhio dovrebbe animare lo scienziato. Purtroppo questa posizione scomposta nelle sue luci colorate. Quale non fu però la mia comportava anche l’impossibilità, per Goethe, di spiegare meraviglia allorquando la parete che osservavo attraverso il l’arcobaleno; e questo non fu passato sotto silenzio dai suoi prisma mi apparve bianca esattamente come prima, mentre critici. il colore si manifestava in maniera più o meno decisa solo Il metodo di Goethe fu di elaborare decine di esperimenti lì dove vi si opponeva una macchia scura, e soprattutto alla che variavano indefinitamente il modello sperimentale croce della finestra […] Non ebbi bisogno di molte riflessioni newtoniano indicato dai manuali. Poiché anche i risultati per accorgermi che era necessario un confine per produrre il variavano, e non sembrava ci fosse modo di spiegarli con colore, e del tutto istintivamente esclamai ad alta voce che la la nozione di colore come componente semplice della luce dottrina di Newton era falsa» (FL, II, p. 677-78; [4], p. 410). bianca, Goethe si persuase che la teoria newtoniana non Goethe definì “aperçu” questa intuizione iniziale che «è solo non dava ragione della pluralità dei fenomeni, ma come una malattia che ci abbia infettato e della quale non ci persino rinnegava e nascondeva la vitalità della natura. possiamo liberare finché non l’abbiamo vinta» (FL, II, p. 684; Anche dopo che lesse l’Ottica, e verificò le restrizioni poste [4], p. 413). Il vasto programma sperimentale che ne seguì, da Newton sulla realizzazione degli esperimenti, si rese sviluppato nel corso di anni e con la realizzazione di decine conto che su molte procedure lo scienziato inglese aveva di esperimenti, aveva lo scopo di provare quanto le prime dato indicazioni vaghe o insufficienti; questo lo rafforzò nel osservazioni gli avevano suggerito e di mostrare i limiti e convincimento che la concezione newtoniana dei colori gli errori della concezione newtoniana dei colori. Da altre non fosse empiricamente fondata, che gli esperimenti a letture e da conversazioni con alcuni fisici si rese conto che la suo sostegno non fossero esaustivi e probanti, e che la fenomenologia del colore non suscitava reale interesse: tutti teoria derivata aveva il demerito di mortificare la natura: la erano convinti che il problema stesse nell’eccessiva libertà pluralità delle esperienze e la proliferazione dei fenomeni degli esperimenti di Goethe. Inoltre gli scienziati con cui parlò per nessuna ragione dovevano essere limitati da vincoli sulla insistevano sul fatto che tutto era comunque spiegabile a realizzazione di esperimenti. Illuminante a questo proposito partire dalla teoria fisica della luce bianca come composta è il riferimento al prisma ad acqua (fig. 3), sul quale aveva di colori originari. Anni dopo, con una punta di malinconia effettuato esperimenti già all’epoca del “Contributi all’ottica”: scrisse: «non avevo ancora idea della limitatezza della «ne riprodussi già allora l’immagine perché […] pensavo di corporazione scientifica, che era certo in grado di conservare liberare la natura dalla camera oscura e dai prismi di piccole e tramandare qualcosa, ma non di promuoverla» ( FL, II, dimensioni» (FL, II, p. 687; [4], p. 415). p. 686, [4], p. 414)). Forse all’inizio l’approccio di Goethe fu soprattutto guidato Dal punto di vista di Goethe, la concezione newtoniana dei dall’entusiasmo, ma non bisogna dimenticare che in seguito colori era sbagliata e aveva ingenerato un atteggiamento, egli seppe guadagnarsi il sostegno e la collaborazione di uno guidato dal principio di autorità, che impediva di modificare sperimentalista di prim’ordine, Thomas Johann Seebeck5. le nozioni accettate. Le parole e gli argomenti della polemica Questi iniziò a lavorare al progetto di Goethe nel 1806, nella Farbenlehre suonano molto simili a quelle dei fondatori della scienza moderna contro la Scolastica e l’incapacità di 5 guardare al mondo con gli occhi invece che attraverso le Critico dell’idea che la conoscenza scientifica dovesse essere innanzitutto matematizzazione della natura, Seebeck privilegiava opere dell’autorità di allora, Aristotele. Goethe contestò, la sperimentazione sull’elaborazione teorica. Professore di fisica a ad esempio, l’idea che i colori fossero esattamente sette: Jena, condivise l’interesse di Goethe per un approccio alla cromatica Newton lo aveva asserito, pur senza escludere che potessero alternativo a quello di Newton e contribuì all’ideazione e alla realizzazione di molti esperimenti che avrebbero dato corpo alla parte essere riconosciuti molti colori intermedi, ma la tradizione didattica della Farbenlehre. Sul rapporto tra Goethe e Seebeck, cfr. [7].

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pubblicò alcune sue ricerche nell’appendice della Farbenlehre, e continuò a sperimentare sui colori fino al 1818, risvegliando l’interesse di Goethe dopo che questi, scoraggiato dall’insuccesso dell’opera presso la comunità scientifica, aveva abbandonato l’impresa. A partire dal 1812, Seebeck poté mostrare a Goethe che il modello newtoniano (fig. 4) stentava a spiegare i risultati degli esperimenti sull’interazione tra luce polarizzata e materia6. Gli inaspettati fenomeni cromatici mostrati da Seebeck, oggi interpretati come effetti dell’interferenza tra fasci di luce polarizzata, erano condotti con lenti e specchi riscaldati a diverse temperature. Anni dopo, la medesima procedura sperimentale di riscaldamento, questa volta sui metalli, lo avrebbe portato alla scoperta per la quale oggi egli è ricordato nella Fig. 3 Il prisma ad acqua (Goethe, “Teoria dei colori”, tavola XVI). storia della fisica – l’effetto termoelettrico7; ma anche le ricerche ottiche nella scia della Farbenlehre riscossero interesse e successo in ambito scientifico, tanto che nel 1815 Seebeck venne premiato dall’Académie des Sciences di Parigi per i contributi allo sviluppo delle conoscenze sugli effetti della polarizzazione della luce.

4 La riflessione di Goethe su scienza e natura Goethe non era uno scienziato dilettante. Si avvicinò allo studio della natura con nozioni diverse da quelle degli scienziati del suo tempo, ma non senza la consapevolezza della preparazione e dell’enorme lavoro richiesto al ricercatore. Prima di pubblicare le sue ricerche sui colori, aveva già compiuto studi di carattere naturalistico. Come ministro plenipotenziario del Ducato di Weimar, nel 1776 decise di riattivare le miniere di Ilmenau e la loro frequentazione lo determinò allo studio della geologia e alla stesura, nel 1784,

6 Il fenomeno della polarizzazione della luce fu scoperto dal fisico francese Étienne Malus nel 1808, cfr. [8]. 7 La manipolazione sperimentale di corpi riscaldati nel 1821 lo portò a scoprire che due metalli a differenti temperature posti in contatto determinano l’insorgere di potenziale elettrico nei punti di contatto: è questo l’effetto termoelettrico, chiamato anche effetto Fig. 4 Schematizzazioni degli esperimenti newtoniani nei manuali Seebeck, cfr. [9]. settecenteschi (Goethe, “Teoria dei colori”, tavola VII).

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di un testo sulla formazione del granito [10]. forse il termine ultimo delle nostre forze. Infatti Sempre nel 1784 pubblicò un breve testo qui non si ricercano cause, ma condizioni di anatomia comparata nel quale mostrava sotto cui i fenomeni appaiono; viene intuita l’esistenza dell’osso intermascellare negli e assunta la loro successione conseguente, il esseri umani, ancora non riconosciuta dagli loro eterno ritornare in migliaia di circostanze studiosi dell’epoca [11]. Del 1790 è il trattato differenti, la loro uniformità e mutevolezza, di botanica “Metamorfosi delle piante” [12], riconosciuta la loro determinatezza a sua volta nel quale si propose di spiegare la diversità rideterminata dallo spirito umano» (ref. [14], del mondo vegetale a partire da un’unità pp. 50, 51). morfologica originaria, «il vero Proteo che In queste parole, redatte nel 1798 in un nasconde o rivela se stesso in tutte le forme testo preparatorio della Farbenlehre, si coglie vegetali» [13]. il senso della ricerca non di meccanismi ma Pur nella diversità degli argomenti, queste di un archetipo che, modificato infinitamente ricerche furono animate da intenzioni in forme sempre diverse, permetta di e concezioni che Goethe esplicitò in comprendere la natura nella sua unità numerosi testi di carattere metodologico e pienezza, varietà e concretezza, senza e filosofico. La tesi di fondo è che la astrazioni. Tale archetipo si presenta come scienza debba privilegiare lo sguardo, la Urpflanze (pianta originaria) nella “Metamorfosi percezione, l’empirico nella sua fenomenicità. delle piante” e come principio di aggregazione Comprendere la natura significa svelare e armonizzazione delle parti anatomiche la verità racchiusa nei fenomeni senza nell’animale (il principio che permise a Goethe allontanarsi dai fenomeni stessi. La teoria di vedere l’osso intermascellare laddove altri e l’astrazione vanno impiegate con anatomisti non avevano saputo individuarlo). cautela, perché rischiano di spiegare il Nella Farbenlehre, l’archetipo è chiamato mondo perdendolo di vista: «un sistema Urphänomen (fenomeno originario) e viene naturale è un’espressione contraddittoria. identificato nella contrapposizione tra luce e La natura non ha un sistema, essa ha, oscurità, trasparenza e torbidezza, attività e essa è, vita e successione che parte da un passività dell’occhio. centro sconosciuto e va verso un confine Goethe nei suoi contributi scientifici non inconoscibile. Perciò la contemplazione della aspira a elaborare teorie derivate dai fenomeni natura è senza fine» (GA, vol. 9, p. 295; per la tramite l’osservazione o l’esperimento, bensì versione italiana cfr. [14]). esibisce un fenomeno ideale; prospetta una Non c’è bisogno di teorizzare, sostiene unità di fenomeno e idea che illumina la Goethe, basta guardare con attenzione varietà e la molteplicità del mondo naturale. il «fenomeno empirico, che ogni uomo Una teoria scientifica è descrittiva ed percepisce nella natura», elevarlo a «fenomeno esplicativa, mette in luce rapporti nascosti, scientifico» per mezzo di molteplici permette di fare previsioni; ma non è esperimenti in circostanze diverse e sviscerare produttiva della realtà che spiega: prima di il «fenomeno puro», che permette una visione tutto è un prodotto delle facoltà intellettive completa e una comprensione che supera umane. Goethe non vuole una scienza che quella che deriva dalla concatenazione replichi la natura nel concetto, bensì una causale. Il fenomeno puro «si presenta ora da scienza che accolga ed esibisca la potenza ultimo come risultato di tutte le esperienze e creatrice della natura: fenomeno e idea, gli esperimenti. Non può mai essere isolato, appunto, concretezza e idealità. «La scienza è ma si mostra sempre in una serie continua di propriamente il privilegio dell’uomo»: essa gli fenomeni. Per rappresentarlo lo spirito umano consente di cogliere il «grande concetto che determina ciò che è incerto, esclude ciò che è il tutto è solo un Uno armonico», senza per casuale, separa ciò che è impuro, sviluppa ciò questo illuderlo di poter «abbracciare l’intera che è intricato, anzi scopre ciò che non è noto. natura» con un «sentimento oscuro», in un Se l’uomo sapesse appagarsi si troverebbe qui «comodo misticismo» immaginoso nel quale

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«si accostano o si collegano cose infinitamente di conoscere la legge delle manifestazioni lontane»; d’altro canto non si dà scienza fisiologiche, l’importanza delle manifestazioni quando si isola «con un’incomprensione ottenute attraverso i mezzi torbidi, e infine la frammentante» ciò che è unità, separando versatile costanza dell’azione e della reazione «fenomeni segretamente affini, ponendo alla chimica. Avevo dinnanzi a me la suddivisione base di ciascuno una legge specifica da cui alla quale io, in ragione della sua affidabilità, dovrebbero essere spiegati»8. rimasi sempre fedele. Senza un metodo non Del 1792 è un saggio, centrale per è però possibile né separare né connettere le comprendere l’epistemologia di Goethe, dal esperienze che si compiono. Mi capitò così di titolo emblematico “L’esperimento come trovarmi dinnanzi a una quantità di diverse mediatore tra soggetto e oggetto”. La sua spiegazioni teoriche, avanzando tra errori lettura chiarisce che la metodologia scientifica ipotetici e unilateralità varie. Non mancai di Goethe non è distante da quella degli tuttavia di notare che ovunque si mostrava scienziati suoi contemporanei: l’osservazione un’opposizione, ovvero quella polarità di e la prova sperimentale sono la vera fonte cui ho già detto. Ciò era importante perché del conoscere, non le ipotesi o le aspettative attraverso questo principio mi sentivo in grado della persona; il rigore argomentativo è di collegare la teoria dei colori a questa o quella fondamentale, e per questo la matematica disciplina affine ovvero più remota» (FL, II, richiede di essere impiegata. p. 688-689; [4], pp. 415-416). Quello che appare diverso, nella concezione Il senso dell’avvertimento di Goethe è che di Goethe, è la vastità dello sguardo; ogni non bisogna confondere le proposizioni sulla fenomeno è connesso a miriadi di altri natura (e dunque le teorie) con gli esperimenti fenomeni, e teoria e esperimento non possono sulla natura. Le prime presentano un modo ritagliare un pezzo di realtà e renderla particolare di concepire la natura, i secondi indifferente al resto: «l’esperienza può allargarsi sono parte della natura stessa, che si estende all’infinito, la teoria non può allo stesso modo in un oceano smisurato di esperienze. purificarsi e diventare perfetta. A quella Gli esperimenti, se bene sviluppati, possono l’universo è aperto in tutte le sue direzioni, dare certezze sulla natura, ma tali certezze questa rimane rinchiusa entro il confine delle devono poi essere raccolte e amalgamate, per capacità umane» (GA, vol. 9, pp., 504-676; riprodurre l’unità e la completezza della natura. [14], p. 24). Ecco perché ogni esperimento A questo fine, non è preposta la teoria, ma deve essere replicato introducendo variazioni, l’esposizione rigorosa; non buoni argomenti, ma coinvolgendo altri aspetti dell’esperienza, buoni ragionamenti – senza salti, senza vuoti, perseguendo generalizzazioni sempre più senza forzature. La precisione e il ragionamento ampie, e soprattutto cercando di elaborare ben costruito sono offerti dalla matematica: più esperimenti correlati tra loro: «per quanto per orientarsi e mostrare le certezze raccolte prezioso possa essere considerato un singolo con l’osservazione e l’esperimento bisogna esperimento, esso nondimeno riceve il suo attenersi al rigore della dimostrazione valore solo attraverso l’associazione e la matematica, anche in quelle discipline dove connessione con altri». Questa concezione il calcolo e le formule non sono possibili. Si riecheggia in un brano al termine della tratterà allora di una matematica senza calcolo, Farbenlehre: «dopo che avevo cercato di garante della validità dell’esposizione dei guardare in tutte le direzioni del mondo dei contenuti della ricerca sperimentale. «Infatti fenomeni e dopo aver organizzato molti è il metodo matematico quello che a causa esperimenti diversi, ritenni di aver ottenuto un della sua circospezione e purezza rivela subito primo vero successo allorquando fui in grado qualsiasi salto nell’asserzione, e le sue prove sono propriamente soltanto esposizioni circostanziate che quanto vien posto in 8 Questi brani sono tratti dalla recensione redatta nel 1819 (pubblicata nel 1824) al libro di Jan Evangelista connessione sussisteva già nelle sue parti Purkinje, Ueber das Sehen in subjektiver Hinsicht: cfr. [15]. semplici e nella sua intera sequenza, ed è stato

vol31 / no5-6 / anno2015 > 43 esaminato in tutta la sua estensione e trovato giusto sotto scientifiche si collegano alla natura e diventano parte del ogni condizione e inconfutabile. E così le sue dimostrazioni mondo fenomenico. L’idea, allora, è quella porzione di realtà sono sempre più esposizione, ricapitolazioni, che argomenti» che non varia nel vorticare dell’esperienza e che esprime (GA, vol. 9, p. 853). rapporti costanti. Per questo essa ci guida, semplifica la La concezione della scienza prospettata da Goethe va nostra comprensione e garantisce la definizione di un sapere in direzione diversa da quella della tradizione galileiana e comunicabile; ma sempre e soltanto nella misura in cui è non newtoniana perché esige che proposizioni e teorie sulla è un’astrazione ma è intimamente legata alla fenomenicità. natura non siano il contraltare della natura. Esse non devono Perché soltanto nella fenomenicità si può trovare la verità. arrogarsi la capacità di ordinare e sistematizzare l’esperienza, Goethe è un empirista, forse il più radicale, perché perché l’esperienza è vasta, variabile, polimorfica, e non può nell’esperienza e con l’esperienza vuole dare vita e sostanza essere replicata dal pensiero. L’unico modo per fare scienza, al sapere e alla sua dimensione ideale e concettuale. Come dunque, è realizzare il processo teorico in armonia con la proclama Mefistofele nel Faust (vv. 2038-39): natura, dentro la fenomenicità, con l’intento di comprendere la totalità, perché solo attraverso il tutto è possibile cogliere Grau, theurer Freund, ist alle Theorie, il senso di ogni singolo ambito fenomenico. La scienza Und grün des Lebens goldner Baum deve diventare parte della natura, e come tale si realizza (Grigia, caro amico, è ogni teoria, essa stessa in un processo infinito attraverso il quale idee E verde l’albero d’oro della vita).

Bibliografia [8] E. Malus, “Sur une propriété de la lumière réfléchie par les corps diaphanes”, Nouveau Bulletin des Sciences, par la Société [1] J.W. Goethe, “Zur Farbenlehre” (Cotta, Tübingen) 1810 (in seguito Philomatique de Paris, 16, (1809) 266; E. Malus, “Sur une propriété de citata come FL, I, prima parte e FL, II, seconda parte). la lumière réfléchie”, Mémoires de Physique et de Chimie, de la Société [2] J.W. Goethe, “Beyträge zur Optik” (Industrie-Comptoir, Weimar) d’Arcueil, 2 (1809) 143. 1791-92. [9] T. J. Seebeck, “Ueber den Magnetismus der galvanischen Kette” [3] J.W. Goethe, “La teoria dei colori” (Il Saggiatore, Milano) 2008. (Berlin) 1822. [4] J. W. Goethe, “La storia dei colori” (Luni Editrice, Milano-Trento) [10] J. W. Goethe, “Ueber den Granit”, 1784; pubblicato postumo nel 1997, pp. 406-407. 1878. [5] J. C. P. Erxleben, “Anfangsgründe der Naturlehre” (Dieterich, [11] J. W. Goethe “Versuch aus der vergleichenden Knochenlehre daß Göttinge) 1772. der Zwischenknochen der oberen Kinnlade dem Menschen mit den [6] J. W. Goethe, Das Versuch als Vermittler von Objekt und Subjekt, in übrigen Thieren gemein sey” (Jena) 1784. “Gedenkausgabe der Werke, Briefe und Gespräche“, vol. 9, a cura [12] J. W. Goethe, “Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären” di Paul Stöcklein (Artemis , Zürich) 1949, p. 849; in seguito citato (Gotha, Ettinger) 1790. come GA). [13] J. W. Goethe, “Viaggio in Italia”, Napoli 17 maggio 1787; tr. it. [7] k. Nielsen, “Another kind of light: The work of T.J. Seebeck and his E. Castellani (Mondadori, Milano) 1993. collaboration with Goethe”, Hist. Studies Phys. Biol. Sci., 20 (1989) [14] J. W. Goethe, “Teoria della natura” (Boringhieri, Torino) 1958, p. 111. 107; 21 (1991) 317. [15] J. W. Goethe, “Goethes Sämmtliche Werke, vol 40 (Cotta,Tübingen)1840, p. 406 (tr. it. [14], p. 24).

Marco Segala Marco Segala insegna storia della filosofia all’Università dell’Aquila e svolge attività di ricerca al Centre Alexandre Koyré del CNRS, a Parigi. Si è laureato in filosofia alla Scuola Normale Superiore di Pisa e nel 1992 ha conseguito il dottorato in filosofia all’Università di Firenze. È stato borsista Humboldt in Germania e Marie Curie in Francia. Si occupa di storia della filosofia e delle scienze tra Settecento e Novecento, con particolare attenzione ai rapporti tra filosofia e scienze nell’età goethiana. Per un curriculum dettagliato, cfr. http://koyre.ehess.fr/index.php?414

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Il colore del calore: Macedonio Melloni e l’infrarosso

EMANUELA COLOMBI1, MATTEO LEONE2,3, NADIA ROBOTTI4,3 1 Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra “Macedonio Melloni”, Università di Parma, Parma, Italia 2 Dipartimento di Filosofia e Scienze dell’Educazione, Università di Torino, Torino, Italia INFN, Sezione di Torino, Torino, Italia 3 Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”, Roma, Italia 4 Dipartimento di Fisica, Università di Genova; INFN, Sezione di Genova, Genova, Italia

Ritratto di Macedonio Melloni, Biblioteca Palatina di Parma

Macedonio Melloni è universalmente riconosciuto come uno dei più grandi fisici Italiani dell’Ottocento. Ha dato contributi fondamentali allo studio dei “raggi calorici” (poi chiamati radiazione infrarossa), iniziati nel 1829, e culminati nel 1842 con la formulazione del “principio di identità” tra questi “raggi” e la luce. Giocò anche un ruolo di protagonista nelle vicende risorgimentali, che lo costrinsero per un lungo periodo in esilio. In quanto segue, sulla base di pubblicazioni dell’epoca e della ricca documentazione archivistica conservata a Parma presso la Biblioteca Palatina e a Parigi presso l’Académie des Sciences, gli Archives Nationales, l’Institut de France e la Bibliothèque de la Sorbonne, si ricostruirà il lungo percorso, durato più di dieci anni, seguito da Melloni per giungere al principio d’identità. Tappa fondamentale di questo percorso fu l’attribuzione, da parte dello stesso Melloni, di un colore al calore. Comunque, il principio di identità di Melloni era molto più profondo di quanto finora sottolineato in letteratura. Esso infatti non riguardava soltanto i raggi calorici e la luce, ma coinvolgeva tutte le radiazioni a quel tempo note, dall’estremo infrarosso all’estremo ultravioletto, fornendo una nuova e formidabile chiave di lettura per tutti i fenomeni legati all’irraggiamento.

1 L’inizio riferimento costante e fondamentale. Melloni nasce a Parma l’11 aprile 1798. Il padre è un Rientrato a Parma nel 1823, viene nominato prima ricco commerciante e la madre è una donna molto colta, “Professore sostituto di Fisica” all’Università (1824) e poi di origini francesi. Dopo quattro anni di studi privati in “Professore di Fisica e Direttore del Gabinetto di Fisica” (1827). Matematica e Fisica, seguito da professori dell’Università A Parma si dedica immediatamente alla fisica sperimentale di Parma, Melloni decide, nel 1819, di proseguire gli studi (Meteorologia) cercando di progettare un igrometro di nuovo all’estero, e in particolare all’Ecole Polytechnique di Parigi, tipo, che realizzerà poi nel 1829. È in questa occasione che dove resta per quattro anni. Per Melloni, le Università e le nascono i primi contatti con Leopoldo Nobili, fisico di Reggio Accademie straniere, e più in generale il mondo scientifico Emilia e famoso costruttore di strumenti scientifici. internazionale, rappresenteranno sempre un punto di Nobili aveva inventato nel 1825 il galvanometro astatico, il

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galvanometro più sensibile mai costruito sino ad allora. Dopo Guastalla, lo sospendeva dall’insegnamento e lo allontanava pochi anni, nel 1829, ebbe l’idea di utilizzarlo per misurare le dall’Università [5]. Diventato manifestamente persona non deboli correnti termoelettriche prodotte per effetto Seebeck, gradita, per aver proposto idee “contrarie ai principii adottati e realizzare così un nuovo tipo di termometro. Per far questo dal Governo, e tendenti a corrompere gli animi de’ giovani costruì una pila termo-elettrica, costituita da sei elementi scolari troppo facili a seguirne i funesti esempi”, Melloni di bismuto e d’antimonio messi in serie, che accoppiò al abbandona Parma, per poi ritornarvi allo scoppio dei moti galvanometro, con lo scopo di misurare la corrente termo- del febbraio del 1831. Qui fa parte del Governo Provvisorio, elettrica che si creava per la differenza di temperatura tra le instauratosi dopo la destituzione di Maria Luigia. Comunque, giunture della pila. Melloni venne subito messo al corrente da dopo circa un mese, all’arrivo delle truppe austriache, è Nobili di questo nuovo termometro e così iniziò la sua grande costretto di nuovo a fuggire da Parma. E così, mettendosi in avventura con il calore radiante. viaggio con il suo termo-moltiplicatore, si sposta tra varie Melloni cercò immediatamente di modificare questo località in Italia e all’estero (Firenze, Genova, Marsiglia, Lione, strumento, denominato da Nobili “termo-moltiplicatore”[1] in Parigi, Besançon), per poi stabilirsi nel dicembre del 1831 a modo da renderlo utilizzabile al meglio nello studio del calore Dôle (nel Nord-Est della Francia), dove è nominato Professore radiante (fig. 1). In particolare, aumentò il numero di elementi presso il Collège de l’Arc dell’Università. bismuto-antimonio, e ne variò le dimensioni e la disposizione, E in giro per il mondo Melloni prosegue, ora da solo, le realizzando così un nuovo modello di termo-moltiplicatore ricerche sul calore radiante, partendo proprio dall’anomalia estremamente più sensibile [2], in grado ad esempio di dell’acqua, cioè dal corpo trasparente alla luce “par excellence”. rilevare “il calore naturale d’una persona alla distanza di Mentre è in viaggio, il 29 settembre 1831 viene emesso il venti piedi” [3]. Fino all’invenzione del bolometro da parte di decreto d’esilio per gli inquisiti per delitti politici, assenti o Samuel Langley nel 1878, quasi mezzo secolo dopo, il termo- presunti tali: Melloni diventa così ufficialmente esule [6]. moltiplicatore sarà, nelle sue varianti successive, lo strumento Da Dôle continua a mantenere la corrispondenza base per lo studio dell’infrarosso. scientifica con l’Académie des Sciences e il 5 marzo 1832 Con questo nuovo termo-moltiplicatore Nobili e Melloni comunica ad Arago una sua recente scoperta riguardante incominciano ad analizzare alcuni fenomeni legati al calore il passaggio dei raggi calorici nell’acqua. Questa volta, radiante, tra cui il suo passaggio attraverso i corpi trasparenti. però, studia il comportamento dei raggi provenienti dal Utilizzando come sorgenti una “pallina di ferro riscaldata Sole. Scopre così che questi raggi, a differenza di quelli in con dei carboni roventi o con dell’acqua bollente”, ricavano precedenza studiati (provenienti da una debole sorgente che nel caso di alcuni materiali, quali il solfato di calcio, la terrestre), passano attraverso l’acqua e subiscono una “perdita mica, l’olio, l’alcool e l’acido nitrico, “il passaggio del calore tanto più grande quanto più piccola è la loro rifrangibilità” [7]. raggiante dipende dal loro grado di trasparenza”, così come Questo è il primo risultato importante ottenuto da Melloni era stato ricosciuto già da altri scienziati e in completa esule; un risultato che, di lì a poco, aprirà la strada ai futuri analogia con il comportamento della luce. Esisteva, però, sviluppi. In questi esperimenti utilizza un nuovo tipo di un’importante eccezione rappresentata dall’acqua, la quale, termo-moltiplicatore; in effetti Melloni non smetterà mai di pur essendo trasparente alla luce, “arrestava completamente lavorare su quest’apparecchio, modificandolo ed adattandolo il passaggio del calore raggiante”. Questi risultati venivano ai vari tipi di misure che via via affronterà. “letti” per la prima volta da Melloni e Nobili a Parigi, durante Melloni fatica ad adattarsi alla vita di Dôle, e definirà la Séance (Seduta) dell’Académie des Sciences di Parigi questa sua permanenza “mon affreuse solitude Doloise” (la del 5 settembre 1831. Due membri dell’Académie, Pierre mia terribile solitudine Dolese) [8]. E così, dopo uno scambio Louis Dulong e François Arago (di recente eletto Secrétaire epistolare con Pierre Prévost, uno dei massimi esperti sul Perpétuel) venivano incaricati di studiare la memoria. calore radiante, residente a Ginevra, si trasferisce in questa città. Significativa è l’ultima lettera da Dôle che Melloni scrive a Prévost. Inizia così: 2 In esilio con il termo-moltiplicatore: i primi passi “La vita errante di un immigrato ha molti svantaggi […] Quando venivano presentati a Parigi questi risultati, Isolato dal mondo scientifico, privato di libri e strumenti, non la collaborazione con Nobili era finita da circa un anno, dispongo qui che del mio termo-moltiplicatore, oltre a tre in quanto Melloni si trovava già in esilio. o quattro pessimi apparati che appartengono al Gabinetto Infatti, il 16 novembre 1830, dopo una sua prolusione di Fisica del Collegio […] Ho lavorato duramente, e credo ad inizio anno accademico, in cui inneggiava agli studenti di dovermi ritenere soddisfatto della mia ricerca. Ma le poche parigini per aver contribuito alla rivoluzione di luglio risorse di Dôle e del mio spirito si sono esaurite. Per andare con cui era stato destituito re Carlo X di Borbone [4], la avanti ho bisogno di leggere le memorie delle riviste, di Regnante Maria Luigia, duchessa di Parma, Piacenza e reclamare l’assistenza dei direttori di qualche buon Gabinetto

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di fisica e, soprattutto, di potermi consultare con le persone che, come voi , hanno una vasta conoscenza del ramo della fisica che forma 1 l’oggetto della mia attuale ricerca” [9]. In questa lettera, che in parte verrà fatta poi pubblicare da Prévost sulla rivista ginevrina “Bibliothèque Universelle”, Melloni comunica a Prévost di essere tornato a occuparsi del passaggio nell’acqua dei raggi calorici provenienti da sorgenti terrestri, utilizzando però sorgenti a più alta temperatura rispetto a quelle utilizzate con Nobili. Con questi nuovi esperimenti ricavava che, se la sorgente era di temperatura abbastanza elevata, anche i raggi calorici terrestri, analogamente a quelli del Sole, riuscivano a passare attraverso l’acqua, e che questo “passaggio è tanto più grande quanto più la sorgente è calda”, individuando così una prima importante proprietà di questi 2 raggi [10].

3 La prima grande memoria Come previsto, ai primi di maggio del 1832 Melloni si trasferisce a Ginevra, e da lì, in una data imprecisata tra il 3 luglio del 1832 e il 4 febbraio 1833, si sposta a Parigi, in Rue Boucherat n. 2 (nel quartiere Le Marais), in un’abitazione trasformata in un vero e proprio laboratorio, come riferirà nei suoi diari il fisico americano Joseph Henry durante il suo viaggio tra i più importanti laboratori d’Europa [11]. La scelta di trasferirsi a Ginevra e successivamente a Parigi, dove resterà fino al 1838, sarà una scelta vincente. Durante questi due soggiorni, grazie alle nuove opportunità (quale l’accesso alla letteratura scientifica) e al nuovo ambiente, giungerà infatti a risultati strepitosi, che, come scriverà a Faraday, “cambiano totalmente le idee acquisite sulla natura dell’agente che produce i fenomeni del calorico raggiante” [12] (nel senso, come vedremo, che l’”agente” che produceva i raggi calorici sembrava diverso dall’“agente” che produceva la luce). Il 4 febbraio 1833, da Parigi, Melloni invia all’Académie des Sciences una sua memoria, Fig. 1 Il termo-moltiplicatore Fig. 2 Tabella sulla trasmissione di intitolata “Propagation de la chaleur rayonnante (composto da galvanometro “raggi calorici” attraverso diversi astatico e termopila) nella campioni cristallini (rif. [13], p. 52). dans les corps solides et les liquides”, definita versione di Melloni (Museo nella presentazione dell’Académie “un gran della Scienza e della Tecnologia, travail” (un grande lavoro), in cui vengono Università di Urbino). riportati parte dei risultati ottenuti nel periodo

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trascorso tra Ginevra e Parigi. L’Académie incaricava Arago, loro trasparenza; che nei liquidi e nei vetri questa proprietà Dulong e Félix Savart di esaminare la memoria [13]. è proporzionale alla rifrangibilità (ad esempio, il vetro flint In questa comunicazione Melloni presenta un’analisi al piombo, più rifrangibile del comune vetro crown, si lascia sistematica del passaggio attraverso “schermi di diversa anche passare più facilmente dall’irraggiamento calorifico); e specie” dei raggi calorici provenienti da un’unica sorgente, che nei cristalli questa proprietà non sembra avere nessuna rimandando a una seconda memoria (che sarà poi presentata relazione con le proprietà note di questi corpi. nel 1834) lo studio al variare del tipo di sorgente. Le differenze tra una trasmissione e l’altra (per un dato Come prima cosa dà subito informazioni sul suo modo di spessore) erano molto grandi (ad esempio, il salgemma ne procedere. Un grosso problema per questo tipo di analisi trasmetteva il 92% del totale, il vetro flint il 67%, il cloruro di era che i raggi calorici penetrando in uno schermo lo zolfo il 63%, il vetro crown il 49%, l’olio d’oliva il 30%, il solfato riscaldavano e quindi all’uscita erano “mescolati al calore di calcio il 20%, l’acido nitrico il 15%, l’allume il 12%, l’acqua proprio dello schermo”. Comunque, grazie alla alta sensibilità l’11%). del suo termo-moltiplicatore, Melloni riusciva a trovare una Già sulla base di questi primi esperimenti emergeva un disposizione, tra sorgente, schermo e termo-moltiplicatore, quadro molto complesso sul comportamento dei raggi tale da garantire che gli effetti visti erano da attribuirsi calorici attraverso la materia, che necessitava di essere esclusivamente ai raggi calorici provenienti dalla sorgente. ulteriormente analizzato. Poiché un corpo poteva essere Questo era il punto forte dello studio sperimentale di pressoché opaco alla luce e al contempo consentire un facile Melloni: essere riuscito a isolare i raggi calorici e quindi aver passaggio ai raggi di calore, oppure poteva essere trasparente la possibilità di studiare le proprietà di questi raggi, liberi alla luce e allo stesso tempo intercettare una gran parte di da effetti spuri. Ed è proprio attraverso questa disposizione raggi calorici, Melloni proponeva i termini “trans-calorique” che dimostra “la trasmissione immediata dei raggi calorici”, o “diathermanes” per indicare i corpi trasparenti ai raggi trovando così una prima analogia tra il comportamento di calorici, in analogia con i termini “trasparenti” o“diafani” questi raggi e quello della luce. comunemente usati per indicare i corpi trasparenti alla luce. Un altro problema che Melloni deve affrontare è quello In questa prima memoria Melloni, pur confrontando il di risalire dalla deviazione subita dall’ago magnetico del comportamento dei raggi calorici con quello della luce, non galvanometro, alla quantità di radiazione calorica trasmessa si pronuncia ancora sul legame tra questi due “enti”. Il suo alla pila. La risposta del galvanometro, infatti, non è lineare. obiettivo è quello di evidenziare, con il massimo rigore Melloni, però, risolve brillantemente anche questo problema sperimentale possibile, tutte le proprietà dei raggi calorici. realizzando un’accurata “tabella delle intensità” che permette A tutti gli effetti, Melloni, con questa memoria, dà inizio alla una prima taratura del galvanometro. fisica dell’infrarosso, che tanta importanza avrà sulla nascita A questo punto, dopo aver scelto una sorgente che gli della Meccanica Quantistica. garantiva una temperatura costante per più di due ore (una Già nella seduta successiva dell’Académie, quella del “buona lampada con una doppia corrente di aria, a valore 25 marzo 1833, il nome di Melloni compariva già tra quelli dei costante”), inizia la sua analisi. Per prima cosa Melloni studia candidati a Membro Corrispondente (al quinto posto). la dipendenza della trasmissione dei raggi calorici dalla levigatezza della superficie, trovando un comportamento identico a quello della luce, e quindi un’ulteriore analogia. 4 Melloni e l’Académie des Sciences di Parigi: Passa quindi a studiare l’influenza che lo spessore esercita resoconti editi ed inediti sulle quantità trasmesse, facendo passare una quantità La memoria del febbraio 1833 è la prima di una lunga serie costante di raggi calorici attraverso schermi dello stesso di “lettere” in cui Melloni mette al corrente l’Académie sul materiale e di spessori crescenti in progressione aritmetica, progresso dei suoi studi. Non tutte le lettere hanno trovato ricavando una differenza tra raggi calorici e luce, ovvero che sbocco in pubblicazioni scientifiche e neppure sono state poi “la resistenza dei mezzi diafani alla trasmissione immediata pubblicate nei vari carteggi o raccolte su Melloni. Comunque, dei raggi da calore è di tutt’altra natura che la resistenza di queste lettere abbiamo trovato gli originali manoscritti opposta da questi stessi mezzi alla propagazione della luce, da Melloni e i titoli con cui erano state presentate nelle varie che è nulla o molto debole”. Studia poi “l’influenza esercitata Seances (particolari da due di queste lettere inedite sono dalla struttura e dalla composizione chimica degli schermi”, riprodotte in fig. 3 e fig. 4). Come si vede da queste lettere, tutti dello stesso spessore, nel caso di ben 79 sostanze presentate all’Académie a un ritmo incalzante di quasi una al diverse: 13 vetri incolori, 29 liquidi, 23 corpi cristallizzati mese, Melloni comincia a variare il tipo di sorgente, impiega (fig. )2 e 14 vetri colorati. nuovi materiali, si sofferma su certi vetri colorati (verdi e blu), Scopre così che la proprietà che hanno i corpi di lasciarsi approfondisce le proprietà del salgemma (sostanzialmente attraversare dai raggi di calore non ha alcun rapporto con la trasparente al calore radiante: “C’est le corps diathermane

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(a) (b) 4

(c)

Fig. 3 Particolare di una lettera inedita Fig. 4 (a) Lettera inedita di Melloni ad Arago di Melloni ad Arago (17 giugno 1833) in (25 novembre 1833) dedicata al confronto tra cui comunica all’Académie una delle sue raggi calorici solari e terrestri: prima pagina numerosissime tabelle di misure sperimentali della lettera e busta della corrispondente (Archives de l’Institut de France). Seance dell’Académie; (b) retro della lettera con firma di Melloni; (c) destinatario della lettera (Archives de l’Institut de France).

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par excellence”), e utilizza questo materiale 5 per dimostrare la rifrazione dei raggi calorici provenienti da una sorgente di acqua bollente, stabilendo così un’altra analogia tra raggi calorici e luce.

5 La seconda grande memoria: il colore del calore Finalmente, il 21 aprile 1834 Melloni invia all’Académie una sua seconda “grande memoria”, a seguito di quella presentata il 4 febbraio 1833, dal titolo : “Nouvelles recherches sur la transmission immédiate de la chaleur rayonnante par divers corps solides et liquides”. Anch’essa viene sottoposta a una Commissione (composta questa volta da F. Arago, F. Savart e J. B. Biot). Obiettivo di questa seconda Memoria è quello di verificare se la trasmissione dei raggi calorici attraverso i vari corpi si mantiene identica al variare del tipo di sorgente [14]. A questo fine Melloni utilizza quattro sorgenti diverse, che garantivano una temperatura costante: due sorgenti luminose (una Lampada di Locatelli, ovvero una lampada ad olio munita di riflettore, e una spirale di platino portata all’incandescenza per mezzo di una lampada a spirito di vino) e due sorgenti oscure (una lamina di rame portata a circa 390 °C da un bruciatore ad alcool, e un cubo di Leslie, ossia un cubo di metallo, con facce differenti per colore e ruvidità, riempito 6 con acqua bollente). Dopo aver nuovamente verificato con un nuovo metodo la trasmissione immediata dei raggi calorici, Melloni studia il passaggio della “stessa quantità di calore raggiante” proveniente dalle quattro sorgenti (condizione che veniva raggiunta modificando la distanza tra sorgente e termo-moltiplicatore in modo da avere sempre una deviazione dell’ago del galvanometro pari a 30°) attraverso lamine di vario materiale, ma di medesimo spessore. Scopre così un fatto eclatante: la stessa lamina sottoposta alle quattro sorgenti diverse produce “perdite diverse“ (si veda la Fig. 5 Tabella sulla trasmissione di Fig. 6 Disposizione sperimentale tabella in fig. 5). Un’eccezione è rappresentata “raggi calorici” attraverso diverse utilizzata per studiare la rifrazione dei dal salgemma che trasmette sempre, sostanze al variare della sorgente “raggi calorici” da parte di un cristallo indipendentemente dalla sorgente, la stessa (rif. [14], p. 347). di salgemma. Sulla sinistra è visibile la termopila e sulla destra la sorgente di quantità di raggi (92%). raggi calorici [13]. Melloni poteva così concludere che:

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6 Melloni verso il successo. Il banco ottico 1. i raggi provenienti dalle quattro sorgenti “non sono di Dei risultati ottenuti fino a quel momento Melloni mette natura identica”, ossia che le “sorgenti di calore sono più subito al corrente Faraday. Non appena pubblicate le due o meno colorate”, cioè ciascuna dà, rispetto a un’altra, memorie, ne manda copia al fisico inglese chiedendogli, una quantità più o meno grande di raggi calorici di in una lettera datata 7 agosto 1834, di riferirne alla Royal determinato “colore” (diverso dal “colore luminoso”; Society di Londra. Per dimostrare il proprio apprezzamento, 2. esistono sostanze che si lasciano attraversare da certi Faraday lo propone immediatamente per la prestigiosa raggi, mentre ne intercettano altri, e agiscono dunque Medaglia Rumford della Royal Society, un premio molto sui raggi calorici come i mezzi colorati sulla luce (“quando ambito, assegnato fin dal 1800 “per un’eccezionalmente si espone lo stesso vetro colorato a luci di diverso importante scoperta recente nel campo delle proprietà colore, le luci che posseggono lo stesso colore del vetro termiche od ottiche della materia realizzata da uno scienziato passano in abbondanza, mentre le altre sono totalmente operante in Europa”. Melloni riceverà la medaglia nel giro intercettate”). di pochissimi mesi, all’inizio del 1835. Prima di Melloni, che ad oggi è uno di soli due Italiani ad averla ottenuta Melloni passa quindi a considerare altri fenomeni di (il secondo sarà lo spettroscopista Pietro Tacchini nel 1888), trasmissione dei raggi calorici, in parte già studiati in la medaglia era stata assegnata a A. J. Fresnel, a H. Davy e a precedenza, ad esempio attraverso una successione di E. L. Malus. Lo stesso Faraday la otterrà, dopo Melloni, solo lamine di vetro, oppure attraverso i vari strati di un “grosso nel 1846. Questa medaglia sarà la prima di una serie molto pezzo di vetro incolore” o, ancora, attraverso uno schermo lunga di riconoscimenti internazionali che Melloni riceverà di spessore variabile, utilizzando sia la stessa sorgente sia durante la sua vita e che lo renderanno famoso (ad esempio, sorgenti diverse, giungendo a risultati che confermavano il 30 maggio 1839 diverrà foreign member della Royal “fino all’ultimo dettaglio la similitudine tra l’azione esercitata Society). Anche il suo termo-moltiplicatore si diffonderà in sul calore raggiante dal vetro e dai corpi trasparenti e l’azione tutto il mondo: ad esempio verrà richiesto da personaggi esercitata sulla luce dai mezzi colorati”. Quindi, a parere di quali J. D. Forbes, M. Faraday, J. Henry e da alcuni tra i più Melloni, le grandi differenze che esistevano “tra le trasmissioni importanti laboratori europei e americani. dei raggi calorifici attraverso le sostanze diafane non hanno Sempre a ritmo frenetico, nella seduta del 12 gennaio più niente di sorprendente” se si ammetteva: che “le varie 1835, Melloni presentava all’Académie una nuova memoria sorgenti caloriche lanciano molte specie di raggi calorici”; che sarà cruciale per il riconoscimento da parte della stessa e che “i corpi trasparenti, diversi dal salgemma, hanno Académie del valore dei suoi risultati sul calore radiante. In nei riguardi dei raggi calorici una specie di tinta calorifica questa memoria veniva presentato un nuovo apparecchio, invisibile” (che Melloni chiama, “sotto suggerimento di diventato famoso, il cosiddetto banco ottico di Melloni (fig. 7). Ampère, ‘diathermansie’ al fine di evitare confusione con Questo apparecchio, destinato poi a fare la sua comparsa in le tinte o i colori propriamente detti”), “in virtù della quale quasi tutti i gabinetti di fisica di università e scuole, compresa essi trattengono certi raggi di calore e ne lasciano passare la stessa Académie des Sciences di Parigi [15], rappresentava altri, precisamente come fanno i mezzi colorati sulla luce”. la sintesi di tutto il lavoro sperimentale fatto da Melloni nel In questo modo, sulla base di un’analogia semplice, ma acuta, settore del calore radiante. Infatti, consentiva di ripetere, a Melloni riusciva a definire anche per il calore un “colore”. seconda dei componenti che venivano utilizzati, le esperienze A questo punto Melloni passa a studiare la rifrazione dei più significative da lui sino ad allora svolte [16]. raggi calorici provenienti da varie sorgenti (una fiamma, Una nuova Commissione, composta questa volta da Biot, una spirale di platino incandescente, un recipiente pieno Arago e Siméon-Denis Poisson, veniva incaricata di esaminare d’acqua calda) utilizzando un prisma di salgemma (il “vero la memoria, e Biot aveva il compito di scrivere il rapporto (di vetro del calore radiante”) (fig. 6). Egli ricavava non solo che cui esiste il manoscritto originale). “raggi calorici di tutte le origini sono suscettibili di rifrazione Durante la seduta dell’Académie del 22 giugno Biot finiva di come i raggi luminosi”, ma anche che “ciascuna specie di leggere il suo rapporto, che era estremamente positivo, e che raggi calorici possiede, come ciascuna specie di luce, una così terminava: “le conclusioni di Melloni vengono adottate” rifrangibilità diversa”, evidenziando così un’ulteriore analogia e “la memoria sarà pubblicata nella Collezione dell’Académie tra raggi calorici e luce. dei ‘Savants étrangers’” (fig. 8) [17]. Questo è il trionfo Affronta quindi il problema se i raggi calorici delle varie scientifico di Melloni. Non a caso, il successivo 3 agosto 1835 sorgenti sono polarizzabili attraversando lamine di tormalina sarà nominato membro corrispondente dell’Académie con 33 e trova (al momento) un risultato negativo e pertanto, questa voti su 40. volta, una differenza tra raggi calorici e luce. Come Melloni scrive a Faraday il 6 marzo 1835, circa tre mesi prima del rapporto di Biot: “Biot, Poisson e Arago

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Fig. 7 Primo schema pubblicato del banco Fig. 8 (a) Il frontespizio del rapporto Fig. 9 Confronto tra spettro “chimico”, “lucido” e ottico di Melloni. Sono visibili la termopila (P), il presentato da Biot all’Académie des Sciences “calorifico” (rif. [27]). campione da irradiare (S) e la sorgente di calore (rif. [17], p. 433). (b) Copia del rapporto di radiante (S’). La termopila veniva connessa Biot donata da Melloni al padre con dedica attraverso FF’ a un galvanometro astatico (“L’affettuosissimo e riconoscentissimo suo (non mostrato in figura (rif. [16], p. 22). figlio”) (Collezione Melloni, Dipartimento di Fisica e Scienze della Terra “Macedonio Melloni”, Università di Parma).

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hanno esaminato il mio lavoro e sono entusiasti […] sotto distanza, così come accade per la luce, ricavando così che loro sollecitazione, il Ministro dell’Istruzione Pubblica mi ha l’analogia tra raggi calorici e raggi luminosi è sempre più forte concesso 1200 Franchi” [18]. [22]. Di questo finanziamento abbiamo trovato traccia tra le Questo però non è ancora sufficiente a Melloni per carte preservate a Parigi nel fondo archivistico su Victor riconoscere una vera e propria identità tra questi due tipi di Cousin, che oltre a essere stato segretario del Consiglio radiazione; esisteva infatti sempre il problema del “colore superiore dell’Istruzione Pubblica, fu un importante filosofo del calore”, che era diverso da quello della luce. In questi e protagonista della vita culturale francese (la sua figura si anni Melloni, anzi, è completamente schierato contro questa intreccia con il Risorgimento italiano per i suoi frequenti presunta identità. In una sua comunicazione nella seduta rapporti con pensatori italiani esuli in Francia, quali dell’Académie del 21 dicembre 1835, prendendo spunto Mazzini, Gioberti e, tra gli altri, lo stesso Melloni). Infatti, da una recente rielaborazione da parte di Ampère di una in questo fondo è conservato il decreto con cui il Ministro sua vecchia teoria sull’identità tra raggi calorici e luce [23], dell’Istruzione Pubblica, François Guizot, in data 18 febbraio Melloni osserva che esiste una fortissima disparità nel modo 1835, concedeva a Melloni, “autore di un lavoro sulla luce di propagarsi attraverso i corpi diafani, sia solidi che liquidi, e il calore che ha ottenuto la medaglia d’oro assegnata delle radiazioni calorifiche rispetto a quelle luminose, e che dalla Royal Society di Londra”, una somma di 1200 franchi quindi luce e calore radiante non potevano essere la stessa “a titolo d’incoraggiamento scientifico” [19]. Sempre grazie cosa, ma dovevano provenire da due cause distinte [24]. all’intervento di Cousin, e per l’interessamento di alcuni Ma se Melloni da un lato viveva il proprio esilio parigino accademici quali gli stessi Biot e Poisson, Melloni riceverà come occasione importante per la propria ricerca scientifica, l’anno successivo dal Ministero dell’Istruzione altri 1200 dall’altro lato continuava a desiderare di poter tornare in franchi in due tranches. Significative le parole con cui Biot patria. Questo desiderio finalmente si realizzava nel 1837 supplicava il Ministro Guizot di fare il possibile per assegnare grazie all’aiuto degli accademici Arago e Alexander von tali finanziamenti: “questo incoraggiamento [è importante] Humboldt e dello stesso Cancelliere dell’Impero austriaco, più ancora per la fisica che per Melloni” (“plutôt encore pour la Klemens von Metternich. Infatti, come comunicava Arago physique que pour Melloni”) [20]. nella Séance del 16 gennaio 1837, grazie alle pressioni fatte sulla Duchessa da questi autorevoli personaggi, “Melloni adesso è libero di rientrare nella sua città natale” [25]. Una 7 Contro il principio di identità volta revocato il decreto d’esilio, Melloni torna in Italia, prima Sull’onda del successo, Melloni continua le proprie ricerche, a Parma e poi a Napoli, dove il 24 aprile 1839 è nominato e nella Séance dell’Académie del 2 Novembre 1835 comunica Direttore del Conservatorio delle Arti e dei Mestieri e del una nuova memoria “sulla riflessione del calore radiante” Gabinetto di Meteorologia (iniziativa patrocinata da Nicola (tema sul quale si era interessato dai tempi della sua prima Santangelo, Ministro dell’Interno del Regno delle Due Sicilie). memoria con Nobili) nella quale, oltre a dimostrare questa Si conclude così l’esperienza parigina di Melloni, ma non la proprietà, determina, nel caso di alcune sostanze, quali sua avventura con i raggi calorici e con la radiazione luminosa “salgemma, cristallo di rocca, rame giallo”, il rapporto tra la in generale. quantità di calore riflesso e la quantità incidente, trovando così un’ulteriore analogia tra i raggi calorici e la luce. Nel periodo immediatamente successivo torna ad occuparsi 8 Melloni a Napoli: verso il principio di identità del problema della polarizzazione del calore radiante e lo Una volta in patria Melloni prosegue le sue ricerche sul affronta in ben cinque memorie, di cui una scritta con Biot, calore radiante, continuando a inviare i suoi risultati, sotto inviate all’Académie tra il 25 aprile 1836 e il 16 ottobre 1837. forma di lettere, all’Académie. Improvvisamente, però, alla fine Dopo vari tentativi (l’esperimento con la tormalina è infatti dell’estate del 1838, il suo interesse cambia e si sposta su una terribilmente complicato a causa della debole trasmissione di zona dello spettro che non aveva mai investigato, quella dei calore radiante da parte di questa sostanza), Melloni, facendo “raggi chimici”, ovvero quella della radiazione ultravioletta. uso di un nuovo termo-moltiplicatore sufficientemente L’occasione era l’invito ricevuto dal Presidente della sensibile, riesce finalmente a dimostrare che i raggi calorici Regia Accademia delle Scienze e Lettere di Napoli, a tenere si polarizzano, e che quindi esiste un’altra analogia tra i raggi una relazione sul processo fotografico (poi noto come calorici e la luce [21]. daguerrotipo) messo a punto pochi mesi prima dal chimico Infine, sempre a Parigi, si occupa della variazione e fisico Louis Daguerre, e che aveva “destato, or ora, tanto dell’intensità dei raggi calorici al variare della distanza della romore in tutto il mondo incivilito”. sorgente e trova la dipendenza dall’inverso del quadrato della La relazione di Melloni “intorno al dagherrotipo” veniva

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(a)

letta nella seduta dell’Accademia del 12 novembre del 1839 [26]. In realtà, in questa relazione Melloni non si limitava ad 10 illustrare “la meravigliosa scoperta di Daguerre”, ma riportava anche alcuni nuovi risultati da lui ottenuti sull’azione esercitata dai raggi solari sul cloruro d’argento e sullo ioduro d’argento (ovvero sui sali utilizzati da Daguerre). Esponendo questi sali all’azione delle sette zone dello spettro solare (visibile) aveva infatti scoperto che le zone più luminose dello spettro (il giallo, l’arancio e il rosso), a differenza di quelle più buie, fino ad oltre il violetto, non provocavano su di essi nessun effetto e che quindi “l’effetto chimico è in proporzione inversa all’intensità (della luce)”. Dopo questo importante risultato, Melloni si mette a studiare in modo sistematico, così come aveva fatto con i “raggi calorici”, “i raggi chimici” contenuti nelle varie zone dello spettro solare e responsabili, come dice il loro stesso nome, dell’“azione chimica”. A tal fine utilizzava proprio lamine di cloruro d’argento e di ioduro d’argento, consapevole che “l’ingegnosa scoperta di Daguerre” aveva “somministrato ai fisici un nuovo mezzo di misurare le irradiazioni chimiche della luce e indagarne le ignote proprietà”. Con queste lamine, e scomponendo lo spettro solare con un prisma di vetro, Melloni determinava “lo spettro chimico” del Sole e lo metteva a confronto con quello “lucido” (visibile) e con quello “calorifico”, con l’obiettivo di “meglio (b) intendere le relazioni che esistono tra i tre spettri”. In fig. 9 sono riportati i tre spettri [27]. Chiaramente non c’è ancora un principio di identità tra i tre spettri. Infatti ognuno è trattato separatamente dagli altri. Comunque, “le tre azioni” manifestavano, senza ombra di dubbio, lo stesso andamento. C’era un legame? La risposta verrà data da Melloni nella successiva memoria, presentata sempre all’Accademia di Napoli, il primo febbraio del 1842, dal titolo “Memoria sopra una colorazione particolare che manifestano i corpi rispetto alle radiazioni chimiche” (una variante del titolo di questa memoria è riportata nell’ “occhietto”, ovvero nella pagina precedente il frontespizio, come si può vedere in fig. 10) [28]. In questa memoria, dopo aver ricordato le proprietà di riflessione, rifrazione, polarizzazione e interferenza dei “raggi chimici”, Melloni riprendeva alcuni risultati di John Herschel (astronomo, chimico e botanico) e di Faustino Malaguti (chimico, esule in Francia, al pari di Melloni, per il suo coinvolgimento nei moti del 1831 a Bologna), che ricordavano certi comportamenti già riscontrati per i raggi calorici, ossia l’azione chimica di questi raggi sopra fogli di carta imbevuti con varie sostanze fotogeniche non è costante Fig. 10 (a) Frontespizio della memoria del ma dipende dalla sostanza usata; i vari “liquidi, bianchi, 1842 dove si enuncia il principio di identità; (b) occhietto precedente il frontespizio con limpidi, perfettamente scolorati non trasmettono tutti la variante del titolo e dedica di Melloni (BPPR Sal stessa quantità di azione chimica”. J 38815 V, Biblioteca Palatina di Parma). Secondo Melloni questi fatti stavano a indicare che “i corpi hanno anche una colorazione chimica, distinta dalla lucida e

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dalla calorifica, la quale fa sì che certi raggi vengono esaltati 9 Epilogo e certi altri vengono depressi”, in perfetta analogia con il Durante il periodo napoletano, Melloni ampliò i suoi passaggio della luce attraverso un corpo colorato. interessi scientifici occupandosi anche del magnetismo Come si è visto, questa stessa analogia era già stata delle rocce e delle lave, della formazione della rugiada, proposta a proposito dei raggi calorici. La “colorazione dell’induzione elettrostatica,della fisiologia dell’occhio, chimica” era proprio ciò che mancava a Melloni per del colore della Grotta Azzurra di Capri. riconoscere l’identità tra tutti e tre i tipi di raggi. Infatti, l’aver Sul versante più strettamente istituzionale, si impegnò trovato che tutti e tre i tipi di radiazioni (“caloriche, lucide, nella progettazione e realizzazione dell’Osservatorio chimiche”) possedevano una “colorazione”, anche se ciascuna Meteorologico Vesuviano, che inaugurò, prima che fosse distinta dall’altra, ma tra loro completamente analoghe, ultimato, in occasione del VII Congresso degli Scienziati rappresentava per Melloni “la miglior prova che queste Italiani svoltosi a Napoli nel 1845. Si impegnò anche in altre radiazioni erano prodotte da un’unica causa“. imprese, in particolare nell’illuminazione pubblica del golfo Dopo essersi schierato apertamente per la teoria di Napoli, introducendo i “nuovi e più vantaggiosi” fari a ondulatoria della luce (siamo ormai nel 1842), Melloni rifrazione con lenti di Fresnel. Proprio con una di queste lenti concludeva il discorso all’Accademia di Napoli, introducendo studierà la luce della Luna, trovando in essa la presenza di finalmente “il principio di identità”. Nelle parole di Melloni, raggi calorici, come comunicato in una lettera ad Arago [29]. “La luce, il calore, e le reazioni chimiche sono tre L’Osservatorio Meteorologico viene ultimato nel 1847, per manifestazioni delle onde eteree di varie lunghezze contenute essere diretto da Melloni. Ma i fermenti rivoluzionari non nella radiazione solare: le onde oscure dotate dell’azione chimica erano sopiti e segneranno anche la sua vita napoletana. In o calorifica sono del tutto simili alle onde luminose; l’ampiezza seguito ai moti del 1848, pur non avendo preso parte attiva ai sola è diversa: ma questo carattere distintivo appartiene alla rivolgimenti nel Regno delle Due Sicilie (prima dei moti aderì specie e non punto al genere; ed havvi precisamente tanta semplicemente al Circolo Costituzionale e successivamente diversità tra un raggio oscuro, chimico o calorifico, ed un raggio fu membro della Commissione della Pubblica Istruzione di luce, quanta ne esiste tra due raggi luminosi di diverso colore. incaricata di riformare il sistema scolastico), è costretto ad […] In questa ipotesi, le onde oscure più brevi delle violacee abbandonare la direzione dell’Osservatorio. Un memorandum danno soltanto effetti chimici, e sono probabilmente dotate della polizia borbonica, così tratteggia la figura di Melloni: di una debole azione riscaldante […]; passando ad ampiezze “Cattivo. Notabilità europea di ultraliberalismo, amico maggiori, s’arriva al limite violaceo, ove cominciano le intimo e corrispondente de’ più famosi radicali, e cospiratori onde lucide e calorifiche, che posseggono tuttavia l’azione contemporanei; egli, nelle ultime sovversioni del Regno, chimica; questa azione cessa finalmente; poi cessa la luce, comunque non abbia trasmodato in atti di manifesta fellonia, ed il movimento oscillatorio non conserva più allora che la pure fece parte del Circolo Costituzionale, propugnò e diffuse sola proprietà calorifica, la quale continua sino ad una certa i principi della Giovine Italia, fece proposta nel Consiglio distanza oltre il rosso. di Pubblica Istruzione per l’ordinamento di un Battaglione La luce lungi dal costituire la principale proprietà della Universitario, che avrebbe avuto per destino la guerra di radiazione solare, non sarebbe altro che una semplice Lombardia; proposta per altro che venne respinta dalla manifestazione secondaria e diremmo quasi accidentale maggioranza di quel consesso” (Archivio di Stato di Napoli, di alcuni suoi elementi. La proprietà rischiarante dipende b. 291 XI). unicamente dalla nostra fisica costituzione”. Allontanato per la seconda volta da un incarico istituzionale E così, attraverso una metafora naturalistica (“esiste un e condannato nuovamente all’esilio, inoltra una supplica al Re unico genere, quello delle “onde eteree e “la luce, il calore Ferdinando II e ottiene così la possibilità di rimanere a Napoli. radiante e i raggi chimici” sono “specie diverse di questo unico Si ritira a vita privata nella sua casa a Portici, dove muore di genere”) si concludeva il lungo e difficile percorso di Melloni colera, nel 1854. verso il “principio di identità”. Termina così la vita di uno dei più grandi fisici italiani E le sue precedenti critiche al principio d’identità di dell’Ottocento che, pur dovendo affrontare situazioni molto Ampère? Nel concludere il suo intervento, così Melloni difficili, è riuscito a ottenere, grazie al suo grande ingegno e rispondeva: il principio di Ampère “era un’ipotesi quasi alla sua grande tenacia, risultati clamorosi e di avanguardia, totalmente gratuita o per dir meglio una questione riscuotendo pieno riconoscimento internazionale, arrivando immatura”. ad essere definito da un suo illustre contemporaneo il In effetti, a quei tempi, mancava ancora un “colore”, quello “Newton del calore” [30]. dei “raggi chimici”. Negli ultimi anni di vita, Melloni aveva lavorato a un’opera in due volumi, che doveva essere un trattato delle sue ricerche sul calore radiante. Di quest’opera riuscì a completare

vol31 / no5-6 / anno2015 > 55 soltanto il primo volume, che fu pubblicato nel 1850 a 1954, in occasione del 40° Congresso Nazionale, organizzato Napoli in lingua francese, con il titolo “La thermochrose, ou la proprio a Parma per celebrare il primo centenario della morte coloration calorifique” [31]. Una ristampa anastatica dell’opera di questo grande uomo del Risorgimento. [32] sarà edita da parte della Società Italiana di Fisica nel

Bibliografia [16] M. Melloni, “Description d’un appareil propre à répéter toutes les expériences relatives à la science du calorique rayonnant contenant [1] L. Nobili, “Description d’un thermo-multiplicateur ou thermoscope l’exposé de quelque faits nouveaux sur les sources calorifiques et les électrique”, Bibl. Univ., 44 (1830) 225. rayons qui en émanent”, L’Institut, 3 (1835) 22. [2] Sul termo-moltiplicatore si rimanda anche a E. Schettino, “A new [17] Il rapporto di Biot sarà pubblicato solo nel 1838: J.-B. Biot, “Rapport instrument for infrared radiation measurements: the thermopile fait à l’Académie des Sciences sur les expériences de M. Melloni, relatives of Macedonio Melloni”, Ann. of Sci., 46 (1989) 511. Si veda inoltre à la chaleur rayonnante”, in Mémoires de l’Académie Royale des Sciences B. Carazza, “Il contributo di Melloni allo studio dell’infrarosso”, de l’Institut de France, Tome XIV (Paris) 1838, pp. 433-572. La memoria in G. Tarozzi (Curatore), “Gli strumenti nella storia e nella filosofia della di Melloni non sarà mai pubblicata nella collezione dell’Academie dei scienza” (Alfa, Bologna) 1983, pp. 139-155. ‘Savants étrangers’. [3] M. Melloni e L. Nobili, “Recherches sur plusieurs phénomènes calorifiques [18] M. Melloni, “Carteggio”, cit., p. 145. entreprises au moyen du thermomoltiplicateur”, Ann. Chim. Phys., 48 [19] F. Guizot, Arrêté du Ministre, 18 Febbraio 1835. Fonds Victor-Cousin, (1831) 198. Bibliothèque interuniversitaire de la Sorbonne. [4] A. Lombardini, “Memorie storiche attorno alla Ducale Università degli [20] J.-B. Biot, lettera a F. Guizot, 4 ottobre 1836. Fonds Victor-Cousin, Studi di Parma a cominciare dal 18 marzo 1825 (al 1835)”. Archivio Bibliothèque interuniversitaire de la Sorbonne storico dell’Università di Parma, n. inv. 137. [21] M. Melloni, “Mémoire sur la polarisation de la chaleur”, Ann. Chim. Phys., [5] Sovrana risoluzione per la destituzione di Macedonio Melloni. Archivio 61 (1836) 375. Ristampato in R. Taylor, cit., p. 325. Storico dell’Università di Parma, c. 27 s.c. 2. [22] M. Melloni, “De la loi du décroissement de la chaleur rayonnante à [6] “Raccolta generale delle leggi per gli Stati di Parma, Piacenza e Guastalla”. mesure que l’on s’éloigne des sources calorifiques”, Bibl. Univ., 13 (1838) Anno 1831, semestre II, tomo unico, (Tipografia Ducale, Parma) 1831, 371. pp. 111-115. [23] A.-M. Ampère, “Idées de M. Ampére sur la chaleur et sur la lumière”, Bibl. [7] M. Melloni, “Lettre sur une propriété nouvelle de la chaleur solaire”, Ann. Univ., 49 (1832) 225. Chim. Phys., 48 (1831) 385. [24] M. Melloni, “Observations et expériences relatives à la théorie de l’identité [8] M. Melloni a P. Prévost, 9 aprile 1832. Bibliothèque Publique et des agents qui produisent la lumière et la chaleur rayonnante”, Comptes Universitaire, Ginevra, Ms. Suppl. 1068 cahier 21. Riprodotta in Rendus de séances de l’Académie des Sciences, 1 (1835) 503. Ristampato M. Melloni, “Carteggio (1819-1854)”, a cura di E. Schettino (Olschki, in R. Taylor, cit., pp. 388-392. Firenze) 1994, pp. 96-103. [25] M. Arago annonce que M. Melloni, réfugié Italien et correspondant de [9] M. Melloni, “Carteggio”, cit., pp. 96-97. la section de physique, vient d’obtenir la permission de rentrer dans sa [10] M. Melloni, “Expériences relatives à la transmission du calorique patrie, Comptes Rendus de seances de l’Académie des Sciences, 4 (1837) rayonnant par divers liquides”, Bibl. Univ., 49 (1832). 84. [11] N. Reingold (curatore), “The papers of Joseph Henry”, vol. 3 [26] M. Melloni, “Relazione intorno al dagherrotipo, letta alla R. Accademia (Smithsonian Institution, Washington D.C.) 1979, p. 395. delle Scienze nella tornata del 12 novembre 1839” (Porcelli, Napoli) 1839. [12] M. Melloni, lettera a Faraday M., 27 dicembre 1834, Archives SC Mss [27] M. Melloni, “Esperienze sull’azione chimica dello spettro solare e loro 2-Melloni, Institution of Electrical Engineers, London. Riprodotta in: conseguenze relativamente alla dagherrotipia. Memoria letta alla Reale “The correspondence of Michael Faraday, Vol. 2: 1832-1840”, a cura di F. Accademia delle Scienze di Napoli nella tornata del 4 di febbraio 1840” James (IEE, London) 1993, pp. 215-216; M. Melloni, “Carteggio”, cit., pp. (Porcelli, Napoli) 1840. 140-142. [28] M. Melloni, “Memoria sopra una colorazione particolare che manifestano [13] M. Melloni, “Mémoire sur la transmission libre de la chaleur rayonnante i corpi rispetto alle radiazioni chimiche” (Plautina, Napoli) 1842. par différents corps solides et liquides”, Ann. Chim. Phys., 53 (1833) 5. [29] M. Melloni, “Sur la puissance calorifique de la lumière de la Lune”, Ristampato in R. Taylor (Curatore), “Scientific Memoirs”, vol. 1 (R. & J.E. Comptes Rendus de seances de l’Académie des Sciences, 22 (1846) 541. Taylor, London) 1837, pp. 1-39. [30] A. De La Rive, “La thermochrose ou la coloration calorifique par [14] M. Melloni, “Nouvelles recherches sur la transmission immédiate de la Macedoine Melloni”, Archives des Sciences Physiques et Naturelles, chaleur rayonnante par divers corps solides et liquides”, Ann. Chim. Phys., 14 (1850) 177-196; 178. 55 (1833) 337. Ristampato in R. Taylor, cit., pp. 39-74. [31] M. Melloni, “La thermochrose, ou la coloration calorifique” (Giuseppe [15] F. Arago, Seduta del 12 aprile 1841 dell’Académie des Sciences. Barone, Napoli) 1850. Archives de l’Institut de France. [32] G. Polvani e G. Todesco (a cura di), Opere di Macedonio Melloni, vol. 1 (Zanichelli, Bologna) 1954.

Emanuela Colombi Matteo Leone Nadia Robotti Emanuela Colombi, laureata in fisica, affianca Matteo Leone è Professore Associato di Didattica Nadia Robotti è Professore Ordinario di Storia all’insegnamento una intensa attività di ricerca e Storia della Fisica presso il Dipartimento della Fisica presso il Dipartimento di Fisica e comunicazione della scienza. L’interesse per di Filosofia e Scienze dell’Educazione dell’Università di Genova. I suoi interessi di la storia della fisica l’ha portata, proprio questo dell’Università di Torino. I suoi interessi di ricerca ricerca riguardano la storia della fisica atomica, anno, a conseguire il dottorato di ricerca con riguardano soprattutto la storia della fisica del della meccanica quantistica e della fisica un approfondimento su Macedonio Melloni. Novecento e dell’Ottocento, con particolare nucleare, e la storia della fisica dell’Ottocento, Collabora attivamente con il Piano Lauree riferimento alla fisica in Italia, e il legame tra con particolare riferimento alla fisica in Italia. Scientifiche dell’Università di Parma. storia della fisica e didattica della fisica. Nel 2008 le è stato conferito il premio della Società Italiana di Fisica per la Storia della Fisica. è membro dell’Académie Internazionale d’Histoire des Sciences.

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The unpublished notebooks of Bruno Pontecorvo in Russia

Rino Castaldi, Gloria Spandre INFN, Sezione di Pisa, Pisa, Italy

At the end of August 1950, while in a short vacation in Italy, Bruno Pontecorvo suddenly disappeared, along with his wife and three sons. Having chosen to work in Soviet Union, he has been often vilified for treachery, as the Italian scientist who passed the secrets of the atomic bomb to the Soviets and collaborated to the construction of the Russian hydrogen bomb. By studying the two Bruno’s notebooks that his oldest son, Gil, gave us, we have been able to reconstruct, in detail, the research activity Pontecorvo performed at the Institute for Nuclear Problems in Dubna, from November 1, 1950 up to the end of March 1952. The two notebooks contain unpublished notes, ideas and considerations he wrote by hand, mostly in English, during his early years of work in Russia. In both notebooks we have not found any reference to a possible involvement in the atomic program of the Soviet Union, while there emerges the figure of a brilliant physicist whose work strictly concerns basic researches in elementary particle physics.

1 The two secret notebooks About three years ago, during a visit to the Joint Institute for Nuclear Research (JINR) in Dubna, one of us (GS) had the great privilege to receive, directly from the hands of Gil Pontecorvo, a notebook that belonged to his father Bruno (fig. 1, left). The surprise was even greater reading the year printed on the cover, and the date, in Russian, on top of the first page: November st1 , 1950. It was the notebook where the famous scientist, just arrived in the small village on the Volga river, had started to annotate his ideas on the research program he intended to develop at the Institute for Nuclear Problems of the USSR Academy of Sciences. Fig. 1 Pontecorvo’s notebooks. Note the starting date written on the bottom left of Bruno Pontecorvo had suddenly vanished, the covers. First notebook (left): I/XI 1950. Second notebook (right): 30/XI 1950. The along with his wife and three sons, during a first notebook covers the periods 1 – 30 Nov. 1950 and 14 Sept. 1951 − 24 Mar. 1952, vacation in Italy at the end of August 1950. while the second notebook fills the time lag 30 Nov. 1950 − 18 Jul. 1951.

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Fig. 2 The starting page of Bruno’s first notebook, dated November st1 (1го ноябрь).

Fig. 3 A very interesting page of the first notebook, page n. 8. Pontecorvo writes these annotations on November 1950.

Only a few weeks earlier he had accepted the appointment to beginning from the last page: the page number 100. a professorship at Liverpool University after having worked The lack of information about his activity research, for for two years at the British atomic research plant at Harwell. roughly one year, has originated speculations by the particle Nobody knew of him until March 4th, 1955 when, at the physicist Frank Close who thought of a possible involvement Academy of Sciences in Moscow, he held a press conference of the scientist on issues “other than the initial inquiries”, as he to explain the motivations that had led him to leave the West writes in his book dedicated to Pontecorvo [1]. for the Soviet Union. In those days the international press Close knew the content of the Bruno’s logbook with gave great prominence to the news and in many newspapers roughly ten months of not reported activity from a Pontecorvo was vilified for treachery: the Italian scientist who presentation done by one of us (RC) [2] at the Conference had passed the secrets of the atomic bomb to the Soviets entitled “The Legacy of Bruno Pontecorvo: the Man and the and collaborated to the construction of the Russian hydrogen Scientist” (Roma, 11-12 September 2013). bomb. Nothing could be further from the truth, as Bruno In his book Close writes that after an “initial period of himself repeated in many occasions. brainstorming”, Pontecorvo “was apparently assigned another By studying his notebook we convinced ourselves of his task until September 1951” and that “whatever he did in the absolute interest in pure scientific research and we did not intervening ten months was not part of that original program, find any reference to possible involvement in the atomic and was thus not recorded in the logbook”. program of the Soviet Union. Nevertheless, well before the publication of Close’s book, Nevertheless we remarked something odd in the flow of we had already presented [3] to the 100th Congress of the notes that Bruno had reported in his first notebook: after few Italian Physics Society (Pisa, 22-26 September 2014) a second pages, in fact, where he started to annotate ideas about the notebook of Pontecorvo that Gil had given us a few months experiments to be performed at Dubna synchrocyclotron before. This notebook luckily covers exactly this time gap and the particle detectors to be used, he suddenly stopped (fig. 1, right)! writing and some months after, on September 14th, 1951, he Both notebooks consist of one hundred numbered double resumed writing by turning upside down the notebook and pages where Pontecorvo records day after day his work at

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the Institute for Nuclear Problems. From the pages of these notebooks it emerges clearly the figure of a brilliant experimental physicist with extensive experience of the most advanced particle detectors and, at the same time, of a distinguished theoretical physicist whose work strictly concerns basic researches in elementary particle physics only.

2 The first notebook On the 14th of December 1949 the five-meter Dubna synchrocyclotron was put into operation and 280 MeV deuterons and 560 MeV α-particles beams were obtained. Only toward the end of 1950 the synchrocyclotron started to accelerate protons up to an energy of 480 MeV so a considerable part of the first investigations was devoted to the determination of important parameters of the produced particle beams, such as intensity, energy, angular distribution. It is November 1st, 1950 when Bruno Pontecorvo starts recording in this secret notebook the work that he is doing at the Dubna synchrocyclotron. The first considerations he writes down in this notebook concern the measurement of the energy of the neutron beams produced at the accelerator (“Neutron production by cyclotron particles”). He is attracted by the possibility to extract neutrons from the cyclotron and here suggests a method “to get an idea of the neutron energy by measuring the space distribution 2 of neutrons (for example measure |r |av.)” (fig. 2). Intense neutron beams are in fact produced when exposing internal targets of different materials to the 560 MeVα -particles, but their energy distribution is unknown. He knows that with such beams it is possible to study the properties of pion-nucleon interaction when neutral and charged pions are produced in nucleon-nucleon collisions on targets of hydrogen or complex nuclei. The interest in the production of pions with neutron beams is due to the fact that many experiments at that time have been conducted with proton beams but little or nothing with neutrons. In the first eight pages of the notebook, Bruno annotates all his ideas in a long list of possible experiments to perform at the Dubna cyclotron:

• excitation function of fission + neutron production in theπ – region; • fission from highly excited states; • multiple meson production; • experiments on μ mesons; • H4 experiment; • double meson production; • experiment on radioactive indicator for mesons; • experiment on slow π– capture (mass of π0); • production of π–or π+ in nucleon nucleon collisions n-p; • production of electrons in nuclear interaction; • detection of τ meson; • on the transformations of mesons. On page 8, the last one before stopping to write on this notebook, Pontecorvo has a great intuition. He speaks about mesons decay, in particular about the long lifetime (>10–9 s) of

the τ meson (the former name of the K meson) which is supposed to decay into π+ + π– + π+. “If this is so” – he writes – “it must be concluded that τ does not interact with nuclei, because, if the τ interacts with nucleus, then the rate of the disintegration would be very fast (through the interaction with nucleons of the vacuum). Let us suppose that it does not interact strongly. Since it is strongly produced, it must (be) produced as a decay product of a strongly interaction meson . But this then would decay into π quicker than into τ. So there is a contradiction between ℳ ℳ the existence of a strong interacting particle, and its long lifetime. This contradiction of course, is resolved if the strong interacting particle is produced in pair” (fig. 3).

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These “strange” particles, recently discovered, decay with long lifetime via weak interaction while they are produced in certain paired combinations through the strong interactions in high-energy collisions of cosmic rays with nuclei of the atmosphere. It must be noted that Pontecorvo postulates the hypothesis of associated production in November 1950 [4], two years before the famous article by Abraham Pais [5] in which the author proposes a scheme of interaction using the conventional field theory. In 1953 Bruno performs an experiment at the Dubna accelerator to check if the hypothesis is true; namely, he wants to check that it is not possible to produce single Ʌ0 hyperons in strong interactions between protons and nucleons, being the energy of the accelerator not enough to produce them in pair with the K mesons. The results of the experiment, “On the possibility of the formation of Ʌ0-particles in collisions of 680 MeV protons with carbon nuclei” [6], confirms his hypothesis. The experimental evidence of the theory of associated production of strange particles arrives shortly later in 1953 with the experiments at the Cosmotron of Brookhaven [7] and subsequently at the Bevatron of Berkeley, thanks to the sufficiently high energy of both accelerators. Those results demonstrate that in the strong interaction the strangeness is conserved while this quantum number can be violated by weak interaction in decays that are therefore with long lifetime. The researches of Pontecorvo on the strange particles are never, or almost never, cited as one of the main contribution to the ideas that have led to the quark model and then to the Standard Model of Particle Physics; but the demonstration that already in 1950 he had the intuition of the solution of the contradictory behavior of these strange particles is written on page 8. Unfortunately, this idea has remained hidden in his notebook and in some internal reports written in Russian, not accessible to the physics community outside the Soviet Union, for a long time. There is another very interesting annotation on page 8. Just under the text “a consistent picture until now would be:” he writes the muon decay as “μ → e + 2 ν“, but a few lines below, towards the end of the page, he rewrites the decay as “μ → e + ν + ν“, highlighting the two neutrinos with different signs. Does Pontecorvo already suspect the different nature of the two neutrinos from the muon decay process? The note comes twelve years before this hypothesis is experimentally validated. Eight years later, in 1958, at the Institute for Nuclear Problems in Dubna a high intensity 800 MeV proton cyclotron is planned to be built. It is a good opportunity for Pontecorvo to demonstrate that the two neutrinos from the muon decay are not the same particle. − − – In the same way the antineutrino of the pion decay (π → μ + νμ) differs in nature from the antineutrino of the β decay. In the paper “Electron Muon and Neutrino” [8] he suggests a long list of reactions induced by neutrinos (or antineutrinos) that cannot occur if the two neutrinos

(or antineutrinos) are of different types, i.e. one associated to the electron (νe) and the other to the muon (νμ). With simple arguments of symmetry between charged leptons (electron and muon) and corresponding neutral leptons (neutrinos), Pontecorvo realizes that there must be two different types of the neutrinos: electron and muon neutrinos. “There are no reasons

for asserting that νe and νμ are identical particles”, he writes in the article and then he continues with a series of considerations that favor the hypothesis of different types of neutrinos. In particular Pontecorvo suggests to use the new powerful accelerator, under design, to – – + produce a νμ beam from pion decays. He wants to prove that the reaction νμ + p → e + p is – + forbidden while the reaction νμ + p → μ + n is possible. Unfortunately the 800 MeV cyclotron was never built in Dubna so Pontecorvo could never perform the experiment! Three years later, at the Brookhaven AGS, L.M. Lederman, M. Schwartz and J. Steinberger

observed the existence of two kinds of neutrinos, i.e. they proved that νμ ≠ νe [9]. For this discovery they were awarded the Nobel Prize in 1988. But let us go back to the notebook.

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Fig. 4 The first page of the second notebook. Fig. 5 Draft of “Measurement with a “star detector” of total cross sections for neutrons produced in the bombardment of Be with 400 Megavolt protons” (p. 33).

On page 9, Pontecorvo starts to write a draft entitled “On obtained by using the “attenuation method” which, as he the multiple production of mesons”. He continues for few lines says, is “the best in the case of good geometry conditions, with a then, abruptly, stops writing and, as we know now, he begins great distance between the attenuator and the detector ” (fig. 5). to use another, new, notebook. On its cover it is written the Pontecorvo has already observed the production of starting date: November 30, 1950. secondary neutrons by high-energy neutron beams in light elements and he is now interested to detect these high- energy neutrons by measuring the secondary production in 3 The second notebook heavy elements. He starts the new notebook with geometric considerations He asserts that “the Stars”, typical big energy events on the order of magnitude of the total cross section for observed in photographic emulsions, “are in principle a good mesons production in nucleon-nucleon and nucleon-nuclei method of detecting high energy particles”, and suggests other collisions and goes on for a few pages with these calculations, two ways of detection: a “ionizing chamber, as alternative star often scribbling numbers, formulas and graphics in a detector to emulsions” to reveal the ionizing charged particles, disorderly manner maybe just to fix thoughts and ideas that mainly protons and α’s, released in the evaporation process, swirl in his mind. or, even better, the use of a neutron counter. “However “ – Figure 4 shows the first page of this second notebook. he writes – “it is easy to see that a star ionization chamber in Pontecorvo is very interested to study the total cross practice has a very small sensitivity, unless very high pressures of sections of various nuclei with the neutrons produced in the a heavy gas like Xe are used. A different solution of the process is bombardment of Berillium by 400 MeV protons. Many pages to detect neutrons […] emitted in the evaporation process. This of the second notebook are dedicated to the description method has the advantage that a very high thickness of star of this measurement. In a draft of an article, Pontecorvo producing material (order of a mean free path of the high energy describes the detector used, that he calls “star detector”, and neutrons) can be used. It is true that the secondary neutrons will the measurements of total cross section of various elements be detected with a small efficiency (≈ 10–4); however the high

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Fig. 6 The plot of the attenuation curve in Cu.

Fig. 7 Measurements in Cu of total cross section with the “Star detector”.

multiplicity of neutron production per inelastic collision (≈ 10 in of the absorption curve, Pontecorvo infers that “the primary a heavy element) and the very large thickness which can be used neutron spectrum N(E) is not rich in low energy neutrons and make the overall sensitivity high” (p. 34). that the absence of a real threshold in the detector did not affect Pontecorvo is an expert of both techniques since the considerably the result” (in p. 50). times of “Via Panisperna”. For the experiment he decides to Figure 7 shows the page of the notebook in which adopt the arrangement he calls “long counter arrangement”, Pontecorvo lists the normalized values of the beam intensity

consisting of a Boron Trifluoride (BF3) neutron counter he has measured with the star detector, for different thickness imbedded in a paraffin block. This kind of proportional of the copper absorber. counter employs the B10(n,α)Li7 reaction to detect thermal The results for Cu, Pb and Al are summarized on page 25 neutrons. (fig. 8). The measurements of total cross section are extended A few pages of the notebook are dedicated to the to other complex nuclei as Carbon, Tin, Lead, Uranium description of the whole detector system, i.e. a Pb absorber and the results are reported in neighboring pages of the cube in the neutron beam + the “long counter” outside the notebook. beam. In the central part of the page 25 there is the draft of a These pages, as many others of the manuscript, are difficult letter for the request of soviet citizenship for the whole family. to read because of the innumerable erasures, corrections, and The letter is addressed to the Chairmen of the Presidium marginal insertions. Despite this, one can follow the rather of the Supreme Soviet of the USSR, Nikolay M. Shvernik, detailed discussion on the advantages and disadvantages of President of USSR from 1946 to 1953. Pontecorvo forgets such a detector and its energy response. physics problems for a while and practices writing in Russian: To evaluate the total cross section Pontecorvo uses the “President of the Presidium of the Supreme Soviet of the USSR “absorption method”. He plots the logarithmic neutron Comrade Shvernik intensity, background subtracted, as a function of the Tovarich Shvernik, I ask you to allow me and my family to absorber thickness (see fig. 6). From the exponential shape become a Soviet citizen.”

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Fig. 8 Results of the measurements of total cross section for different Fig. 9 The opaque nucleus model interpretation of the total cross elements. Below the draft of application for soviet citizenship that section. Pontecorvo asks for the whole family.

On top of next page (page 26) there is a date: April 26. notes about a seminar he is going to held on it (pages 61-62). The year is 1951. In 1952 Bruno Pontecorvo obtains the He is also interested to the possibility of investigating H4, a Soviet citizenship and three years later he joins the Soviet heavy hydrogen state (one proton and three neutrons) and Communist Party. in both his notebooks he returns many times on this subject. In the following pages of the notebook Pontecorvo He explains that “the interest of detecting H4 would be: 1) In interprets the measurements of the total cross section relation to the comparison of n-p, p-p, n-n forces and 2) Because in terms of the “opaque nucleus model” (fig. 9), a sort of H4, as β radioelement, would be of interest for the β ray theory” optical model that takes into account the reabsortion (fig. 10). Pontecorvo suggests one way to look for H4, which inside the nucleus. He writes: “The nuclear radius R is defined “if stable versus neutron emission, would then decay into He4 by conventionally by the empirical relation R=(1.3+1.37A1/3)10–13, emission of β – particles of ~ 20 MeV and lifetime ≤ 1 millisecond”, which is the best fit to data of total cross section for neutrons of according the reaction: H4 → He4 + β + ν. ~ 15 MeV (opaque nucleus model)” (p. 74). In the summer of 1951 Pontecorvo is defining the work Nowadays a good description of the neutron-nucleus program for the new year (few pages before the date of experimental total cross sections is given by the 11th July is reported). Among the experiments to be done in phenomenological Ramsauer model, a modified version of the next few months, the investigation on H4 is the first. He the optical model [10] not too much different from the model proposes to detect the“hypothetical” β- particles by “curving used in this notebook. them in the cyclotron magnetic field and registering in 3 Pontecorvo is very interested to mesons production in counters in coincidence, placed at a distance ≥ 10 cm from the collision of nucleons with complex nuclei. He follows the cyclotron target. […] The H4 could be produced in the target by results on the measurement of the π+/π- ratio obtained nuclear interactions: for example in experiments done in the meantime in the West. In the Li 8 excite → H4 +He4 or π– +He4 → H4 +He4 notebook there is a list of references to articles on this subject published in the Physical Review journal [11–13] and some If the first experiment is successful, it will take about a

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Fig. 10 On the possibility to investigate H4. Fig. 11 Notes on the preparation of the experiment in Room 2.

year to investigate the properties of H4 (spectrum, lifetime), π+/ π– ratio; and also to study in what condition it is produced. If the first • Development of Cherenkov detectors, for the study of experiment is not successful, other methods are considered” relativistic particles. (p. 85). Pontecorvo suggests to use a big liquid scintillation The latest date on the notebook is July 18th,1951. Only 9 counter or a proportional counter in which the delayed ≈ 50 pages remain to the end. Pontecorvo describes the activities keV recoiling α-particle can be detected. He concludes that a in preparation to the planned experiments with neutron negative result on H4 is not significant,”however the techniques beams that start simultaneously in the experimental halls developed may be used in other problems”. (Room 2 and 3) of the cyclotron building (fig. 11). The search of a bound state of the H4 radioactive nuclei is The operations of shielding and cabling of the counters still an open question but no evidence of his existence has are completed. The read-out electronics is assembled been found yet [14–16]. and the counters coincidence system checked. The beam In the last pages of the notebook, Pontecorvo continues to characteristics and the background level are measured. He lists the future experiments: records all these steps in this notebook concluding: • Applications of the method of radioactive indicators to the “since the beam was very wide, nothing absorbing was placed investigation of properties of mesons; in the beam, and the shielding of the big window poor, but the • Development of techniques capable of detecting cyclotron intensity low, the background conditions are ≈ like electronically mesons. Investigation of π+ production in they will be” (p. 91). hydrogen and other elements by neutrons; • Direct detection of meson beam (+ and −) in the cyclotron with proportional counters. Application to the measure of

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Fig. 12 Pontecorvo turns upside down the notebook and starts Fig. 13 Minutes of the group meeting: March 6, 1952. to write this page. On top there is a date, written in Russian: September 14 (1951).

4 Back to the first notebook nuclear force. Proton and neutron are essentially the same It is September 14th, 1951. Pontecorvo begins writing again particle in two different states of a new quantum number in the first notebook from the last page, after having turned called isotopic spin. it upside down. He describes the “Experiment on production From the pages of both notebooks it emerges the figure of mesons by neutrons” (fig. 12). The experiment is devoted to of a young scientist who coordinates the experiments and the problem of single production of charged and neutral π the activities of his group with expertise and scientific rigor. mesons in collisions between nucleons. Pontecorvo considers the good collaboration among the He starts from the π0 meson production and detection and team members a very important issue, and, in a gentle writes: but peremptory way, he reproves his smart and ambitious “ π0 − It is necessary: 1) the “radiator” R, 2) the “converter” C, colleagues who do not collaborate with each other: “There 3) the “absorber” A between the 2 last counters, 4) the absorber were many examples where members of our group, for example, for γ radiation T […]” (p. 100). went for advice in electronics to other group, while there exists The results of this experiment, in particular the study of in our group a very well qualified man in electronics […] the the π0 production, are reported in an internal report dated situation was not satisfactory and we must change it radically September 25th, 1952 that Gil Pontecorvo found on the for the interest of the total scientific production of the group” shelves of the JINR’s library [17]. The paper was published (fig. 13). again in 1955 [18]. He suggests the creation of a team of specialists to develop Between 1951 and 1955, according to the researches electronic equipments for all the experimental groups of the described in these notebooks, Bruno performs a series of laboratory, but he adds that this solution can work only if an experiment’s to confirm that proton and neutron, which are “absolute equality of status between the profession in electronics different particles for what concerns the electromagnetic and the profession on nuclear physics” is guaranteed. interaction, are indistinguishable respect to the strong The scientific interest of Pontecorvo goes far beyond the

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Fig. 14 The Pontecorvo Chlorine-Argon method.

scattering experiments of nucleons and mesons on nuclei, muon-electron universality which is the basis of the whole although important. When he arrives in Dubna has already theory of weak interactions. given fundamental contributions to the understanding of the Shortly after the Fermi’s theory of the β-decay (1934), Bethe weak interaction mechanism and therefore one should not and Peierls [22] showed that the cross section of neutrino wonder if, as we saw on page 8 of this notebook, many of his interaction with nuclei is extremely low, < 10–44 cm2 at MeV reflections concern the true nature of neutrinos and the study energies,“corresponding to a penetrating power of 1016 km of the so-called strange particles. In 1947, after the famous in solid matter”, as the authors wrote in this paper. For experiment of Conversi, Pancini and Piccioni [19] and its this reason the neutrino was considered an undetectable interpretation by Fermi, it was clear that the mesotron (now particle for many years. Pauli himself wrote to a friend that called muon), discovered by Anderson in 1937, was not the he had “predicted something which shall never be detected Yukawa particle (the π meson). experimentally”. Indeed, unlike the π meson, which is a strongly interacting Only Pontecorvo rejects this opinion. In 1945, while particle, the muon interacts much weaker with the nucleus. working at the Chalk River Laboratories in Canada, he After reading the article by Fermi and collaborators on proposes a remarkable radiochemical method for neutrino’s the decay of negative mesotrons in matter [20], Pontecorvo detection. publishes in Physical Review, the paper entitled “Nuclear In the internal report entitled “On a method for detecting capture of mesons and mesons decay” [21]. In this article he free neutrinos” [23] he explains his absolutely brilliant idea on observes that the nuclear capture probability of an electron how its possible to capture a neutrino and prove its physical and of a muon are practically identical (if account is taken of reality despite its trifling chance of interacting with anything. the large factor due to kinematic effects that depends on the He writes: “It has been currently stated in the literature that an mass difference of the two particles) and he concludes that: inverse β process produced by neutrinos cannot be observed, “there exists fundamental analogy between β-processes and due to the low yield. […] The object of this note is to show that processes of emission and absorption of charged mesons”. experimental observation of an inverse β process is not out Pontecorvo is the first scientist to conceive the idea of of question and to suggest a method which might make an

66 < il nuovo saggiatore percorsi R. Castaldi, G. Spandre: The unpublished notebooks of Bruno Pontecorvo in Russia

experimental observation feasible”. Brookheven nuclear reactor and subsequently an 11400 liters In the paper he proposes a list of reactions in which tank to the most powerful Savannah River reactor, without a neutrino is absorbed and a nucleus of charge Z±1 is being able to produce the Chlorine-Argon reaction. This produced. “The essential point in this method is that radioactive was the first experimental indication that nuclear reactors atoms produced by inverse β-ray process have different chemical are source of antineutrinos. But Davis was not the only one properties from the irradiated atoms. Consequently, it is possible who used a nuclear reactor as intense neutrino source, (by means of the usual carrier technique) to extract from an as proposed by Pontecorvo in his paper. One year before, irradiated volume of the order of cubic meters the radioactive in 1953, also F. Reines and C.L. Cowan Jr., have realized a atoms of known life-time” [23]. 300 liters scintillation detector to capture neutrinos from One year later, in a second report entitled “Inverse β the Hanford reactor. Only few years later, in June 1956, they process” [24], Pontecorvo suggests to use the reaction: announced in a telegram sent to Wolfgang Pauli in Zurich, ν + Cl37 → Ar37 + e–. The experiment he proposes consists to have unequivocally detected antineutrinos from the fission in “irradiating with neutrinos a large volume of chlorine or fragments of the Savannah River reactor. For this discovery, carbon tetrachloride for a time of the order of one month, and in 1995, Reines was awarded the Nobel Prize (Cowen was extracting the radioactive Ar37from such a volume by boiling”, dead by that time). as can be read in the paper. The unstable radioactive argon In the Chalk River paper of 1946, Pontecorvo had proposed can be then identified by detecting the 2.8 keV Auger as neutrino source not only the “pile” but also the Sun. electron emitted in the Ar37 → Cl37 decay by electron capture So, twenty years later, Davis developed another experiment (34 day half-life). based on the Pontecorvo Chlorine-Argon method to Pontecorvo refers clearly to this method when, on page detect solar neutrinos, and placed a 378000 liters tank of 76 of the first notebook, he comments the activities that his perchloroethylene, a commonly used dry-cleaning chemical, group has carried out during 1951 (fig. 14). in the Homestake Gold Mine in South Dakota. Davis’s In the top-right side of the page he writes the “Cl37 + ν experiment confirmed that the sun produces neutrinos, but → Ar37 + e–” reaction proposed in the Chalk River paper of only about one-third of the number of neutrinos predicted 1946. Close to the formula, on the left, he writes the distance by theory were detected. It is the so-called “solar neutrino the neutrinos can travel in matter before interacting, i.e. deficit” predicted by Pontecorvo 10 years before, in the “1016 km”. In writing this huge distance probably Pontecorvo famous article “Inverse beta processes and nonconservation is considering the amount of Chlorine required to detect such of lepton charge” [25]. In this paper Pontecorvo suggests his an elusive particle. On that page he remarks: “At the seminar most remarkable and audacious idea, namely the neutrino was discussed the problem of the detection of free neutrinos, […] oscillations and asserts that the phenomenon “[…] will The conclusion is that such possibility is not too far from present certainly occur, at least, on an astronomic scale”. In 2002 Davis day facilities. A short report on this subject was written”. was awarded the Nobel prize in Physics in particular “for the From this note it is evident that Pontecorvo by the end detection of cosmic neutrinos”. of 1951 is almost sure to be able to detect free neutrinos. It is clear, from the annotations in the notebook, that It should be really interesting to find the “short report” Pontecorvo could have done these neutrino experiments he refers to, to understand how and where he thought to already in 1951 if he only had the possibility to access the perform this experiment in Russia. Unfortunately, as remarked facilities he believed already available in Russia. No doubt, by the Russian physicist S.S. Gershtein, he could never realize that more than one Nobel Prize could have been attributed this brilliant idea in the USSR because he had even denied to Pontecorvo for his brilliant ideas and insights. Of course, access to any nuclear reactors that he considered to be the he was honored the most prestigious awards of the Soviet most promising source of neutrinos. Union: the Stalin Prize in 1954, the Lenin Prize in 1963 and many of the highest USSR orders. In 1964 he became a full member of the USSR Academy of Sciences. 5 The father of neutrino physics Regretfully, the fact that he could not access to nuclear Bruno Pontecorvo can be advisedly considered the father of reactors nor have available powerful particle accelerators and the modern neutrino physics, one of the first who understood maybe the necessary resources to build the experimental the importance of neutrinos for elementary particle physics apparatus he had in mind, prevented him from realizing his and astrophysics. prophetic theoretical ideas and to perform those experiments In 1954, R. Davis used for the first time the Chlorine-Argon that have brought, later, the Nobel Prize to many other method by exposing a 3900 liters tank of Chlorine to the scientists.

vol31 / no5-6 / anno2015 > 67 Anyhow Bruno Pontecorvo has made a fundamental by Parkinson’s disease, he died in Dubna in Autumn 1993. contribution to the field of the neutrino physics and in According to his will part of his ashes have been buried particular to the neutrino oscillation theory. He defended in the non-Catholic Cemetery in Rome. On his tombstone

the concept of oscillations in years in which neutrinos it has been engraved the epitaph “νμ ≠ νe” as recognition were considered massless and so oscillation impossible. to the scientist who first postulated the existence of different Unfortunately he did not live to see the phenomenon of flavours of neutrinos. oscillating neutrinos established as a scientific fact. Afflicted

References [10] S.V. Suryanarayana et al., J. Kor. Phys. Soc., 59 (2011) 971. [11] Hugh Bradner, D. J. O’Connel and B. Rankin, Phys. Rev., 79 (1950) [1] F. Close, “Half-Life: The Divided Life of Bruno Pontecorvo, Physicist or 720. Spy” (Basic Books) 2015. [12] G. F. Chew and J. L. Steinberger, Phys. Rev., 78 (1950) 497. [2] R. Castaldi, “The early years of Bruno Maximovich Pontecorvo at [13] H. Bradner, D. J. O’Connel and B. Rankin, Phys. Rev., 79 (1950) 720. Dubna”, Conf. Proc. SIF, Vol. 107 (SIF, Bologna) 2014. [14] C. Werntz and J. G. Brennan, Phys. Lett., 6 (1963) 113. [3] R. Castaldi, G. Spandre, “I primi quaderni inediti di Bruno [15] N.A. Vlasov and L. N. Samoilov, Sov. J. Atom. Energy, 17 (1964) 687, Maximovich Pontecorvo in Russia”, http://static.sif.it/ translated from Atomnaya Énergiya, 17 (1964) 3. SIF/resources/public/files/congr14/ip/Castaldi. [16] W. L. Imhof et al., Nucl. Phys., 59 (1964) 81. pdf, 100th Congress of the Italian Physics Society (Pisa, 22-26 [17] B.M. Pontecorvo, G.I. Selivanov, Report of the Institute for Nuclear September 2014). Problems (RINP), Acad. Sci. USSR (1952). [4] B.M. Pontecorvo, Report of the Institute for Nuclear Problems [18] B.M. Pontecorvo, G.I. Selivanov, Dokl. Acad. Nauk SSSR, 102 (1955) (RINP), Acad. Sci. USSR (1951). 253. [5] A. Pais, Phys. Rev., 86 (1952) 633. [19] M. Conversi, E. Pancini, and O. Piccioni, Phys Rev., 71 (1947) 209. [6] M.P. Baladin, B.D. Balashov, V. A. Zhukov, B.M. Pontecorvo, [20] E. Fermi, E. Teller, V. Weisskopf, Phys. Rev., 71 (1947) 314. G.I. Selivanov, Report of the Institute for Nuclear Problems (RINP), [21] B.M. Pontecorvo, Phys. Rev., 72 (1947) 246. Acad. Sci. USSR (1954). [22] H.A. Bethe and R.E. Peierls, Nature, 133 (1934) 532. [7] W. B. Fowler, R. P. Shutt, A. M. Thorndike, W. L. Whittemore, [23] B.M. Pontecorvo, Report PD-141, Chalk River Laboratory (1945). Phys. Rev., 90 (1953) 1126. [24] B. Pontecorvo, Report PD-205, Chalk River Laboratory (1946). [8] B.M. Pontecorvo, J. Expt. Theor. Phys., 37 (1959) 1751. [25] B.M. Pontecorvo, JINR Preprint P-95 (1957), J. Exp. Theor. Phys., [9] G. Danby et al., Phys. Rev. Lett., 9 (1962) 36. 34 (1958) 247.

Rino Castaldi Gloria Spandre Rino Castaldi graduated in Physics with honors in 1968 at the University Gloria Spandre is a senior researcher at the Istituto Nazionale di Fisica of Pisa and obtained the PhD in Physics with honors in 1972 at the Scuola Nucleare (INFN). She has over 30 years experience in instrumentation and Normale Superiore of Pisa. He has been “Dirigente di Ricerca” at the Pisa detectors development for particle physics and astrophysics. Spandre Section of INFN and Full Professor of Physics at the University of Genoa. has contributed to develop and build new and advanced detectors for He has held many managerial positions including the management, as particle tracking and imaging of electromagnetic radiation in a wide Director, of the Pisa Section of INFN from 1989 to 1991 and from 2002 energy range, from visible to UV, X-ray and over. She is cofounder of to 2008. He was “Project Manager” of the tracking system of the CMS Pixirad Imaging Counters s.r.l., the first INFN spin-off company. She has experiment at LHC from 1994 to 2000 and responsible for many years of worked in the Tagged Neutrino Experiment at the Serpukhov and in experimental research groups of Pisa. Presently he is Emeritus Member the CMS experiment at CERN. Since 2000 she is member of the Fermi of the CMS experiment. Main experiments done: Photoproduction of collaboration, a NASA space mission to study the extreme high-energy vector mesons (1967-70) at DESY; R801 (1970-75) and R209 (1975-79) at Universe, and currently of XIPE (X-ray Imaging Polarimetry Explorer), a the CERN Intersecting Storage Rings (ISR); UA4 (1979-84) at the CERN p-p– selected candidate of the next ESA medium-class science mission. She Collider; SLD (1984-93) at SLAC, Stanford (USA); CMS (1992-present) at the has lead the Education and Public Outreach program of the INFN, Pisa CERN LHC. section, and is responsible of the E/PO activity of the Fermi mission towards INFN and ASI. Spandre has authored or co-authored over 300 papers in refereed journals, books, and conference proceedings.

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cerimonia inaugurale 101° congresso nazionale della società italiana di fisica roma, 21 settembre 2015

Cerimonia Inaugurale del Congresso nell’Aula Convegni del Consiglio Nazionale delle Ricerche. Da sinistra: Fernando Ferroni, Luigi Nicolais, Luisa Cifarelli, Gabriele Scarascia Mugnozza, Eugenio Coccia.

La cerimonia inaugurale del 101° Congresso Prende la parola Luisa Cifarelli per dare il benvenuto Nazionale della Società Italiana di Fisica si è svolta a a tutti, in primo luogo agli ospiti stranieri, tra cui il Roma presso l’Aula Convegni del Consiglio Nazionale Presidente della European Physical Society, Cristophe delle Ricerche, lunedì 21 settembre. Rossel, il Presidente Eletto dell’Institute of Physics (IOP), Entrando in questa bella Aula del CNR, sopra al Julia Higgins, il Presidente della Société Française de palco troneggia la scritta “La Luce della Scienza Cerco Physique, Alain Fontaine, e ai presidenti e rappresentanti e ‘l Beneficio”, che non poteva essere più appropriata delle varie associazioni e organizzazioni nazionali, e di buon auspicio per l’inaugurazione del Congresso presenti all’evento. Cifarelli ricorda che il Congresso della nell’Anno Internazionale della Luce. SIF ritorna a Roma dopo ben 47 anni. L’ultima volta che Al tavolo d’onore accanto al Presidente della il Congresso si era tenuto a Roma era stata, infatti, nel SIF, Luisa Cifarelli, sono presenti alla sua destra il 1968. Il ritorno a Roma riveste un particolare significato: Presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche, è qui che nel 1897 fu fondata la Società Italiana di Fisica, Luigi Nicolais, e il Presidente dell’Istituto Nazionale di nella storica palazzina di via Panisperna, l’allora sede Fisica Nucleare, Fernando Ferroni, e alla sua sinistra, dell’Istituto di Fisica della Regia Università di Roma. il Prorettore per i rapporti culturali col territorio La parola poi passa per i saluti di rito nell’ordine a: e direttore del Dipartimento di Scienze della Terra Luigi Nicolais, Gabriele Scarascia Mugnozza, Fernando dell’Università di Roma “La Sapienza”, Gabriele Ferroni e, per ultimo, Eugenio Coccia, Presidente del Scarascia Mugnozza, e il Presidente del Congresso, Congresso. (Per i testi integrali: http://www.sif.it/ Eugenio Coccia. attivita/congresso/101/inaugurazione).

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A conclusione degli interventi, Luisa - Per la Sezione di Fisica Nucleare e progetto didattico-divulgativo di successo”. Cifarelli ringrazia gli illustri ospiti venuti a Subnucleare, il Primo Premio ex aequo va a - Per la Sezione di Fisica degli Acceleratori, portare il saluto delle istituzioni alla Cerimonia Gianantonio Pezzullo dell’ Università di Pisa e il Primo Premio va a Anna Giribono Inaugurale del Congresso e consegna loro INFN, Sezione di Pisa, per la sua comunicazione dell’Università di Roma “La Sapienza”, per la medaglia in bronzo che la SIF ha fatto “Photosensor test station for the Mu2e la sua comunicazione “X-ray generation at coniare appositamente in occasione dell’Anno calorimeter”; e a Agese Giaz dell’ INFN, Sezione SPARC_LAB Thomson scattering source”. Internazionale della Luce IYL 2015. di Milano, per la sua comunicazione “Misura Cifarelli esprime parole di gratitudine per dello spettro β– del 138La”. Il Secondo Premio Seguono i Premi di Operosità Scientifica. tutti coloro che hanno contribuito con il va a Francesco Barile dell’ Università di Bari e I premi sono di due tipi e sono riservati ai loro costante impegno alla organizzazione INFN, Sezione di Bari, per la sua comunicazione giovani laureati in Fisica rispettivamente dopo del Congresso e passa poi alla tradizionale “Produzione di deutone e antideutone nelle il maggio 2012 e dopo il maggio 2008. Questi —– premi sono solitamente intitolati ai passati Cerimonia di Premiazione che vede coinvolti i collisioni centrali Pb-Pb a √sNN =2.76 TeV con il giovani e i meno giovani. rivelatore Cherenkov HMPID nell’esperimento Presidenti della Società Italiana di Fisica. ALICE a LHC”. Per i laureati dopo il maggio 2012: Inizia con la consegna di diplomi e medaglie - Per la Sezione di Fisica della Materia, - Il Premio “Giuseppe Franco Bassani”, ai Soci Benemeriti della Società Italiana di Fisica, il Primo Premio ex aequo va a Gabriele Rosi Presidente della SIF dal 1999 al 2007 e Direttore illustri Fisici che hanno onorato la Società e dell’Università di Firenze, INFN, Sezione di della Scuola Normale Superiore di Pisa dal 1995 la Scienza con i loro contributi e che sono, in Firenze, e LENS, per la sua comunicazione al 1999, va a Filippo Alpeggiani, laureato in ordine alfabetico: “Precision measurement of the gravitational Fisica presso l’Università di Pavia e attualmente - Enrico Beltrametti dell’Università di constant by matter-wave interferometry”; dottorando presso la stessa Università. Genova, Socio Benemerito per i suoi contributi e a Maria Peressi dell’Università di Trieste - Il Premio “Augusto Righi”, Presidente dati alla Fisica Nucleare e alla Società Italiana e National Simulation Center DEMOCRITOS, della SIF negli anni 1901-02, 1910 e 1919- di Fisica. IOM-CNR, Trieste, per la sua comunicazione 20, va a Manuel Colocci, laureato in Fisica - Carlo Maria Bertoni dell’Università di “Interaction of carbon monoxide with Cu presso l’Università di Bologna e attualmente Modena e Reggio Emilia, Socio Benemerito per nanoclusters grown on alumina surface”. dottorando presso la stessa Università e presso i suoi contributi dati alla Fisica della Materia e - Per la Sezione di Fisica Astroparticellare, l’INFN, Sezione di Bologna. alla Società Italiana di Fisica. Astrofisica e Cosmologia, il Primo Premio - Il Premio “Pietro Blaserna”, fondatore e - Ida Maria Catalano dell’Università di Bari, va a Lorenzo Pagnanini dell’Università primo Presidente della SIF dal 1897 al 1898, Socio Benemerito per i suoi contributi dati alla di Roma “La Sapienza” e INFN, Sezione di va a Giuliano Gustavino, laureato in Fisica Fisica della Materia e alla Società Italiana di Roma 1, per la sua comunicazione “Sviluppo presso l’Università di Roma “La Sapienza” Fisica. di rivelatori a induttanza cinetica per CUORE e attualmente dottorando presso la stessa - Carlo Di Castro dell’Università di Roma e LUCIFER”. Il Secondo Premio va a Paolo Università. “La Sapienza”, Socio Benemerito per i suoi Da Vela dell’Università di Siena, per la sua Per i laureati dopo il maggio 2008: contributi dati alla Fisica della Materia e alla comunicazione “MAGIC highlights”. - Il Premio “Gilberto Bernardini”, Presidente Società Italiana di Fisica. - Per la Sezione di Geofisica, Fisica della SIF dal 1962 al 1967, primo Presidente - Giuseppe Grosso dell’Università di Pisa, dell’Ambiente e Oceanografia Fisica, il Primo fondatore della European Physical Society e Socio Benemerito per i suoi contributi dati alla Premio va a Marianna Conte dell’ ISAC-CNR, Direttore della Scuola Normale Superiore di Fisica della Materia e alla Società Italiana di Lecce, e Università del Salento, Lecce, per la sua Pisa dal 1964 al 1977, va a Eleonora Lucioni, Fisica. comunicazione “Analisi dei flussi di particolato laureata in Fisica presso l’Università di Milano - Guido Pizzella dell’Università di Roma atmosferico ultrafine e della sua distribuzione e attualmente post doc presso l’Università di “La Sapienza”, Socio Benemerito per i suoi dimensionale durante eventi di formazione e Firenze e l’INO-CNR, Pisa. contributi dati alla Fisica Cosmica e alla Società crescita di nuove particelle”. - Il Premio “Giovanni Polvani”, Presidente Italiana di Fisica. - Per la Sezione di Biofisica e Fisica Medica, della SIF dal 1947 al 1961 e fondatore della il Secondo Premio va a Luca Labate dell’INFN, Scuola di Varenna nel 1953, va a Orlando La Cerimonia prosegue con la parte che Laboratori Nazionali di Frascati, per la sua Luongo, laureato in Fisica presso l’Università riguarda i giovani, ossia con l’assegnazione comunicazione “Radiobiology with laser driven di Napoli “Federico II” e attualmente post doc dei premi per le migliori comunicazioni electron accelerators”. all’Università di Cape Town, Sud Africa. presentate lo scorso anno al 100° Congresso - Per la Sezione di Fisica per i Beni Culturali, Nazionale della SIF, che ha avuto luogo a Pisa il Primo Premio va a Giovanni Arena dell’INO- Segue poi una serie di premi intitolati a fisici dal 22 al 26 settembre 2014. I premi per le CNR, Pozzuoli, e Università Suor Orsola scomparsi, finanziati dalle rispettive famiglie, o migliori comunicazioni si dividono in primo Benincasa, Napoli, per la sua comunicazione da amici, associazioni o fondazioni. premio, secondo premio e menzione, e tutti “Characterization of hidden defects of an danno dignità di stampa sulla rivista della SIF original XVI century painting on wood by the - Il Premio “Giuliano Preparata” per la Fisica Il Nuovo Cimento; i secondi classificati ricevono ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry) Teorica, assegnato grazie al contributo un diploma e i primi ricevono anche un piccolo method”. Il Secondo Premio va a Valentina dell’Associazione per la Fondazione “Giuliano premio in denaro. Capogrosso del Politecnico di Milano, per la Preparata”, è consegnato dalla Dottoressa I Premi per le Migliori Comunicazioni sono sua comunicazione “Multi-analytical study of Emilia Campochiaro Preparata e va a Lorenzo congiuntamente offerti daI l Nuovo Cimento historical semiconductor pigments”. Bianchi, laureato in Fisica presso l’Università e da the European Physical Journal (EPJ). - Per la Sezione di Fisica Generale, Didattica di Torino e attualmente dottorando presso Si riferiscono alle varie Sezioni parallele del e Storia della Fisica, il Primo Premio va a la Humboldt University di Berlino, “per i suoi Congresso (vengono nominati solo i premiati Stefania Giansanti dell’ Istituto Comprensivo contributi al calcolo perturbativo in teorie di che avevano fatto sapere di poter essere “G. Vasari”, Arezzo, per la sua comunicazione stringa in spazio anti de Sitter e allo studio presenti alla Cerimonia): “Adotta scienza e arte nella tua classe. Un delle loro connessioni e inattese somiglianze”.

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James Jeffrey Binney vincitore del Premio “Giuseppe Occhialini” 2015, insieme a Julia Higgins e Luisa Cifarelli.

-Il Premio “Vincenzo Ferraro” per la Fisica Seguono altri premi offerti dalla Società l’INFN di Torino, nello sviluppo, progettazione dei Plasmi nello Spazio, assegnato grazie al Italiana di Fisica. e costruzione di strumentazione di misura di contributo della Associazione Onlus “Vincenzo altissima precisione destinata a centri di cura, Ferraro”, è consegnato dalla Signora Maddalena - Il Premio per la Comunicazione Scientifica centri di ricerca e ospedali in cui si effettuano Ferraro e va a Silvio Sergio Cerri, laureato in è assegnato ex aequo a Elisabetta Baldanzi, trattamenti di radioterapia e adroterapia”. Fisica presso l’Università di Pisa e attualmente INO-CNR, Firenze, “per la responsabilità Ritira il diploma il Presidente Giuseppe Pitta. dottorando presso il Max-Planck-Institüt für scientifica del progetto INO-CNR nell’ambito La borsa viene data ex aequo a due giovani: Plasmaphysik (IPP), Garching, “per i rilevanti di Horizon 2020, un progetto europeo di Federico Fausti del Settore R&S di DE.TEC. studi, teorici e numerici, dei plasmi spaziali Comunicazione Scientifica che, nell’Anno TOR, “per la sua attività di ricerca e sviluppo con particolare attenzione alla turbolenza nel Internazionale della Luce e Tecnologie basate di un nuovo circuito integrato ASIC per vento solare e all’interazione tra vento solare e sulla Luce (IYL 2015), è rivolto alla promozione l’elettronica di front end e readout di camere magnetosfera terrestre”. della fotonica e del suo impatto innovativo a ionizzazione per applicazioni mediche, che verso giovani, imprenditori e pubblico in ha già portato al deposito di un brevetto”; - Il Premio “Piero Brovetto” per la Fisica generale”; e a Marcos Valdes, Scuola Normale e Simona Giordanengo dell’INFN, Sezione Sperimentale della Materia, assegnato grazie Superiore, Pisa, “per il coordinamento del di Torino, “per la sua attività di ricerca e al contributo della famiglia, è consegnato progetto Immersioni Virtuali nella Scienza sviluppo di tecnologie innovative che ha dalla Professoressa Vera Maxia Brovetto e (Virtual Immersions in Science – VIS) della portato all’ampliamento delle funzioni del va a Nicolò Maccaferri, laureato in Fisica Scuola Normale Superiore di Pisa, un progetto Dose Delivery System (DDS) per l’adroterapia, presso l’Università di Ferrara e attualmente innovativo per la varietà delle attività di in particolare presso il CNAO”. dottorando presso il Centro di Ricerca CIC Comunicazione Scientifica che racchiude, nanoGUNE, San Sebastian, Spagna, “per i suoi rivolto in maniera particolare agli studenti delle - Il Premio per la Didattica o la Storia della studi nel campo del nano-magnetismo e della scuole secondarie di secondo grado”. Fisica è assegnato quest’anno per la Didattica nano-ottica sperimentale, in particolare per a Beniamino Danese, Reinventore Srl, Verona, il suo contributo all’indagine delle proprietà - Il Premio “Romeo Bassoli” per l’Outreach va “per aver concepito e realizzato percorsi magneto-plasmoniche di nanoparticelle a Leonardo Alfonsi, Psiquadro, Perugia, didattici destinati alle scuole secondarie magnetiche risonanti”. “per il ruolo attivo e di rilievo nel campo della superiori che integrano elementi fondamentali divulgazione scientifica svolto nel corso degli di storia della fisica con esperimenti realizzabili - La Borsa “Antonio Stanghellini” per la ultimi 15 anni, in particolare per la fondazione con materiali semplici e con rigore”. Ritira il Fisica Teorica, assegnata grazie al contributo della Società Psiquadro, diventata punto Premio il Professor Paolo Rossi, Presidente della della famiglia, va a Ivan Girardi, laureato di riferimento nell’organizzazione di eventi Sezione di Fisica Generale, Didattica e Storia in fisica presso l’Università di Roma “La scientifici a livello nazionale e internazionale”. della Fisica del Congresso. Sapienza” e attualmente dottorando presso la SISSA, Trieste, “per i suoi studi sugli aspetti - Il Premio “Guglielmo Marconi” per il Cifarelli chiama poi Julia Higgins, Presidente fondamentali della fisica collegata all’esistenza trasferimento tecnologico delle ricerche in Fisica Eletto dell’ Institute of Physics (IOP) per la della massa dei neutrini e dei loro mixing”. va come riconoscimento a una Ditta che abbia consegna del Premio “Giuseppe Occhialini”. conseguito o promosso, con ricerche svolte Il premio è stato congiuntamente istituito La Borsa “Ettore Pancini” per la Fisica Nucleare in collaborazione con l’università e/o istituti dalla SIF e dall’IOP nel 2007, in occasione del o Subnucleare, assegnata grazie al contributo di ricerca, una significativa applicazione della centenario della nascita di Giuseppe Occhialini, del Dr. Roberto Mazzola del CNR di Portici, Fisica a livello industriale. Al riconoscimento è per onorarne la memoria e consolidare le va a Ivano Sarra laureato in Fisica presso associata una borsa che va a due giovani, uno relazioni tra le due Società, ed è bandito l’Università di Roma Tor Vergata, attualmente della Ditta medesima e l’altro dell’università annualmente dall’una o dall’altra Società assegnista di ricerca presso l’INFN, Laboratori o istituto di ricerca con cui è in atto la alternativamente e conferito a un fisico Nazionali di Frascati, “per i suoi contributi collaborazione ai fini del trasferimento operante in Italia o, rispettivamente, in Gran personali e originali nella progettazione e tecnologico. Bretagna o Irlanda. Quest’anno è la SIF che ha realizzazione di calorimetri elettromagnetici La Ditta vincitrice è la Devices & effettuato la scelta del vincitore tra una rosa in laboratori internazionali per lo studio di Technologies Torino (DE.TEC.TOR. Srl), “per di candidati proposti dall’IOP, attribuendo il decadimenti rari”. l’impegno, in collaborazione con l’Università e premio a James Jeffrey BINNEY dell’Università

vol30 / no5-6 / anno2015 > 71 Luisa Cifarelli con Toshiki Tajima e Diederik S. Wiersma, vincitori del Premio “Enrico Fermi” 2015.

di Oxford, UK, con la seguente motivazione: INRIM e Centro Fermi (Museo Storico della motivazione: “per il suo contributo allo studio della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”), “per i loro contributi innovativi e di dinamica delle galassie, in particolare nonché da un rappresentante del Consiglio grande impatto nello studio dei fenomeni di alla comprensione delle modalità con cui della Società Italiana di Fisica. La commissione interazione della luce con materia e particelle”. le galassie scambiano gas con il mezzo è presieduta dal Presidente della Società. In particolare a: intergalattico e di come questo scambio La medaglia in bronzo che accompagna controlli l’evoluzione della morfologia della il premio è una fedele riproduzione del - Toshiki Tajima, Department of Physics and galassia”. medaglione in bronzo, opera di Giannino Astronomy, University of California, Irvine, Castiglioni, posto nell’Aula Magna di Villa CA, USA, “per l’invenzione della tecnica di Infine si passa al conferimento del premio Monastero a Varenna, dove fu murato nel laser-wakefield-acceleration le cui numerose più prestigioso: il Premio “Enrico Fermi” della 1954 quando l’Aula e la Scuola Internazionale e fondamentali applicazioni interdisciplinari Società Italiana di Fisica. Il premio è stato di Fisica vennero intitolate a Enrico Fermi vanno dalla scienza degli acceleratori, alla fisica istituito in occasione del centenario della dall’allora Presidente, Giovanni Polvani. dei plasmi e all’astrofisica”. nascita di Enrico Fermi per onorare la memoria Insieme alla medaglia viene consegnato anche di questo grandissimo scienziato italiano e un distintivo in oro, che riproduce ancora lo - Diederik S. Wiersma, LENS e Università legare il suo nome illustre alla Società Italiana stesso storico medaglione di Villa Monastero. di Firenze, “per la prima osservazione della di Fisica. Il premio è assegnato a uno o più localizzazione di Anderson e dei fenomeni Soci che abbiano particolarmente onorato la Il Premio “Enrico Fermi” 2015 della anomali di trasporto descritti dalla statistica di Fisica con le loro scoperte. I vincitori vengono Società Italiana di Fisica è stato assegnato Lévy nel quadro delle sue ricerche altamente selezionati da una commissione costituita congiuntamente a Toshiki Tajima e originali sulla propagazione della luce in mezzi da rappresentanti di CNR, INAF, INFN, INGV, Diederik S. Wiersma con la seguente disordinati”.

Le videoregistrazioni degli interventi alla cerimonia inaugurale sono disponibili in rete: http://www.sif.it/attivita/congresso/101/inaugurazione Le relazioni di T. Tajima, D. S. Wiersma e J. Binney sono riportati nelle pagine seguenti.

72 < il nuovo saggiatore il nostro mondo

The Italian Physical Society “Enrico Fermi” Prize and Medal 2015

The “Enrico Fermi” prize of the Italian Physical Society has been awarded starting from 2001, to commemorate the great scientist on the occasion of the centenary of his birth. The prize and medal are yearly awarded to Members of the Society who particularly honoured physics with their discoveries. A Selection Commission made of experts appointed by SIF (Società Italiana di Fisica), CNR (Consiglio Nazionale delle Ricerche), INAF (Istituto Nazionale di Astrofisica), INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), INGV (Istituto Nazionale di Geofisica), INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica) and Centro Fermi (Museo Storico della Fisica e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”) selects the winner(s) from a list of candidates proposed by the community. The proposal is submitted to the Council of the SIF for final approval.

The 2015 “Enrico Fermi” Prize and Medal have been jointly awarded to Toshiki Tajima and Die- derik S. Wiersma, “for their innovative and high-impact contributions to the study of phenomena dealing with the interaction of light with matter and particles.” In particular to: - Toshiki Tajima, Department of Physics and Astronomy, University of California, Irvine, CA, USA, “for the invention of the laser-wakefield-acceleration technique which led to a large number of fundamental and interdisciplinary applications ranging from accelerator science to plasma physics and astrophysics”. - Diederik S. Wiersma, LENS and Università di Firenze, “for the first observation of Anderson loca- lisation and of anomalous transport phenomena described by Lévy statistics in the framework of his highly original research on light propagation in disordered media”.

Wakefield acceleration: historical perspective exceeding the linear ones. The wakefield propagated at ~c so that the and future prospect In 1960’s and 1970’s several labs around the ensuing electrons can only catch up to and world, including that of N. Rostoker (my thesis never exceed the speed of light. That is why The concept of collective acceleration was advisor) had been working to come up with the wakefield amplitude reaches the “relativi- introduced by V. Veksler in 1956. This concept a realization of Veksler’s idea. The ongoing stically large” amplitude and simultaneously differs from all accelerators that appeared (or project was to inject an electron beam into pla- “relativistically coherent”, as electrons cannot appear till now) in the famous Livingston Chart sma to excite waves (in the present-day jargon break unlike in the nonrelativistic dynamics. that shows the highest accelerator energy as a a wake) to accelerate ions to far greater energy Thus the created LWFA structure is stable and function of the year when each appeared: All than the original electron energy. No experi- robust to accelerate electrons to high energies these conventional accelerators sans Veksler are ments have shown such, including Rostoker’s. over a very short distance, with some 103 to 104 based on the linear force acting from metal via We in Rostoker’s lab in mid-1970’s (his students times greater fields than the conventional best vacuum on beam particles. Fermi dreamed of a F. Mako and myself) analyzed why this was the records. LWFA addressed to overcome all defi- PeV accelerator that girdles the entire Earth still case and concluded that: 1) the injection of the ciencies of collective accelerators then pointed based on this conventional concept. When we electron beam through the metallic boundary out in the Mako-Tajima analysis. This concept wish to increase the accelerating field of such caused a sheath between the leading electrons has been experimentally demonstrated first accelerators, the metallic surface breaks down and trailing metallic surface and ions and the by Nakajima et al. in 1995 and since then many to create free electrons (plasma), which short- ability of electrons to pull ions ceases beyond others have improved and extended these pro- circuit this process. Veksler introduced plasma the sheath (incidentally, this insight helped mises and found many fascinating properties as a medium to accelerate to overcome the analyze the laser ion acceleration three deca- and its applications. Of course, wakefield acce- above inconvenience of metallic breakdown des later); 2) the far heavier (and slower) ions leration may be afforded not only by laser, but and further stipulated that the collective forces are unable to catch the electron beam-driven also by an electron beam as Veksler originally among plasma particles exert the accelerating wake. suggested as well as by an ion beam. Appli- fields. Plasma is already broken down so that In 1979 T. Tajima and J. Dawson proposed cations of LWFA include: ultrafast radiolysis, no large field will break it further.T he collec- the laser-driven wakefield to accelerate (LWFA) intraoperative electron therapy, betatron X-ray tive fields scale proportional to the square of electrons by creating coherent wakefields. sources, injectors for compact XFEL, all-optical the number of particles participating in the This theory takes advantage of the fast (~c) laser Compton X-rays, and a possible laser- interaction, while the linear force is proportio- laser pulse generating equally fast wake- driven linear collider. For the last application, a nal linearly to it, making the collective fields far fields that catch electrons to be accelerated. breakthrough happened in the high intensity

vol30 / no5-6 / anno2015 > 73 laser technology satisfying the requirements energy (> 100 GeV). The collider-relevant drives compact coherent acceleration of ions. for collider drivers in the high repetition rate CAN laser may appear in the real world. Now Furthermore, a single cycled X-ray laser pulse and high laser efficiency. Mourou et al. in 2013 that compact intense lasers are commercially enabled by this technique can realize LWFA have addressed this challenge by inventing a available, these will advance many immediate at the solid density with a gradient of TeV/ fiber laser based CAN (Coherent Amplification applications of societal impact mentioned cm, some million-fold enhancement over the Network), which addresses all necessary colli- above. As to the frontier of LWFA, let me conventional accelerators. der driver requirements in principle. mention the recent disruptive developments. In the near future, we anticipate laser The new development of single-cycled laser Toshiki Tajima acceleration beyond 10 GeV toward the Higgs allows us new dimensions to accelerators. This University of California, Irvine, USA

Random walk and random photonics disordered optical materials was mainly way also into the field of quantum electro- fundamental physics related, today we can see dynamics. Imagine you are walking in downtown the development of applications in various The modes of a random structure also Manhattan and at every street crossing you sectors. provide the basis for random lasing, a topic randomly decide if you go left or right (or Thanks to the better understanding of the which has developed rapidly into a field as forward or backward). The trajectory that you complex behavior of waves in random media, such and which until today stimulates both follow this way is called a random walk and the it has become possible to deal with disorder fundamental and applied research. Combined distance that you cover between crossings is in photonic devices and imaging, while at with the recent advent of electrical pumping its step length. Random walks lie at the basis the same time to start designing disordered and various color tuning schemes, one can of many statistical processes in economics, photonic materials with tailored optical expect random lasers to find their place as new biology, and physics. Einstein already applied properties and functionalities. Partly inspired sources, for instance in environment lighting. this concept to describe the transport of by nature and thanks to the results of much With practical applications under a small particle in a fluid, called Brownian fundamental research, we are now capable development, an important future challenge motion. Many transport processes, ranging of creating materials which strongly scatter lies in the development of a better theoretical from electrical conduction, to heat and sound light at specific wavelengths and angular framework to understand disorder, especially diffusion, are based upon random walks. distributions. This can find applications in solar with respect to structures that are partially Light diffusion has been a power tool to energy, as paints and coatings, and for instance ordered and/or exhibit long-range correlations. study random walk processes, thanks to the as new light sources. The knowledge on light Also the optimum conditions to maximize analogies that exist between light diffusion transport in random structures is currently scattering are often not known form a and diffusion of particles in other fields of also providing a boost to imaging techniques, microscopic point of view. Random photonics research, like solid state physics, acoustics, especially relevant for human tissue and the is a fascinating research topic since it raises and atomic physics. Light has the advantage body in general. It seems only a short step questions of a fundamental nature while at that it allows for high-precision experiments away that wavefront engineering can become the same time it leads to very concrete and with relatively simple tools. From such optical a competitive tool in medicine, both for practical applications. Understanding disorder experiments it is possible to learn about imaging and the local delivery of laser light not only allows to overcome problems but concepts that then can be applied to other deep into biological tissue. also opens up new possibilities both for fields in physics as well. Anderson localization remains a topic that fundamental research and the engineering of In our understanding of transport processes, receives a lot of interest from the research new devices. It is impressive to see how broad we usually assume that the distance covered at community, in particular regarding disordered the field of random photonics has developed every step of the random walker is not varying systems with various types of structural in the last decade and how rapidly new aspects very much. This is not necessarily the case, correlations. The existence of – localized are being discovered. The rich physics and and a very interesting example of transport or extended – modes in random systems, potential for applications of random photonics beyond regular Brownian motion is that of a has also interesting practical consequences. is bound to provide us with many more Levy walk – a concept which has recently been Such modes can be used as resonators pleasant surprises in the near future. brought into the field of optics as well with the thereby adding functionality in photonic advent of Levy glass. In a Levy glass, light rays components. This way, the disorder which Diederik S. Wiersma follow Levy statistics leading essentially to new has limited the development of applications LENS and Università di Firenze optical properties of scattering materials. based on photonic crystals can be turned into While the initial driving force to study an advantage, a strategy that has found its

74 < il nuovo saggiatore Il Nostro mondo

SIF-iop “Giuseppe Occhialini” Prize and Medal 2015

The “Giuseppe Occhialini” prize has been promoted jointly by the Italian Physical Society (SIF) and the British Institute of Physics (IOP) in 2007 on the occasion of the Centenary of the birth of Giuseppe (Beppo) Occhialini, with the aim to commemorate the eminent scientist, who worked in England and Italy, as well as to strengthen the relationship between the two societies. The award is made alternately by the Councils of one of the two societies to a physicist selected from a list of nominees submitted by the other. The award is made for distinguished work carried out within the 10 years preceding the award. The award is to be made to physicists in alternating years who work in Italy (even dated years) or the UK or Ireland (odd dated years).

The 2015 Occhialini Prize has been awarded and presented on the occasion of the Opening Ceremony of the SIF National Congress in Rome to James J. Binney, Department of Physics, University of Oxford, with the following citation:” For his work on galaxy dynamics, in particular for developing an understanding of how galaxies exchange gas with the intergalactic medium and how this exchange controls the evolution of galaxy morphology”. The award has been delivered by J. Higgins, President Elect of the Institute of Physics.

How galaxies get gas the years that followed we refined the model in small ways and another Bologna student, Galaxies like ours dominate star-formation at Marasco, used it to explain the distribution the current epoch and 10-20% of the cool of 21 cm emission by our Galaxy. For half (T < 104 K) gas from which they form stars a century this emission had been puzzling is more than 1 kpc removed from their because some of it comes from high galactic midplanes. latitudes. The model not only explained this In hydrostatic equilibrium such cool gas fact, but also explained the distribution of would be within 0.1 kpc of the midplane. absorption by highly ionised oxygen and In 2004-6 a Marie Curie Fellow at Oxford, silicon as coming from interfaces between Filippo Fraternali (now in Bologna), built a coronal and cloud gas. The phenomenological simple dynamical model of this ”extraplanar” parameters that in the model describe gas and fitted it to the data cubes of 21 cm the exchange of gas and momentum emission from two galaxies, NGC 891, which between clouds and the corona have been accretion onto massive, galactic-centre black we see edge on, and NGC 2403, which we see independently determined by fitting to two holes prevents gas cooling out of the corona more nearly face on. In his model, gas clouds very different external galaxies, our Galaxy and where the corona is densest and its gas has are shot off the midplane and orbit freely until high-resolution hydrodynamical simulations the shortest cooling time. Condensation in they land back in the midplane. Fitting this of the dynamics of individual clouds. The the wakes of ballistic clouds shot out of the model to the data required clouds to gain extent to which values derived by these star-forming disc explains why these galaxies mass as they orbit. We expected the reverse different routes agree indicates the model grow through their discs, kiloparsecs from their because the space away from the midplane is is fundamentally sound. Moreover, from the centres. When galaxies of comparable mass permeated by gas at T ~ 2 ×106 K and clouds model we derive accretion rates for the three merge, a burst of supernovae is liable to blow should be ablated as they move through this galaxies that nicely match the rates required to away the discs of cold, star-forming gas. Once “corona”. In the summer of 2009 we grasped sustain their current rates of star formation. lost they cannot be recovered because a galaxy from the 2d hydrodynamical simulations of a The model helps one understand how needs cold gas to seed condensation of cold Bologna student, Marinacci, that if the corona galaxies evolve. To sustain their star formation, gas onto its disc. So after a merger, a galaxy is dense and metal-rich enough, it condenses galaxies like ours need to accrete from the becomes “red and dead”. on the wake of the cool gas that trails behind corona (the majority of baryons are still an ablating cloud. Consequently, more cold in intergalactic space). Fifteen years ago James J. Binney gas lands on the disc than was shot off it. In it became clear that energy released by University of Oxford, UK

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LEONARDO DA VINCI. LUCI, OMBRE E COLORI

Autoritratto di Leonardo da Vinci, Biblioteca Reale di Torino, su concessione del Ministero dei Beni e delle Attività Culturali e del turismo – Biblioteca Reale, Torino

Leonardo nasce a Vinci (FI) il 15 aprile 1452. Vive la sua gioventù a Firenze lavorando nella bottega del Verrocchio ed entrando presto sotto la protezione di Lorenzo de’ Medici. Nel 1482 parte per Milano, dove lavora per quasi un ventennio al servizio della corte di Ludovico il Moro. Passa poi un periodo di peregrinazioni che lo vedono tornare anche per brevi intervalli a Firenze e, dal 1508 al 1513, a Milano. Dopo un breve periodo nella Roma di Papa Leone X, durante il quale però non ha incarichi di grande spessore, nel 1516, avendo ricevuto continui inviti dal re francese, Leonardo decide di trasferirsi definitivamente in Francia. Viene alloggiato da Francesco I nel castello di Amboise, dove muore il 2 maggio del 1519. Spirito poliedrico, non esiste campo dell’arte e della conoscenza in cui Leonardo non abbia lasciato il segno. Si è occupato di architettura e scultura, è stato disegnatore, pittore, ingegnere, anatomista, scenografo, musicista e, in generale, progettista e inventore. Ma anche, ed è quello che qui ci interessa di più, un osservatore e uno sperimentatore di ottica che per lui ha rappresentato la teoria da tradurre nella pratica pittorica. Allo stesso tempo, la pittura è divenuta lo strumento per approfondire le sue indagini scientifiche su luci e su ombre.

“Se tu sprezzarai la pittura, la quale è agli strati finali; piuttosto li mischia l’uno con sola imitatrice di tutte l’opere evidenti de l’altro liberamente facendosi guidare dalle natura, per certo tu sprezzarai una sottile proprie conoscenze di ottica e, viceversa, come invenzione, la quale con filosofica e sottile vedremo, utilizzando la pratica pittorica come speculazione considera tutte le qualità delle strumento d’analisi per ulteriori ricerche e forme: [aire e] siti, piante, animali, erbe, fiori, sperimentazioni sulla luce e sull’ombra. le quali sono cinte d’ombra e lume”. è importante sottolineare che il problema Così Leonardo, nel Libro di pittura Pt. I, di fondo di cui si era occupata l’ottica fino a § [12], sottolinea l’importanza che riveste quel momento, non era, come suggerisce per il pittore il saper giocare con gli effetti di l’accezione moderna della parola, riuscire chiaroscuro al fine di conferire volume alle a comprendere le caratteristiche e i figure e ai paesaggi di un dipinto. comportamenti della radiazione luminosa, Dal recente restauro di numerosi bensì saper spiegare il meccanismo della dipinti leonardiani è emersa un’immensa visione; problematica intorno alla quale conoscenza della tecnica pittorica del avevano lavorato, senza raggiungere lo scopo, vinciano: la sua procedura varia da un i maggiori filosofi dei due millenni precedenti. dipinto all’altro e spesso da una zona Leonardo, nel corso della sua vita, si all’altra del quadro, cosa che ci suggerisce occupa ampiamente della visione, tuttavia come egli abbia costruito le immagini per lui l’ottica è fondamentale soprattutto pittoriche simultaneamente da un punto per la rappresentazione della luce e dei colori di vista pittorico e ottico. Per catturare nell’arte. Egli considera la pittura una scienza i movimenti delle sue figure e ciò che a basata sull’ottica ovvero, un’arte volta alla esse fa da sfondo Leonardo, infatti, non creazione dell’illusione del rilievo su una separa rigidamente le diverse fasi del superficie piana mediante la descrizione della disegno preparatorio, della stesura del luce, delle ombre e dei colori, in accordo con le primo strato di colore fino ad arrivare regole dell’ottica.

76 < il nuovo saggiatore PAGINE ITALIANE DI OTTICA In occasione dell’Anno Internazionale della Luce, IYL 2015, Il Nuovo Saggiatore pubblicherà in ogni numero del 2015 pagine di scienziati italiani che contribuirono allo sviluppo delle scienze della luce.

Così scrive nel Libro di pittura, Pt. I, § [6]: Nessun artista rinascimentale ha investigato in La scienzia della pittura s’astende in tutti li colori maniera così approfondita l’argomento come delle superfizie e figure de’ corpi da quelle vestiti, et a Leonardo da Vinci. le loro propinquità e remozioni con li debiti gradi de Lo studio delle ombre, condotto da Leonardo diminuzione secondo li gradi delle distanzie. E questa sistematicamente, ci appare rilevante e conclusivo scienzia è madre della prospettiva, cioè linee visuali, sia per l’artista, sia perché nella maniera di la qual prospettiva si divide in tre parti, e di queste procedere, come vedremo, evidenzia una certa la prima contiene solamente li lineamenti de’ corpi; similitudine col metodo sperimentale che, da Galilei la seconda della diminuzione de’ colori nelle diverse in poi, si utilizzerà per indagare le leggi della natura. distanzie; la terza, della perdita della congionzione de’ Nel Libro di pittura, dopo aver definito la pittura corpi in varie distanzie. Ma la prima, che sol s’astende come una scienza, Leonardo sottolinea l’importanza nelli lineamenti e termini de’ corpi, è detto disegno, dell’esperienza: cioè figurazione de qualonque corpo. Da questa n’esce “Se la pittura è scienzia o no. (…) Nissuna umana un’altra scienzia che s’astende in ombra e lume, o voi investigazione si pò dimandare vera scienzia, se essa dire chiaro e scuro, la quale scienzia e di gran discorso non passa per le matematiche dimostrazioni. E se tu […]. dirai che le scienzie, che principiano e finiscano nella Un’attenta analisi degli appunti leonardiani rivela mente, abbiano verità, questo non si concede, ma si l’intenzione di realizzare un trattato sulle luci e niega per molte ragioni; e prima, che in tali discorsi sulle ombre che avrebbe probabilmente raccolto le mentali non accade esperienzia, sanza la quale nulla minuziose osservazioni empiriche e la traduzione dà di sé certezza”, Libro di pittura, Pt. I, § [1]. di ogni annotazione sul fenomeno fisico in una Leonardo si prefigge di enunciare i principi della definizione estrapolata dai risultati delle osservazioni scienza della pittura, principi che afferma di voler sperimentali: ricavare dall’esperienza. Ciò viene messo in atto nella Il secondo principio della pittura è l’ombra del parte quinta De ombra e lume. corpo, che per lei si finge, e de questa ombra daremo li suoi principii, e con quelli procederemo nell’insculpire la predetta superfizie, Libro di pittura, Pt. I, § [5]. 1 Ombra primitiva e ombra derivativa Leonardo non è mai riuscito concretamente a Innanzi tutto premette alcune definizioni realizzare questo suo proposito ma il suo più fedele fondamentali, poi s’interroga sulle cause dell’ombra allievo, Francesco Melzi, dopo la morte del maestro, e osserva che ogni ombra non è omogenea ma varia si premura di raccogliere e selezionare tra i manoscritti di intensità. originali, gli appunti e i disegni riguardanti ottica 545. Che cosa è ombra. e pittura, riarrangiandoli in un nuovo manoscritto L’ombra, nominata per il proprio suo vocabolo, che intitola appunto Libro di pittura. In esso viene è da esser chiamata alleviazione di lume aplicato alla preservato e trasmesso l’approccio innovativo alla superficie de’ corpi, della quale il prencipio è nel fine modalità di creazione del rilievo in pittura, mediante della luce, ed il suo fine è nelle tenebre. osservazioni qualitative e quantitative che integrano 546. Che differenzia è da ombra a tenebre. la filosofia naturale e l’ottica. Non a caso, la parte La differenzia che è da ombre a tenebre è questa, quinta, intitolata De ombra e lume, è completamente che l’ombra è alleviamento di luce, e tenebre è dedicata ad argomenti di ottica e la sua grande novità integralmente privamento di essa luce. risiede nella trattazione geometrica e quantitativa 547. Da che deriva l’ombra. delle ombre, dei loro confini sfumati e dei colori che L’ombra deriva da due dissimili cose l’una Leonardo analizza in dettaglio in numerosi schemi. da l’altra, imperò che l’una è corporea, e l’altra Se a questo si aggiunge l’incredibile mole di appunti spirituale: corporea è il corpo ombroso, spirituale leonardiani che trattano argomenti di ottica – il è il lume; adonque lume e corpo son cagione de Codice Atlantico e molti manoscritti dell’Istituto di l’ombra. Francia – si comprende ancor più a fondo quanto lo 548. De l’essere de l’ombra per sé. studio della materia sia stato talmente fondamentale L’ombra è della natura delle cose universali, che per lui da occuparlo nel corso di tutta la sua vita. tutte sono più potenti nel principio, e inver[s]o il fine

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c d b a

Fig. 1 Sinistra: Luce e ombra primitiva e derivativa (a. lume primitivo, Fig. 2 “Ogni parte dell’onda che percote nell’altra onda, refrette b. lume dirivativo. c. ombra primitiva. d. ombra dirivativa). Codice inverso li centri delli loro cerchi”. Codice Atlantico, particolare del Atlantico, particolare del f. 320 r, Milano, Biblioteca Ambrosiana. f. 226 v, Milano, Biblioteca Ambrosiana. Destra: tipi di ombra derivativa, Libro di pittura, Pt. V, § [574].

indeboliscono: dico nel principio d’ogni forma e qualità Con tutta probabilità lo scopo principale di tali evidente et inevidente, e non delle cose condotte di osservazioni è verificare l’ipotesi che ci sia una stretta piccol principio in molto accrescimento dal tempo, corrispondenza tra quella che Leonardo indica come la come sarebbe una gran quercia che ha debole principio percussione dell’ombra proiettata da una certa parte di un per una piccola ghianda; anzi dirò la quercia essere più corpo e l’esposizione alla sorgente illuminante. potente al nascimento, ch’ella fa della terra, cioè nella Molti commentatori hanno affermato che maggiore sua grossezza; adonque le tenebre è il primo l’approccio leonardiano alla natura della luce sia grado dell’ombra, e la luce è l’ultimo. Adonque tu, essenzialmente meccanicistico e si basi sull’assunzione pittore, farai l’ombra più scura apresso alla sua cagione, che la propagazione della luce sia una istanza di moto et il fine fa che si converti in luce, cioè che paia sanza ondulatorio mediante il quale una certa percussione viene fine. comunicata all’organo di senso. Tale convinzione si basa Subito dopo introduce le nozioni di “ombra primitiva” sull’interpretazione del seguente passo del foglio 9 v del e “ombra derivativa”: Ms. A dell’Istituto di Francia: 552. De l’ombre e sua divisione. Sì come la pietra gittata nell’acqua si fa centro e causa Le ombre ne’ corpi si generano dalli obietti oscuri di vari circuli, el sono fatto in nell’aria circularmente ad essi corpi antiposti, e si devidono in due parti, si sparge. Così ogni corpo posto in fra l’aria luminosa delle quali l’una è detta primitiva, l’altra derivativa circularmente sparge e empie le circustanti parti d’infinite (fig. 1, sinistra). sue similitudine e appare tutto per tutto e tutto in ogni Leonardo suddivide poi l’ombra derivativa in parte. tre categorie e stabilisce di trattare ampiamente Qui Leonardo descrive la propagazione delle immagini l’argomento. da un oggetto mediante cerchi, paragonandoli a quelli 574. Di quante figure è l’ombra derivativa. che si formano dal punto di impatto di una pietra Tre sono le figure de l’ombra derivativa. sull’acqua (fig. 2). Tuttavia, tale analogia con un moto E la prima è piramidale, nata da l’ombroso minore ondulatorio ci dà informazioni solamente sulla geometria del luminoso; la seconda è parallela, nata da l’ombroso della propagazione ma non dice nulla sulla natura della uguale al luminoso; la terza è disgregabile in infinito, e radiazione che si propaga. La teoria leonardiana sulla infinita è la colunnale, et infinita la piramidale, perché natura di questa entità responsabile della visione si rifà dopo la prima piramide fa intersecazione, e genera probabilmente alla tradizione Aristotelica e prospettivista. contra la piramide finita una infinita piramide, trovando I termini più usati da Leonardo per descrivere questa infinito spacio. E di queste tre sor di ombre radiazione sono similitudine, simulacro e spezie la cui derivative si tratterà apieno. (fig. 1, destra) natura e il cui comportamento sono descritti ad esempio Di seguito, descrive la diminuzione dell’intensità in un passaggio del foglio 331 r del Codice Atlantico: dell’ombra derivativa con l’aumentare della distanza, Tutte le spezie delle cose all’occhio antiposte rileva l’aumento della dimensione dell’ombra concorrano per linie radiose alla superfizie di tale occhio, all’aumentare di quella della sorgente e confronta le le quali si tagliano nella superfizie di tale occhio infra oscurità dell’ombra primitiva e derivativa al variare della equali angoli. L’aria è tutta per tutto e tutta, in ogni parte forma del corpo ombroso e della distanza dalla sorgente di quella, piena delle similitudine de’ corpi che in lei e dall’osservatore. s’includano.

78 < il nuovo saggiatore il nostro l. luperini: Leonardo da vinci. luci ombre e colori mondo

Fig. 3 Sinistra: Ombre semplici e composte, Codice Atlantico, particolare del Fig. 4 Ombra di una sfera illuminata da luce che attraversa una f. 658 r, Milano, Biblioteca Ambrosiana. Destra: modello di Opera Laboratori fenditura “a stella”, modello di Opera Laboratori Fiorentini, 2004, Fiorentini, 2004, Vinci, Museo Leonardiano. Vinci, Museo Leonardiano.

2 Ombra semplice e ombra composta una di queste ed esaminare per gradi le conseguenze del Nella scala dalla luce alle tenebre, Leonardo studia cambiamento delle restanti variabili. tutta una serie di modificazioni che l’ombra subisce al Numerosi sono gli schemi che, per osservare le variare dell’intensità illuminante. Numerosi sono i passi tipologie di ombre, coinvolgono fenditure di diverse dei suoi scritti in cui osserva che i confini delle ombre non forme e dimensioni; sebbene estremamente significativi appaiono netti ma il passaggio alla luce piena avviene per la loro importanza storica, non risultano conclusivi a gradualmente. livello di contenuto in quanto lo studioso vinciano non Nella quinta parte del Libro di pittura esamina dunque era a conoscenza del fenomeno della diffrazione (fig. 4). la distinzione tra ombra semplice e composta. 557. Che differenzia è da ombra semplice a ombra composta. 3 Intensità e dimensione delle ombre Ombra semplice è quella dove alcuna parte del 249. De’ colori de’ lumi incidenti e reflessi. luminoso non può vedere, et ombra composta Quando duoi lumi metteno in mezzo a sé il corpo è quella dove infra la ombra semplice si mischia alcuna ombroso, e non possan variarsi se non in duoi modi parte del lume derivativo. cioè, o egli saran d’equal potenzie, o saranno inequali, Tali definizioni sono estrapolate da una grandissima cioè parlando de’ lumi infra loro: e se saranno equali essi quantità di osservazioni ed esperienze che ritroviamo possan variare in due altri modi il loro splendore sopra schematizzate nei Codici leonardiani. Ciò è nettamente l’obbietto, cioè con equale splendore, o con disequale: evidente, ad esempio, nel foglio 658 r del Codice Atlantico equale sarà quando saranno in equale distanzia; disequali che è stato utilizzato per la ricostruzione dell’oggetto 1 nelle diseguali distanzie. In equale distanzia si varieranno della sala di ottica del Museo Leonardiano di Vinci (fig. 3). in due altri modi, cioè meno sarà l’obbietto alluminato E nell’esperimento che Leonardo descrive nel f. 513 a-r dalli equali lumi in splendore, et in distanzia del Codice Atlantico: i lumi equali in potenzia et equali in distanzia dall’obbietto opposito […], Libro di pittura, Pt. II. de’ gradi, fa una stella di 8 razzi, che sieno larghi nelli Con lo stesso metodo appena illustrato, basato stremi come nel principio a punto, e quella volgi al sole sull’esperienza diretta e sull’osservazione dei fenomeni ponendo dirieto il corpo sperico ombroso e poi la carta e a cui è interessato, Leonardo indaga la variazione poi sia l’occhio tuo […] (fig. 4). d’intensità e dimensione delle ombre (fig. 5). Sebbene le varie note siano sparse e a volte ripetitive, La Vergine delle rocce (fig. 6) rappresenta un esempio lo studio dettagliato del lavoro su luce e ombra ci concreto di come Leonardo applichi alla pittura conferma l’esistenza del profilo di un trattato coerente quanto appreso nelle sue esperienze di fotometria che che, in un certo numero di casi, coinvolge un metodo coinvolgono più sorgenti illuminanti. Nel dipinto, infatti, sperimentale sistematico. Esso consiste nell’isolare le la luce nasce dall’incontro di tre fonti: le due che si variabili chiave in un problema (distanza e posizione insinuano dalle rocce sullo sfondo e quella immaginata reciproca, forma e dimensione dell’ostacolo e della alle spalle dell’artista che illumina frontalmente le figure, sorgente luminosa, intensità di luce e ombra, contrasto creando contrasti di chiaroscuro e rivelando gradazioni con la luminosità dello sfondo, caratteristiche del piano di colore che conferiscono volume ai personaggi e di proiezione dell’ombra, ecc.), mantenere costante solo profondità al paesaggio.

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Fig. 5 Sinistra: Studio delle ombre di un ostacolo situato tra due sorgenti di luce. Particolare del Ms. C, f. 22 r, Parigi, Biblioteca dell’Istituto di Francia. Destra: Ricostruzione dell’esperimento leonardiano schematizzato a sinistra, modello di Opera, Laboratori Fiorentini, 2004, Vinci, Museo Leonardiano.

4 Colori e ombre 213. Della mistione delli colori l’uno con l’altro, la qual In analogia con l’approccio allo studio sulle ombre, mistione s’astende inverso l’infinito. Leonardo innanzi tutto definisce i concetti di colore Ancora che la mistione de’ colori l’un con l’altro semplice e colore composto sottolineando, nuovamente s’astenda inverso l’infinito, non resterò per questo con esempi tratti dall’esperienza, come in natura non ch’io non ne facci un poco de discorso. Ponendo esistano colori semplici. prima alquanti colori semplici, e con ciscun di 165. Come nessuno colore reflesso è semplice, ma è misto quelli misterò ciascuno delli altri a uno a uno, e poi con li altri colle spezie delli altri colori. a due a due e a tre a tre, così seguitando insino allo Nessuno colore che refletta nella superfizie d’un altro intero numero di tutti li colori. Poi ricominzierò a corpo tinge essa superfizie del suo proprio colore, ma mistiare li colori a due con due et a tre con due, e poi sarà misto con li concorsi delli altri colori reflessi che a quattro, così seguitando insino al fine, sopra essi risaltano nel medesimo loco: come sia il colore giallo a primi due colori. E poi ne metterò tre, e con essi tre che reflette nella parte dello sferico coe, e nel medesimo accompagnerò altri tre, e poi sei, e così si seguirà e poi loco reflette il colore azzurro b. Dico per questa seguirò tal mistioni in tutte le proporzioni. reflessione mista de giallo e d’azzurro, che.lla percussione Colori semplici dimando quelli che non sono del suo concorso tingerà lo sferico: se era in sé bianco, lo composti, né si posson comporre per via di mistione farà di colore verde, perché è provato, il giallo e azzurro d’altri colori. misto insieme compone uno bellissimo verde. Nero, bianco, benché questi non sono messi fra i colori, perché l’uno è tenebre, e l’altro è luce, cioè l’uno è privazione e l’altro è generativo, io non li voglio per questo lasciare indietro, perché in pittura sono li principali, con ciò sia che la pittura sia composta d’ombre e di lumi, cioè di chiaro e scuro. Dopo il nero e il bianco seguita azzurro e giallo, poi il verde e el Libro di pittura, Pt. II . leonino, cioè taneto, o vo’ dire oquria; di poi il morello Tuttavia non si accontenta di osservare i colori naturali; et il rosso; e questi sono otto colori, e più non è in egli sperimenta anche in questo campo creandosi i natura, de’ quali io comincio la mistione; e sia primo colori di cui ha bisogno e dalle sue sperimentazioni nero e bianco; di poi nero e giallo, e nero e rosso; nasce, come abbiamo ampiamente già notato nei di poi giallo e nero, e giallo e rosso; e perché qui mi casi precedenti, la sua teoria. Viceversa, la teoria dei manca carta, i’ lascierò a fare tal distinzione nella mia colori lo spinge ad indagini sperimentali sempre più opera con longo processo; il quale sarà di grande approfondite. utilità, anzi necessarissimo; e questa tal dicrizione

80 < il nuovo saggiatore il nostro l. luperini: Leonardo da vinci. luci ombre e colori mondo

Fig. 6 La Vergine delle Rocce, Leonardo da Vinci, Parigi, Museo Louvre (a sinistra) a confronto con il Libro di pittura, Pt. V, § [730] (a destra).

s’intermetterà infra la teorica e la pratica della pittura, vicini. Interessante rilevare come in questo frangente Libro di pittura, Pt. II. Leonardo utilizzi il paragone con l’arcobaleno, la cui Leonardo osserva come varia l’intensità dei colori spiegazione del fenomeno egli qui lega erroneamente riflessi su un oggetto al variare dell’angolo d’incidenza al moto delle gocce di pioggia. della luce e ne deduce delle regole. 190. Dello accompagnare i colori l’uno con l’altro, in 168. De’ reflessi. modo che l’uno dia grazia a l’altro. 1° Le superfizie de’ corpi participano più de’ colori di Se voi fare che la vicinità de l’uno colore dia grazia quelli obbietti li quali riflettan in lui la sua similitudine a l’altro colore che con lui confina, usa quella regola infra angoli più equali. che far si vede alli razzi del sole nella composizione 2° De’ colori delli obbietti che reflettano le sue de l’arco celeste, per altro nome iris, li quali colori si similitudini nelle superfizie delli anteposti corpi infra generano nel moto della pioggia, perché ciascuna angoli equali, quel sarà più potente il quale arà il suo gocciola si trasmuta nel suo discenso in ciascun de’ razzo reflesso di più breve longhezza. colori di tale arco, come fia dimostrato al suo loco. 3° Infra li colori delli obbietti che si reflettano infra Ora attendi, che se tu voi fare una eccellente oscurità, angoli equali, e con equal distanzia nelle superfizie de’ dàlle per parangone un’eccellente , e così contraposti corpi, quel serà più potente che sarà di più la eccellente bianchezza farai con la massima oscurità; chiaro colore. e ‘l pallido farà parere il rosso di più focosa rossezza 4° Quell’obbietto reflette più intensamente il suo che non parrebbe per sé in parangone del paonazzo; colore ne l’antiposto corpo, il quale non ha intorno a sé e questa tal regola sarà più distinta al suo loco. altri colori che della sua spezie, Libro di pittura, Pt. II. Restaci una seconda regola, la quale non attende Esamina poi come si modifica l’intensità dei colori a fare li colori in sé di più suprema bellezza ch’essi se messa a confronto con lo sfondo o con i colori naturalmente sieno, ma che la compagnia loro dà

vol30 / no5-6 / anno2015 > 81 Ritratto del musico, Leonardo da Vinci, Milano, Biblioteca Ambrosiana. La Gioconda, Leonardo da Vinci, Parigi, Museo Louvre. Il mistero Si noti la varietà dei colori delle ombre sul viso del giovane, al variare della Gioconda: L’aspetto più insondabile della Gioconda non è tanto dell’angolo d’incidenza della luce e dei colori circostanti. l’individuazione del personaggio raffigurato, quanto la complessa sperimentazione con cui Leonardo costruisce il suo ineffabile e misterioso sorriso e il suo rapporto con le luci del paesaggio sullo sfondo.

grazia l’uno a l’altro, come fa il verde al rosso, e ‘l rosso da essa ombra, e quanto esso è più o meno luminoso, al verde, che l’uno scambievolmente dà grazia a l’altro, Libro di pittura, Pt. II. e come fa il verde con l’azzurro. Et ecci una seconda Da quanto fin qui esposto, è facile comprendere regola generatrice de disgraziata compagnia, come il continuo scambio che in Leonardo si verifica tra la l’azzurro col giallo, che biancheggia, o col bianco e sperimentazione scientifica e la produzione pittorica. simili, li quali si diranno al suo loco, Libro di pittura, La conclusione in fondo è molto semplice: il miglior Pt. II. modo per renderci conto concretamente di come Infine indaga su come il colore di un oggetto e della Leonardo utilizzi l’ottica nella pratica pittorica – ovvero luce che lo illumina influenzano il colore della sua il risultato dei suoi “esperimenti” – è… osservare i suoi ombra. dipinti! 192. De’ colori de l’ombre di qualunque colore. Il colore de l’ombra di qualunque colore sempre Linda Luperini partecipa del colore del suo obbietto, e tanto più o Liceo Artistico “F. Russoli”, Pisa meno quanto esso obbietto gli è più vicino o remoto

82 < il nuovo saggiatore il nostro mondo L’archivio storico de Il Nuovo Cimento è disponibile per i Soci all’url: http://members.sif.it

IL NUOVO CIMENTO 150, 100, 50 ANNI FA

150 anni fa

Da “Osservazione sulle uova delle galline” di S. De Luca; Il Nuovo Cimento, 21-22 (1865-66) 185. Le esperienze furono eseguite sopra otto differenti uova di gallina, nate dal 28 Luglio al 31 Agosto di questo volgente anno, notandone il peso giornaliero ad una bilancia di precisione, ed osservandone il peso specifico nell’acqua. Sono necessarii da 15 a 20 giorni perché l’uovo di gallina diventi più leggero dell’acqua, e probabilmente ne’ mesi freddi si richiede tempo maggiore. La diminuzione di peso che subiscono le uova esposte all’aria è proporzionale alla superficie loro ed alla compattezza del guscio. L’acqua delle materie interne dell’uovo si elimina sotto forma di vapore, le materie stesse si contraggono e diminuiscono di volume, e l’aria vi penetra a poco a poco. Ma se si muovono le uova bruscamente si sviluppano gas ed accade che si rompono producendo una specie di detonazione.

100 anni fa

Da “ Il fenomeno di Stark - Lo Surdo nell’elio” di Rita Brunetti; Il Nuovo Cimento 10 (1915) 34. Lavoro eseguito nel Gabinetto di fisica del R. Istituto di studi superiori in Firenze. La separazione delle righe spettrali in campo elettrico fu scoperta contemporaneamente da Lo Surdo e da Stark nel 1913. L’effetto inizialmente citato con entrambi i nomi, nella letteratura più recente, anche italiana, spesso ingiustamente ignora Lo Surdo. Per la rilevanza dei risultati di Rita Brunetti sull’elio, vedi E. Fermi in “Gli effetti elettro e magnetoottici e le loro interpretazioni”, in L’Energia Elettrica, Uniel (1927) 109; per la storia vedi M. Leone, A. Paoletti e N. Robotti “The birth of quantum mechanics; the Stark-lo Surdo effect” in History of physics and astronomy in Italy in the 20th century (COFIN 2001) 127-136. Dopo le ricerche del professor Lo Surdo sulla serie di Balmer, […], appare opportuno di cominciare a raccogliere il materiale che servirà poi alla realizzazione di un modello o alla costruzione di una teoria del fenomeno. In particolare la differenza di risultati, che con metodi differenti raggiunsero i professori Stark e Lo Surdo nei riguardi dell’idrogeno, additava senz’altro come primo gas da cimentare col metodo Lo Surdo l’elio, già studiato con l’altro metodo di Stark. Rita Brunetti riporta di aver trovato che Sotto l’azione di un campo elettrico 1. varie righe dell’elio si scompongono e la scomposizione è dissimetrica rispetto alla riga fondamentale La 4388 si scinde in cinque 2. alcune righe presentano un satellite dalla parte delle λ brevi cioè […]. componenti dissimetriche. 3. agli spostamenti degli elementi di scomposizione allo spostamento del satellite non appartiene la medesima legge; 4. le righe della terza serie accessoria diffusa non si scompongono nello stesso numero di componenti. risultati che differiscono da quelli ottenuti col metodo di Stark. Segue la discussione.

50 anni fa

Da “Primakoff effect andπ 0 lifetime” di G. Bellettini, C. Bemporad, P.L. Braccini, L. Foà et al.; Il Nuovo Cimento A, 40 (1965) 1139. La misura della vita media del pione neutro è difficile. Il decadimento è elettromagnetico e la vita media è troppo breve per potersi misurare con cura dalla distanza tra produzione e decadimento, che è dell’ordine di 0.1 µm. È però anche troppo lunga, rispetto ai decadimenti forti, per essere misurata dalla larghezza di risonanza, che è di qualche eV. Gli autori hanno usato un metodo nuovo. Drawing of the frame 0 The results of an experiment to measure the π lifetime via the inverse decay process (“Primakoff supporting the counters. For the 0 effect”) are presented. The coherent photoproduction of neutral pions in the reaction γ + Pb → π + Pb sake of simplicity, only one of 0 has been measured with very high angular resolution with a π detector containing 10 independent the eight counters is shown counting channels, at the two energies 950 and 1000 MeV, using the bremsstrahlung beam of the Frascati electron synchrotron […]. The best fit τ value is (0.73 ± 0.105)· 10–16 s. Per confronto, il valore medio attuale è (0.852 ± 0.018) · 10–16 s. a cura di Alessandro Bettini

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Anno Internazionale della Luce: una cascata di eventi

Dopo l’inaugurazione dell’IYL 2015 avvenuta SIF di Roma, l’intera giornata di mercoledì Barbara Gallavotti, ha visto l’intervento di a Parigi, presso la sede dell’UNESCO, dopo 23 settembre è stata incentrata sul tema della illustri scienziati, tra i quali anche il Premio quella italiana avvenuta a Torino in gennaio, luce con 5 relazioni generali plenarie e 3 su Nobel S. Haroche, che hanno presentato e dopo il simposio “Light&Life” a Varenna invito in ogni Sezione. Le relazioni generali relazioni sul ruolo della luce nel campo in luglio, eventi dei quali si è riferito nei hanno visto Illustri relatori alternarsi sui scientifico, tecnologico e artistico. La bellissima precedent numeri di questa rivista e anche seguenti temi: scoperte e invenzioni relative aula del palazzo Edison ha accolto un vasto nella newsletter SIF Prima Pagina, in questo alla luce (A. Bettini), luce visibile e invisibile pubblico anche di giovanissimi che hanno anno così speciale che mette la luce al centro (A. Cattai), luci quantistiche in metrologia seguito tutte le relazioni con estremo interesse. dell’attenzione si sono susseguiti una serie (M.L. Rastello), luce di sincrotrone e progetto Nel corso del simposio è stato conferito il di eventi e manifestazioni organizzati dalla SESAME (G. Paolucci), luce e universo (S. Masi). Premio Europeo per la Fisica “EPS EDISON Società Italiana di Fisica in collaborazione con La giornata si è poi conclusa con una tavola VOLTA” ai tre leader scientifici dell’esperimento diversi enti e associazoni, e viceversa. rotonda dal titolo “Luce e Tecnologia”, satellitare Planck della European Space Agency Per primo l’evento del 17-19 settembre svoltasi presso la Sala della Protomoteca del (ESA), lanciato nello spazio per scrutare la a Capri nell’ambito degli EOS-SIOF Topical Campidoglio, che ha passato in rassegna prima luce emessa dall’universo “poco dopo” il Meetings la cui sessione plenaria speciale alcuni tra i più interessanti aspetti dell’ormai Big Bang. “History of optics in Italy and future emerging indissolubile legame tra luce e tecnologia. Il 6 novembre, nella splendida cornice applications” è stata organizzata, dalla Società Il 16 ottobre si è svolto presso il Palazzo della Sala Ulisse dell’Accademia delle Scienze Italiana di Ottica e Fotonica (SIOF) con la Edison a Milano il simposio “Luce e dell’Istituto di Bologna, si è svolto il simposio in collaborazione della SIF. Di particolare rilievo Innovazione”, promosso dalla Società Edison, onore di A. Zichichi “The discovery of nuclear i contributi di M. Bertolotti, che ha ripercorso che opera nel settore dell’Energia, e dalla SIF antimatter” nel 50° anniversario della prima la storia dell’attività di ricerca sul laser in Italia, in collaborazione con la European Physical evidenza sperimentale da lui ottenuta al e di D. Cuomo, che ha invece presentato una Society (EPS) e la Fondazione Alessando Volta. CERN nel 1965. Il simposio, organizzato dalla rassegna sulle fibre ottiche in Italia. L’evento, inserito nel programma EDISON OPEN SIF in collaborazione con l’Accademia della Durante il 101° Congresso Nazionale della 4EXPO, moderato dalla giornalista scientifica Scienze di Bologna, l’Istituto Nazionale di

Parigi Torino

84 < il nuovo saggiatore Giovanna Rasario, Luce d’acqua (detail), 2009.

Fisica Nucleare e il Museo Storico della Fisica nella Sala Stabat Mater dell’Archiginnasio, di organizzato dalla SAIt in collaborazione con e Centro Studi e Ricerche “Enrico Fermi”, ha particolare rilievo è stato l’incontro serale del la SIF, ha avuto luogo a Napoli, il 12 dicembre, celebrato gli importanti risultati ripercorrendo 13 novembre all’Aula Magna di Santa Lucia, presso l’Osservatorio Astronomico la storia dell’antimateria e presentando lo stato intitolato: “Dalle frontiere della scienza a di Capodimonte dell’Istituto Nazionale dell’arte delle ricerche e le possibili prospettive Il mercante di luce“, moderato dal giornalista di Astrofisica, con gli interventi “spaziali” di future con le relazioni di L. Maiani, W. Barletta Patrizio Roversi, che ha visto gli interventi P. De Bernardis e L. Parmitano (astronauta). e S. Bertolucci. In chiusura A. Zichichi ha di L. Cifarelli, V. Balzani, G. Bignami, L. Rossi Mentre a livello internazionale, la cerimonia tenuto la Lectio Magistralis del Forum Laura (in collegamento dal CERN) e R. Vecchioni di chiusura dell’Anno Internazionale della Luce Bassi dell’Accademia: “Status of the antimatter (in veste di scrittore). A seguire gli eventi del 2015 si terrà in Messico il 4-6 febbraio 2016, problem fifty years later”. sabato 14 novembre: la mattina presso la nella bella città di Mérida, poco distante dal Infine dal 9 al 14 novembre ha avuto luogo Fondazione Golinelli, con molte relazioni tra cui sito archeologico Maya di Chichen Itza e di uno “Bologna s’illumina”, una settimana di incontri quelle di V. Cimino (storica dell’arte), P. Guidoni dei primi osservatori astronomici, El Caracol pubblici, laboratori, spettacoli ed eventi (astronauta), G. Bertolucci e A. Zoccoli, ancora (il sito è patrimonio UNESCO). All’evento finale speciali dislocati in vari punti della città, tutti sotto la vivace e divertente conduzione dell’IYL 2015 saranno presenti figure chiave sulla luce, spaziando dalla fisica alla biologia, di P. Roversi, e il pomeriggio in chiusura di questo anno internazionale, tra cui leader dall’astronomia alla chimica fino all’arte, all’Accademia delle Scienze dell’Istituto di e rappresentanti del mondo accademico, alla storia, alla filosofia. La manifestazione, Bologna, con le relazioni di A. Bettini, R. Simili, industriale, diplomatico e politico, provenienti che ha coinvolto un vasto pubblico, è stata A. Roda e B. Marano. Sono state ripercorse le da tutto il mondo. promossa dall’Università di Bologna, l’Istituto tappe della scoperta della natura della luce, Nazionale di Fisica Nucleare, l’Istituto in particolare a partire dalla pubblicazione del Luisa Cifarelli, Angela Oleandri Nazionale di Astrofisica, la Società Astronomica De Lumine, avvenuta 350 anni fa, come opera Italiana (SAIt) e la Fondazione Golinelli, in postuma del bolognese Francesco Maria collaborazione con la SIF. Dopo l’esordio del 9 Grimaldi. novembre con la conferenza di P. De Bernardis L’evento conclusivo italiano dell’IYL 2015 e

Bologna Milano Chichen Itza

vol31 / no5-6 / anno2015 > 85 news

INAUGURATA A GENOVA UNA NUOVA GRANDE MOSTRA SU ENRICO FERMI

Lo scorso 22 ottobre, è stata inaugurata combinando in maniera innovativa oggetti fenomeni e al contempo capace di progettare al Museo Civico di Storia Naturale “Giacomo (modelli e riproduzioni) e pannelli tradizionali e realizzare ingegnosi esperimenti in grado Doria” di Genova, nell’ambito delle con apparati espositivi avanzati, prodotti di verificarle. Le sue teorie e le sue scoperte manifestazioni del Festival della Scienza 2015, multimediali, filmati e sonori. Al centro della sperimentali hanno avuto un enorme impatto la Mostra (http://www.mostrafermi. Mostra, l’esposizione dell’originale di un per la scienza moderna. it/): inedito quaderno di laboratorio di Fermi La Mostra ripercorre le maggiori e ENRICO FERMI – A DUAL GENIUS BETWEEN del 1934, ritrovato ad Avellino tra le carte formidabili conquiste scientifiche di Fermi, con THEORIES AND EXPERIMENTS / UNA DUPLICE del suo collaboratore Oscar D’Agostio, che una presentazione ricca di exhibit interattivi, GENIALITÀ TRA TEORIE ED ESPERIMENTI testimonia una delle sue maggiori scoperte: pannelli retroilluminati, schermi tattili La Mostra, realizzata a cura del Museo la radioattività indotta da neutroni. (touchscreen), oggetti esposti e video che la Storico della Fisica e Centro Studi e La Mostra discende da un progetto, frutto rendono adatta al grande pubblico, compresi i Ricerche “Enrico Fermi” (Centro Fermi), in di un gruppo di fisici e storici della fisica giovanissimi. collaborazione con la Società Italiana di Fisica che ha operato per diversi mesi, e mira a La Mostra è organizzata in “tappe”. Oltre alla (SIF) e con il sostegno della Sezione INFN di mettere in rilievo la grandezza di Enrico Fermi, prima tappa che invita a visitare la Mostra, ci Bologna, vuole illustrare le grandi conquiste la sua straordinaria figura di maestro e di sono altre nove sezioni che coprono la parte scientifiche di Fermi, un uomo dalla mente gigante della fisica del XX secolo attraverso scientifica della vita di Fermi, la sua vita privata creativa eccezionale, dalla duplice genialità la presentazione di vari aspetti, umani e e l’ambiente in cui ha lavorato, e per finire una “in equilibrio” tra teorie ed esperimenti. scientifici, della sua vita. sezione che illustra i progetti del Centro Fermi: Queste conquiste, integrate nelle varie tappe Enrico Fermi, paradossalmente più noto della vita dello scienziato, sono presentate all’estero che in Italia, fu una mente creativa 1. Invito alla mostra con una nuova chiave di lettura adatta al eccezionale, capace di avere geniali intuizioni 2. Una vita scintillante grande pubblico, compresi i giovanissimi, in termini di comprensione teorica dei 3. Il nostro universo di fermioni e bosoni

86 < il nuovo saggiatore 4. La formidabile teoria dei raggi beta Fermi nella rivista Il Nuovo Cimento. tecnologiche per realizzarli. Al termine della 5. Un Premio Nobel tutto italiano L’evento inaugurale della Mostra è stato la conferenza il pubblico è andato a visitare la 6. Un ambiente creativo Lectio Magistralis di Antonino Zichichi, primo Mostra manifestando grande soddisfazione e 7. “Il navigatore italiano è sbarcato nel nuovo presidente fondatore del Centro Fermi e autore apprezzamento. mondo …” di una prima mostra itinerante inaugurata a La Mostra resterà aperta fino al 10 gennaio e 8. Il mistero dei raggi cosmici Roma nel 2007, dal titolo: “Enrico Fermi e il a essa è abbinato un programma di conferenze 9. E adesso gli acceleratori fuoco nucleare di pace”. e di proiezioni di documentari che si 10. L’ultimo dono di Fermi all’Italia La conferenza di Zichichi, dal titolo: svolgeranno nel grazioso anfiteatro del Museo 11. I progetti del Centro fermi. “Il più grande Galileiano del XX secolo Civico. – omaggio a Enrico Fermi” si è tenuta il Siete tutti invitati ad andare! All’entrata della Mostra è stato allestito un 24 ottobre presso l’Aula Magna del Liceo Varie sedi si sono fatte avanti per ospitare piccolo bookstore dove sono presentati vari Classico “Andrea D’Oria” di Genova, situato la Mostra in attesa che venga allestita a volumi e pubblicazioni della Società Italiana a pochi passi dal Museo Civico di Storia Roma, nella sua destinazione finale nel di Fisica collegati alla vita di Fermi, tra cui la Naturale. In un’aula strapiena di scienziati, Museo Fermiano di via Panisperna, la sede novità editoriale Enrico Fermi e il quaderno studenti e grande pubblico, Zichichi ha istitutzionale del Centro Fermi, che sarà pronta, ritrovato di F. Guerra e N. Robotti, che analizza ricordato con la sua consueta passione, e dopo una lunga fase di restauro, alla fine del il quaderno di laboratorio rinvenuto dagli l’innata capacità di rendere semplici i concetti 2016. autori stessi solo in anni recenti ad Avellino più complessi, la straordinarietà di Enrico ed esposto per la prima volta nella Mostra. è Fermi e la sua incredibile mente creativa Luisa Cifarelli, Angela Oleandri inoltre presente nella Mostra un touchscreen che riusciva a eccellere in tutti i settori dove sono riportate in forma digitale e principali della scienza: l’analisi teorica, la liberamente sfogliabili tutte le pubblicazioni di progettazione di esperimenti e le invenzioni

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il premio nobel per la fisica 2015

Photo: K. McFarlane. Queen’s University / Photo © Takaaki Kajita SNOLAB

Takaaki Kajita Arthur B. McDonald

Il Premio Nobel per la Fisica 2015 è stato assegnato congiuntamente vuoto ma nella materia, molto densa nel caso dei neutrini prodotti nel a Takaaki Kajita, dell’Università di Tokio dell’esperimento centro del sole. SuperKAMIOKANDE, e ad Arthur B. McDonald, dell’Università di Queen’s Questa serie di esperimenti, a cui accennerò più avanti, culminarono a Kingston, dell’esperimento SNO, “per la scoperta delle oscillazioni del con la scoperta dei due fenomeni premiati quest’anno. In effetti la neutrino, che dimostra che i neutrini hanno massa”. motivazione del premio non è precisa, perché i fenomeni sono, appunto, Che i neutrini abbiano massa non nulla, come i loro “fratelli” leptoni due, l’oscillazione e la transizione adiabatica di sapore. Il primo fu carichi e come i quark, non è in sé sorprendente, ma lo è perché il definitivamente stabilito da SuperKAMIOKANDE [1], SK per brevità, con i Modello Standard (MS) delle interazioni fondamentali è costruito neutrini atmosferici, il secondo da SNO [2] (Solar Neutrino Observatory) assumendo che i tre neutrini abbiano massa nulla. In altre parole con i neutrini solari. Entrambi i fenomeni possono avvenire se i neutrini il meccanismo di Brout, Englert e Higgs, così come realizzato nel MS, hanno massa non nulla. non dà, unici tra i fermioni elementari, massa ai neutrini. Entrambi gli esperimenti rivelano le particelle cariche, specificamente Ci sono tre “famiglie” di leptoni, ciascuna composta di un leptone l’elettrone e il µ, prodotti dai rispettivi neutrini, tramite la luce emessa – – – carico e del “suo” neutrino; (e , νe), (µ , νµ) e (τ , ντ) e le corrispondenti per effetto Cherenkov in acqua. Si tratta di grandi volumi in un antiparticelle. Ciascuna famiglia è caratterizzata da un numero quantico contenitore le cui pareti sono coperte di fotomoltiplicatori. Questi addittivo, chiamato “sapore”. L’elettrone e il neutrino elettronico hanno danno l’immagine dell’intersezione del cono di luce, che avanza con la “sapore elettronico” +1, il positrone e l’antineutrino elettronico, sapore particella, con la parete. È un anello che fornisce le misure della direzione elettronico –1. Analogamente per i sapori “muonico” e “tauonico”. e dell’energia della particella. Inoltre la sua immagine più o meno netta Le interazioni deboli conservano i sapori, così, ad esempio, nel permette di distinguere µ da elettroni. SK contiene 50000 t di acqua, la decadimento beta sono prodotti un elettrone e il suo antineutrino. cui parte centrale, per 22000 t, è usata come volume di fiducia. Come si rivela il sapore di un neutrino? Interagendo con la materia il La fig. 1 mostra SNO durante la costruzione mentre, la fig. 2 un anello neutrino può produrre tramite scambio di W± un leptone carico, che ne Cherenkov in SuperK. identifica il sapore. Il MS assume che un neutrino nato con sapore, ad SNO contiene 1000 t d’acqua pesante, che permette, con la presenza esempio, muonico, quando interagisce produca sempre un µ, mai un di neutroni, di rivelare, oltre ai leptoni carichi, anche le interazioni elettrone o un τ. La conclusione è basata su di una serie di esperimenti di neutrini con scambio di Z0 che non producono un leptone carico. ai laboratori con acceleratori di alte energie nella seconda metà del Questo tipo di interazione è indipendente dal sapore dei neutrini; tutti secolo scorso, su fasci di neutrini che viaggiavano nel vuoto su distanze interagiscono con la stessa sezione d’urto. dell’ordine delle centinaia di metri. Comincio con le oscillazioni. Per semplicità supponiamo che ci siano

A partire dagli anni ‘70 però, esperimenti in laboratori sotterranei, solo due neutrini, νµ e ντ. Questi sono gli stati prodotti dall’interazione costruiti per ridurre i fondi radioattivi, cominciarono a mostrare che forse debole, ma, se i neutrini hanno massa e sono “mescolati”, non sono le cose stavano diversamente. Erano basati sull’osservazione di neutrini gli stati di massa definita, ma sovrapposizioni quantistiche di questi,

da sorgenti naturali, il sole e le collisioni di raggi cosmici nell’atmosfera. chiamati ν2 e ν3, Rispetto agli esperimenti agli acceleratori, due sono le differenze , importanti:

1) le distanze tra sorgente e rivelatore sono molto maggiori, migliaia dove θ23 è chiamato angolo di mescolamento (in realtà ce ne sono di chilometri per i neutrini atmosferici, 150 milioni per i neutrini solari; altri due, θ12 e θ13). Agli stati stazionari ν2 e ν3 corrispondono onde 2) i neutrini percorrono un cammino, che è, almeno in parte, non nel monocromatiche di frequenze dipendenti dalle loro masse m2 e m3.

88 < il nuovo saggiatore Fig. 1 Il Solar Neutrino Obseravtory in costruzione. Fig. 2 Un anello Cherenkov, il colore codifica l’intensità del segnale. © Lawrence Berkeley National Laboratory, foto: Roy Kaltschmidt. © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokio.

Quindi un fascio di νµ di energia definita è un’onda dicromatica. Le due scoperta dell’oscillazione e del fatto che questa non avveniva verso νe. componenti monocromatiche sono inizialmente in fase, ma col tempo si Tra i neutrini noti avrebbe dovuto essere verso ντ, ma SK non poteva sfasano e la probabilità di osservare il sapore diverso da quello iniziale, ντ escludere fosse verso qualche tipo di neutrino ignoto, o altro. nell’esempio, che inizialmente è nulla, gradualmente cresce, raggiungere È spesso difficile identificare il ruolo dei singoli ricercatori in un un massimo e poi decrescere di nuovo, mentre quella di osservare νµ esperimento di grande collaborazione come SK, ma, in questo caso, decresce, raggiunge il minimo e ricresce. Questo è il fenomeno delle quello di leadership intellettuale di Kajita nell’analisi dei dati sui neutrini oscillazioni, simile a tutti i sistemi quantici a due stati. In formule, la atmosferici è chiarissimo. È però triste che Yogi Totzuka, che guidò la probabilità di osservare ντ in un fascio originalmente di νµ di energia E costruzione dell’apparato, ci abbia lasciato ormai da qualche anno. (in GeV) alla distanza L (in km) per una differenza di massa∆ m23 in eV è Storicamente, SK è il successore di un esperimento simile, ma più piccolo, KamiokaNDE appunto, acronimo per Kamioka (il luogo) . Nucleon Decay Experiment, il cui obiettivo principale era la ricerca del decadimento del protone. L’esperimento rivelò i neutrini solari e quelli Un esperimento a distanza sufficiente dalla sorgente può quindi dalla supernova SN 1987a, il che portò al premio Nobel M. Koshiba, rivelare la scomparsa del sapore originale, come deficit di flusso, o la assieme a R. Davis di cui dirò più avanti, nel 2002, “per i contributi comparsa del nuovo. Dato che le differenze di massa sono molto piccole, pioneristici all’astrofisica in particolare per la rivelazione dei neutrini occorrono distanze grandi. cosmici”. A partire dalla metà degli anni 1980, si erano osservate anomalie I neutrini atmosferici dovevano essere studiati come la principale nei neutrini atmosferici. La quantità misurata era il “doppio rapporto”, fonte di fondi al decadimento del protone, sia in KamiokaNDE sia in SK, cioè il rapporto osservato/aspettato per i µ diviso per l’analogo per e Kajita ricorda, nell’intervista telefonica da Stoccolma dopo l’annuncio gli elettroni. Questa grandezza infatti è meno sensibile alle incertezze del premio, “I noticed that there is something strange happening there. teoriche nel calcolo dei flussi attesi dei rapporti singoli. Esso veniva So that is the beginning of my research on neutrinos”. misurato in funzione dell’angolo con la verticale. All’aumentare di Nella stessa conferenza Neutrino1998, l’esperimento MACRO [3] nei questo aumenta la distanza del punto di produzione, che è comunque in Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, presentò i suoi dati atmosfera, da una decina a 12000 km circa. A grandi lunghezze di volo sulla dipendenza dall’angolo con la verticale del flusso diν µ (non era il doppio rapporto diminuiva sostanzialmente. Ma non era chiaro quale sensibile a νe) integrato sull’energia. MACRO era un rivelatore tracciante e ne fosse la causa. Ad esempio, erano troppi gli elettroni o troppo pochi i confermava il deficit a grandi distanze, in accordo col Cherenkov. µ? Inoltre, l’effetto era mostrato dai rivelatori Cherenkov, ma poco o per Un decennio più tardi, l’esperimento OPERA al Gran Sasso su un fascio niente da quelli traccianti. di νµ dal CERN, dimostrerà per osservazione diretta che i νµ scomparsi Alla conferenza “Neutrino 1998”, Takaaki Kajita presentò, a nome appaiono, nella maggioranza, come ντ. della collaborazione, i risultati di SK, che chiarivano definitivamente la Dal punto di vista teorico, un fenomeno di oscillazione, in forma un po’ diversa, era stato ipotizzato già nel 1957 da B. Pontecorvo situazione. Il flusso diν µ prodotti nell’atmosfera vicina risultò uguale alle previsioni, ma diminuiva al crescere della distanza sino a dimezzarsi [4]. Si conosceva un solo tipo di neutrini allora, e l’ipotesi fu che a migliaia di chilometri. Inoltre, cosa importante, la variazione era l’oscillazione fosse tra neutrino ed antineutrino, in analogia ai mesoni diversa nei diversi intervalli di energia, esattamente come previsto K neutri e quindi con angolo di mescolamento massimo, di π/4. Subito dopo la scoperta del secondo neutrino nel 1962, i teorici K. Maki, dall’ipotesi di oscillazione. Al contrario, il flusso diν e risultò uguale alle previsioni su tutte le distanze e in tutti gli intervalli di energia. Era la M. Nakagawa e S. Sakata [5] ipotizzarono che i neutrini di sapore

vol31 / no5-6 / anno2015 > 89 definito fossero mescolamenti degli autostati di massa e che ci potesse compaiono sezioni d’urto di processi nucleari a energie molto basse, essere l’oscillazione . Uno studio fenomenologico più dettagliato fu dove la barriera coulombiana le rende piccolissime, così piccole che fatto da B. Pontecorvo da solo nel 1967 [6] e con V. Gribov [7] nel 1968, non erano state misurate. I valori nel modello erano ottenuti per considerando oscillazioni sia tra neutrini e antineutrini sia tra sapori estrapolazione da energie più alte. In particolare, il puzzle si poteva diversi. spiegare se l’estrapolazione della sezione d’urto 3He + 3He → 4He + 2p La transizione adiabatica è un altro fenomeno capace di indurre non avesse corrisposto alla realtà. La misura di così piccole sezioni il cambio di sapore tra i neutrini. A differenza delle oscillazioni, è un d’urto deve essere fatta in sotterraneo, per evitare fondi eccessivi. E nei fenomeno dinamico, che avviene non nel vuoto, ma nella materia. LNGS fu sviluppato il progetto LUNA. Nel 1998 LUNA pubblicò la misura È dovuto al potenziale di interazione tra neutrini ed elettroni. Questo è della sezione d’urto menzionata alle energie a cui accade nel sole. diverso per neutrini elettronici, che interagiscono sia con scambio di W± L’estrapolazione era giusta. La “soluzione nucleare” del puzzle doveva sia di Z0, e per gli altri sapori, che possono scambiare solo Z0. Nel 1978 essere scartata. Wolfenstein [8] notò come la diffusione coerente in avanti modificasse A questo punto, il colpevole doveva essere il neutrino. Ma non c’era

l’indice di rifrazione dei neutrini in maniera diversa dei νe dagli altri. Il ancora la prova completa che si trattasse di conversione adiabatica. meccanismo rilevante, fu però proposto da Mikheyev e Smirnov [9] Bisognava stabilire sperimentalmente quale fosse il processo nel 1985. Esso avviene quando i neutrini attraversano un mezzo di responsabile. Lo fece SNO. densità variabile, come accade dal centro alla periferia del sole. Nel A. McDonald fu sin dall’inizio, nel 1984, la guida del progetto, della suo centro, dove la densità è molto grande, i neutrini sono prodotti col costruzione e messa in funzione dell’esperimento. Grazie all’uso di sapore elettronico, che, a quella densità, è anche autostato di massa. Gli 1000 t di acqua pesante, come ricordato, l’esperimento era in grado sia autostati nella materia sono sovrapposizioni di stati di sapore definito di rivelare separatamente gli elettroni prodotti dai neutrini elettronici diversi che nel vuoto, dipendenti dalla densità del mezzo. Può accadere, sia gli eventi, di “corrente neutra”, prodotti da tutti e tre i sapori. Nel 2002 e nel sole accade per energie superiori a qualche MeV, che i neutrini il primo risultato [2]: il flusso dei primi era circa un terzo del modello che viaggiano verso l’uscita, incontrino un incrocio di livelli. Allora, solare, ma quello di tutti i sapori era esattamente quanto predetto da – adiabaticamente, il νe si trasforma, per la precisione, in (νµ + ντ)/√2. Bahcall. I neutrini dal sole oscillano. Si noti che l’oscillazione è un fenomeno cinematico, di interferenza, All’osservazione del giornalista nell’intervista “What a lovely result, and in cui conta la fase relativa delle onde che interferiscono, la transizione it also must be enormous fun to play with such kit”, McDonald risponde “It’s adiabatica non ha nulla a che fare con la fase, è, come detto, un fun, once you get there” , non era stato facile, “[…] you have the ability to fenomeno dinamico. observe particles that come directly from the core of the sun”. A partire dagli inizi degli anni 1960, J. Bahcall [10] sviluppò il “modello L’esperimento BOREXINO a LNGS misurerà nel decennio successivo, le solare standard”, che prevedeva accuratamente il flusso e lo spettro diverse componenti dello spettro dei neutrini elettronici solari. energetico dei neutrini prodotti nel nucleo del sole. R. Davis (premio Vedi anche: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/ Nobel con M. Koshiba per la fisica nel 2002, come sopra ricordato) physics/laureates/2015/advanced-physicsprize2015. costruì un esperimento radiochimico, sensibile ai soli neutrini elettronici pdf nella parte di maggiore energia dello spettro, tramite la “rezione di 37 37 – Pontecorvo” νe + Cl → Ar + e . Scoprì che ne arrivavano circa un terzo. A. Bettini Ci vollero quattro decenni per risolvere il problema, che divenne noto Università di Padova, INFN, Sezione di Padova come “l’enigma dei neutrini solari”. Chi era il colpevole? Il modello solare? La fisica nucleare? Il neutrino? Tappa fondamentale fu il contributo di GALLEX [11] a LNGS, che per primo rivelò i neutrini elettronici solari a bassa energia, la parte Bibliografia dello spettro in cui le previsioni sono molto solide, tramite la reazione 71 71 – [1] Y. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett., 81 (1988) 1562. νe + Ga → Ge + e . Nel 1995 la precisione raggiunta da GALLEX era tale che un secondo “enigma” emerse, l’enigma del 7Be-8B. Il problema [2] Q. R. Ahmad et al., Phys. Rev. Lett., 89 (2002) 011301. è il seguente. Ci sono tre principali componenti della generazione [3] M. Ambrosio et al., Phys. Lett. B, 566 (2003) 35. + [4] B. Pontecorvo; JINR Preprint, P-95 (1957). dei neutrini elettronici nel sole: 1) la fusione pp (p+p → d+e +ν ), e [5] Z. Maki, M. Nakagawa, Y. Ohnuki and S. Sakata; Progr. Theor. Phys., che domina, ma produce neutrino di energia bassa, 2) la reazione di 23 (1960) 1270. 7Be (7Be+e– → 7Li + + ), 3) la reazione di 8B (8B → 24He+e++ ). γ νe νe [6] B. Pontecorvo; Zh. Eksp. Teor. Fiz., 53 (1967) 1717. GALLEX misurò la somma dei tre flussi. Sottraendo il flusso pp, che è ben 8 [7] V. Gribov and B. Pontecorvo, Phys. Lett. B, 28 (1969) 493. noto dalla luminosità del sole, e il flusso del B, che era stato misurato [8] L. Wolfenstein, Phys. Rev. D, 17 (1978) 2369. 7 da Kamiokande, si doveva trovare il flusso del Be. Ma il risultato fu un [9] S.P. Mikheyev and A.Y. Smirnov, Nuovo Cimento C, 9 (1986) 17. valore negativo, anche tenendo conto delle incertezze. Ma questo non [10] Per una storia del modello solare, J. N. Bahcall. “Solar Models: An può essere, perché, indipendentemente dai dettagli del modello solare, historical overview”, Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), 118 (2003) 77. il 8B, osservato, è figlio del7 Be tramite la reazione 7Be + p → 8B + γ. [11] Per una storia degli esperimenti radiochimici, T. A. Kirsten. Questo escludeva la “soluzione solare” del puzzle. “Radiochemical solar neutrino experiments: door open for modern Ma rimaneva aperta un’altra possibilità. Nel modello solare Astroparticle Physics.”, Il Nuovo Saggiatore, 31, n. 1-2 (2015) 46.

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La Fisica universitaria in una prospettiva di genere: 1980-2015

Premessa Questi dati sembrano indicare soprattutto, a nostro parere, un L’esperienza diretta, prima ancora di qualunque statistica, ci mostra grave limite del nostro sistema scolastico pre-universitario e della sua la permanente esistenza di profonde barriere culturali che hanno capacità di orientamento. Che cosa tiene lontane da discipline come indirizzato e continuano a indirizzare e condizionare le scelte di studio la Matematica, l’Informatica, la Fisica, la Geologia o l’Ingegneria le di molte donne, pur motivate all’acquisizione di competenze avanzate ragazze italiane, che pure non sembrano refrattarie nei confronti di studi e interessate a un possibile inserimento in professioni legate al mondo altrettanto impegnativi anche sotto il profilo “tecnologico” come quelli di della ricerca teorica e applicata. Chimica, di Biologia o di Medicina? Esiste un’evidente attrazione verso determinati percorsi formativi, Tale fenomeno ha risvolti preoccupanti anche su un piano strategico, quelli che oggi vengono comunemente identificati con le formule di proprio in un Paese, come il nostro, che sta scontando una grave “scienze umane” e di “scienze della vita”, mentre le donne appaiono arretratezza rispetto agli altri Paesi avanzati e a quelli in via di sviluppo tuttora in larga misura respinte da quegli ambiti di studio e di proprio nei processi di innovazione che coinvolgono in maniera sempre formazione che si caratterizzano per un più elevato contenuto più importante lo sviluppo di competenze proprio in quei campi tecnologico. disciplinari che sembrano presentare minor interesse culturale (e in Non indagheremo in questa sede le origini storiche e sociali di questi prospettiva professionale) per la maggioranza delle ragazze italiane. orientamenti e non analizzeremo in dettaglio i limiti specifici della nostra Esiste sicuramente un’immagine pubblica di alcune scienze che, formazione primaria e secondaria, che a loro volta condizionano le scelte almeno in Italia, le rende meno attrattive di altre in una prospettiva (per successive, ma ci limiteremo a sottolineare che non si tratta comunque così dire) di genere, ancorché tale mancanza di capacità di attrazione di un fenomeno universale, almeno nel mondo attuale, in quanto in non appaia riconducibile ad alcuna identificabile differenza tra maschi e molti Paesi sviluppati questa polarizzazione delle scelte è oggi assai femmine. meno marcata, se non addirittura quasi assente. Esiste tuttavia almeno un altro riconoscibile motivo che concorre ad Per un’analisi più precisa di queste dinamiche ci vengono comunque allontanare le donne da determinate discipline: si tratta del feedback in aiuto alcune statistiche1. negativo derivante proprio dalla scarsa presenza femminile in quegli Ci pare interessante confrontare la variazione della percentuale di stessi ambiti. Se per alcune donne tale scarsa presenza può apparire ricercatrici universitarie nelle differenti aree disciplinari tra il 1980 e come uno stimolo e una sfida, per la maggioranza è certamente un il 2015, tenendo conto del fatto che globalmente tale percentuale è segnale di forte ostilità (e quindi di repulsione) da parte di contesti nei passata dal 41% al 46%, per cui almeno a questo livello la presenza quali la preponderante presenza maschile lascia facilmente presagire femminile, pur senza essere esattamente paritaria, non sembra soggetta anche livelli di competitività e di aggressività non facilmente accettabili a discriminazioni confrontabili con quelle presenti in altri contesti proprio in un’ottica di genere. nazionali, come la politica e il management. Ebbene, pur nel quadro di un complessivo miglioramento della presenza femminile, ci sono aree che, partendo da valori del tutto 2 L’andamento numerico complessivo e per fasce rispettabili nel 1980, hanno visto una vera e propria recessione, come La presenza femminile all’interno della docenza universitaria nell’area l’area delle Scienze Matematiche e Informatiche, passata dal 56% del fisica è sempre stata pesantemente minoritaria. In particolare nel 1980, 1980 al 41% del 2015, e l’area delle Scienze della Terra, passata dal 39% all’inizio del periodo preso in esame, le donne rappresentavano soltanto al 32%. L’area delle Scienze Fisiche è ferma al 26-27%, mentre l’unico il 14% del totale della docenza, con una distribuzione tra le fasce assai settore delle scienze “dure” in cui l’evoluzione ha un segno positivo disomogenea, in quanto mentre la percentuale delle ricercatrici (RU) è quello delle Scienze Chimiche, giunte da un già significativo 44% rappresentava il 27% della fascia, quella delle associate (PA) scendeva al all’attuale 59%. 12% e quella delle ordinarie (PO) si riduceva a un misero 5%. Dopo una piccola risalita nella seconda fascia all’inizio degli anni Novanta la situazione rimase pressoché immutata fino all’anno 2000, 1 Tutti i dati presentati sono il risultato di elaborazioni dell’autore a partire da quando le percentuali erano rispettivamente del 26% per le ricercatrici, fonti CINECA, ISTAT, Ufficio di Statistica del MIUR, dagli Annuari del Ministero del 15% per le associate e del 5% per le ordinarie, a rappresentare con della Pubblica Istruzione per gli anni 1983, 1987, 1992 e 1995 e dal Rapporto tutta evidenza il fenomeno del “soffitto di vetro” per cui la progressione sullo stato del sistema universitario e della ricerca 2014 dell’ANVUR. Alcuni nelle carriere continuava a vedere le donne in posizione di costante risultati relativi all’intero sistema universitario sono apparsi nell’articolo di svantaggio. F. Marzano e P. Rossi, Le dinamiche di reclutamento e di carriera delle donne A partire dall’anno 2000 sembrava essersi attivato un meccanismo nel sistema universitario italiano, ASTRID Rassegna 12 settembre 2008 n.77 e di parziale recupero dello squilibrio di genere, con una risalita media nell’articolo di R. Frattini e P. Rossi, Report sulle donne nell’Universita’ italiana, di un punto percentuale ogni tre anni per le due fasce dei professori, Menodizero, Anno III, N.8-9 (2012).

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ANNO Ricercatrici Associate Ordinarie 1980 99 27% 98 12% 19 5% 1981 99 27% 98 12% 19 5% 1982 99 27% 98 12% 19 5% 1983 119 26% 98 12% 19 5% 1984 132 25% 100 12% 19 5% 1985 131 26% 135 13% 19 5% 1986 131 25% 135 13% 20 5% 1987 128 25% 136 15% 29 5% 1988 124 28% 146 14% 32 5% 1989 125 28% 144 14% 32 5% 1990 146 27% 139 14% 33 5% 1991 152 25% 133 14% 34 5% 1992 152 26% 151 14% 33 5% 1993 159 25% 154 14% 33 5% 1994 166 25% 150 15% 36 5% 1995 175 25% 148 15% 34 5% 1996 180 24% 143 15% 32 5% 1997 187 24% 140 15% 31 5% 1998 198 25% 141 15% 30 5% 1999 200 26% 144 14% 30 5% 2000 202 26% 137 15% 37 5% 2001 205 27% 150 16% 46 6% 2002 231 29% 149 16% 53 6% 2003 225 29% 144 16% 53 6% 2004 225 29% 143 16% 54 6% 2005 232 29% 153 16% 57 7% 2006 240 30% 162 17% 60 7% 2007 237 29% 160 17% 62 7% 2008 250 28% 154 17% 58 7% 2009 246 28% 148 17% 56 8% 2010 238 27% 143 18% 51 8% 2011 236 27% 144 18% 50 9% 2012 228 26% 136 18% 49 9% 2013 224 26% 133 18% 53 11% 2014 186 26% 162 20% 54 11% Tabella I.

fig. 1 fig. 2

92 < il nuovo saggiatore News paolo rossi: La Fisica universitaria in una prospettiva di genere: 1980-2015

fino ai valori attuali (20% per le associate e 11% per le ordinarie). Si 5 L’età media e la distribuzione in età al reclutamento deve tuttavia notare che, dopo una fase di rapida crescita fino al 30% Merita invece sottolineare che non si registrano significative differenze del 2006, la percentuale delle ricercatrici ha iniziato a scendere (per il di genere per quanto riguarda la distribuzione in età al reclutamento, in concomitante effetto delle promozioni e del blocco del reclutamento) ed tutti i casi assai ben descritta da una curva di Gompertz caratterizzata è oggi nuovamente attestata intorno al 26% (tabella I e fig. 1). da una decrescita esponenziale della probabilità di ingresso in funzione Nel complesso le donne oggi rappresentano il 20% del personale della distanza dall’età media di reclutamento. Quanto all’età media, e docente di ruolo nell’area della fisica, all’esito di un andamento con riferimento specifico all’ultimo quindicennio, si rileva una differenza sostanzialmente parallelo a quello della fascia degli associati; per effetto di genere quasi trascurabile nella fascia dei ricercatori (0,7 anni in media del blocco del turnover e della messa a esaurimento dei ricercatori, e di ritardo per le donne) e non si riscontra alcuna differenza significativa anche per alcune considerazioni che saranno presentate nel seguito, nella fascia degli ordinari, mentre nell’accesso alla fascia degli associati le questo valore ben difficilmente potrà essere superato nel futuro donne sono penalizzate da un ritardo medio di circa due anni. prossimo.

6 Conclusioni 3 La dipendenza dal settore scientifico-disciplinare L’esito complessivo delle analisi che abbiamo riportato si può La presenza femminile nei diversi settori della Fisica non appare riassumere in poche (e frustranti) considerazioni. affatto omogenea. Escludendo dall’analisi i settori FIS/06 e FIS/08, nei Da un lato è evidente che il divario di genere nella Fisica italiana quali i numeri sono troppo piccoli per essere statisticamente significativi, è ancora elevatissimo e non accenna a diminuire se non per l’effetto notiamo innanzitutto che il trend di crescita avviatosi a partire dal 2000 demografico ritardato di una crescita avvenuta nei decenni precedenti è comune a tutti i settori, ma con esiti molto differenti a partire da a partire da livelli di divario ancor più gravi. I valori percentuali del condizioni iniziali già molto diversificate. Così mentre il settore FIS/07 reclutamento (molto inferiori al 50%) fanno prevedere che nel medio passa dal 19% del 1980 all’attuale 33% e il settore FIS/04 passa dal 14% periodo il livello della presenza femminile si attesterà su tali valori, senza al 23%, il settore FIS/01 si limita a progredire dal 16% al 19%, facendosi che si configuri al momento alcuna prospettiva di reale equilibrio. quindi raggiungere dai settori FIS/03 e FIS/05, che invece partivano D’altro lato è altrettanto evidente che il fenomeno del “soffitto di dal 10 e dall’11%. Del tutto particolare l’andamento del settore teorico vetro” è ben lontano dallo scomparire: la progressione di carriera delle FIS/02 che partendo dal 6% è fermo da tempo sul 10%. donne avviene con probabilità decisamente inferiore a quella degli Gli andamenti nelle fasce riflettono proporzionalmente l’andamento uomini, come rappresentato dal fatto che le percentuali di donne generale sopra descritto. al reclutamento, oltre che basse in assoluto, risultano fortemente decrescenti risalendo la scala gerarchica (16% per le ordinarie, a confronto con il 25% delle ricercatrici). Il confronto con i dati riportati 4 L’andamento del reclutamento dal Rapporto She Figures 20132 mostra tuttavia che non si tratta di una L’andamento del reclutamento dal punto di vista del genere è forse il specificità italiana, ma di un fenomeno diffuso in tutti i Paesi con cui ci dato più interessante che si può estrarre dall’analisi. Per ottenere numeri compariamo: si tratta tuttavia di una ben magra consolazione. statisticamente significativi e rimuovere le ampie fluttuazioni dovute In conclusione il cammino verso un’effettiva parità di genere all’erraticità delle scadenze concorsuali siamo stati tuttavia costretti a nel mondo della fisica appare ancora assai lungo e irto di ostacoli mediare su archi di tempo decisamente superiori all’anno: abbiamo apparentemente non soltanto materiali, ma forse soprattutto sociali e quindi preso in esame sette periodi quinquennali. culturali. Notiamo in primo luogo che si conferma per il reclutamento la netta distinzione tra il ventennio 1980-1999 e il periodo che inizia nel 2000. Paolo Rossi Nel primo periodo i valori del reclutamento per ordinari e associati Dipartimento di Fisica, Università di Pisa non differiscono se non marginalmente dai valori iniziali, mentre il reclutamento delle ricercatrici è addirittura percentualmente inferiore a quello iniziale, e questo spiega bene il motivo per cui le percentuali di presenza femminile fino al 2000 sono pressoché uguali a quelle riscontrate nel 1980. Paolo Rossi La situazione cambia bruscamente nel quinquennio 2000-2004, Paolo Rossi (Bologna 1952) è professore ordinario di Fisica Teorica quando le percentuali di reclutamento passano al 30% per le ricercatrici, all’Università di Pisa dal 2000 e membro del Consiglio Universitario al 20% per le associate e al 10% per le ordinarie. Nel seguito, a Nazionale dal 2007. Da tempo si occupa delle dinamiche della docenza spiegazione e conferma di quanto già osservato in precedenza, le universitaria, con particolare attenzione ai condizionamenti di genere percentuali per le due fasce dei professori continuano a crescere, fino nelle carriere. a raggiungere rispettivamente il 25% per le associate e il 16% per le ordinarie, ma segnano un progressivo e preoccupante declino nel caso delle ricercatrici, anche se il fenomeno potrebbe essere in parte dovuto alla messa a esaurimento del ruolo e alla conseguente drastica riduzione del numero dei concorsi, che (come in casi simili) ha spinto alla prevalenza di logiche spesso perniciose per il reclutamento femminile. In ogni caso è importante osservare che, pur in presenza di un trend di crescita, le percentuali di presenza femminile nei ruoli potranno forse raggiungere le percentuali al momento del reclutamento, ma 2 European Commission, She Figures 2013. Gender in Research and certamente non potranno mai superarli (fig. 2). Innovation.

vol31 / no5-6 / anno2015 > 93 recensioni

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94 < il nuovo saggiatore in evidenza

Curvare i raggi X the average number of M-dwarf planets Colonne esagonali di basalto that are between 0.5 to 1.5 times the size of Molti degli elementi ottici che si usano Earth is at least 1.4 per star. The nearest such Le foreste di colonne di basalto, disposte l’una comunemente nel visibile non sono disponibili, planets known to transit their star are 39 accanto all’altra come giganteschi organi, sono o lo sono con difficoltà, per i raggi X. Dispositivi parsecs away, too distant for detailed follow- un’appassionante fenomeno. Come è possibile di ottica X integrati potrebbero permettere di up observations to measure the planetary che le loro sezioni siano così simili l’una all’altra e realizzare strutture più semplici e di dimensioni masses or to study their atmospheres. Here siano tutte con buona approssimazione esagoni ridotte. L’articolo mostra risultati sulla we report observations of GJ 1132b, a planet regolari? I ricercatori di Dresda e Dortmund propagazione di raggi X in una guida curva. with a size of 1.2 Earth radii that is transiting a propongono un altrettanto affascinate small star 12 parsecs away. Our Doppler mass spiegazione. T. Salditt et al., X-ray optics on a chip: X rays in measurement of GJ 1132b yields a density curved channels, Phys. Rev. Lett., 115 (2015) consistent with an Earth-like bulk composition, Martin Hofmann et al., Why hexagonal basalt 203902 similar to the compositions of the six known columns?, Phys. Rev. Lett., 115 (2015) 154301 exoplanets with masses less than six times that We study the propagation of hard X-rays of the Earth and precisely measured densities. Basalt columns with their preferably in single curved X-ray waveguide channels Receiving 19 times more stellar radiation than hexagonal cross sections are a fascinating and observe waveguide effects down to the Earth, the planet is too hot to be habitable example of pattern formation by crack surprisingly small radii of curvature R ~– 10 mm but is cool enough to support a substantial propagation. Junctions of three propagating and a large contour length s ~– 5 mm, deflecting atmosphere, one that has probably been crack faces rearrange such that the initial right beams up to 30°. At these high angles, about considerably depleted of hydrogen. Because angles between them tend to approach 120°, 2 orders of magnitude above the critical angle the host star is nearby and only 21 per cent which enables the cracks to form a pattern of of total reflection θc, most radiation modes are the radius of the Sun, existing and upcoming regular hexagons. To promote understanding lost by “leaking” into the cladding, while certain telescopes will be able to observe the of the path on which the ideal configuration “survivor” modes persist. This may open up a composition and dynamics of the planetary can be reached, two periodically repeatable new form of integrated X-ray optics “on a chip” atmosphere. models are presented here involving linear elastic fracture mechanics and applying the principle of maximum energy release rate. They describe the evolution of the crack pattern as a transition from rectangular start configuration to the hexagonal pattern.

La simulazione mostra che una parte del fascio X segue la guida curva nonostante che una grande © Nasa/SDO frazione esca nel materiale che la circonda. Reproduced with permission of the American Physical Society © APS, 2015 http://journals. aps.org/prl/abstract/10.1103/ Effetto Compton non lineare PhysRevLett.115.203902 Nel 1923 Arthur Compton usò raggi X per Le colonne esagonali del Selciato dei Giganti in verificare la sua teoria sulla diffusione elastica Irlanda. fotone elettrone e dimostrando che il fotone Piccola stella e pianeta simile alla è una particella. Oggi la diffusione Compton Terra è entrata nel regime non lineare. M. Fuchs e collaboratori, usando la sorgente LINAC coerente Un pianeta roccioso di dimensioni simili alla terra di raggi X (LCLS), hanno rivelato l’interazione è stato scoperto osservando l’attenuazione della simultanea di due fotoni con un singolo elettrone. luce della sua stella, che si chiama Gliese 1132, al suo transito attraverso di essa. La scoperta M. Fuchs et al., Anomalous X-ray Compton è interessante per diverse ragioni. Il raggio del scattering, Nature Physics, 11 (2015) 964 pianeta è appena il 16% maggiore di quello della terra, la sua densità è anche simile, 6000 kg/m3. Il Here we report the observation of one of the pianeta dista solo 12 kpc da noi, il che ne renderà most fundamental nonlinear X-ray–matter agevole lo studio. interactions: the concerted nonlinear Compton scattering of two identical hard X-ray photons Zachory K. Berta-Thomson et al., A rocky planet producing a single higher-energy photon. The transiting a nearby low-mass star, X-ray intensity reached 4 × 1020 W cm−2, Nature, 526 (2015) 204 corresponding to an electric field well above the atomic unit of strength and within almost a cura di Alessandro Bettini Recent results have shown that M dwarfs four orders of magnitude of the quantum- host Earth-sized planets in great numbers: electrodynamic critical field.

vol31 / no5-6 / anno2015 > 95 indici del volume 31

INDICE PER FASCICOLI Il Nuovo Cimento 150, 100, 50 anni fa A. Bettini 93 Numero 1/2, 2015 Intervista a Nadia Pastrone S. Arcelli 95 Editoriale/Editorial Recensioni (*) 96 L. Cifarelli 3 In ricordo di (*) Trent’anni S. Natali (S. Nuzzo) 96 R. A. Ricci 5 P. Mazzoldi (S. Lo Russo, R. A. Ricci) 96 A Classic never gets old G. Salvini (F. Ceradini) (testo integrale) 97 M. Liscidini, J. E. Sipe 18 in evidenza (A. Bettini) 98 Camere a piani resistivi: rivelatori per la scienza, rivelatori per la vita M. Abbrescia 27 Numero 5/6, 2015 Medieval Islamic achievements in optics S. A. Khan 36 Editoriale/Editorial Radiochemical solar neutrino experiments: door opener for modern L. Cifarelli 3 Astroparticle Physics One hundred years of General Relativity T. A. Kirsten 46 I. Ciufolini 5 Programma della Scuola estiva “Enrico Fermi” di Varenna 59 Sessant’anni di Yang-Mills International Symposium “Light and Life” 63 L. Maiani 22 101o Congresso Nazionale 64 La Farbenlehre di Goethe Bandi dei concorsi a premi della SIF 66 M. Segala 33 Francesco Maria Grimaldi. La diffrazione della luce Il colore del calore: Macedonio Melloni e l’infrarosso A. Bettini 71 E. Colombi, M. Leone, N. Robotti 45 Il Nuovo Cimento 150, 100, 50 anni fa The unpublished notebooks of Bruno Pontecorvo in Russia A. Bettini 77 R. Castaldi, G. Spandre 57 Con PLaNCK! la scienza si fa piccola Cerimonia Inaugurale A. Frison, M. Carli, A. Sonato 78 101o Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica 69 Intervista a Pasquale Di Nezza The Italian Physical Society “Enrico Fermi” Prize and Medal 2015 73 S. De Pasquale 81 SIF-IOP “Giuseppe Occhialini” Prize and Medal 2015 75 Recensioni (*) 82 Leonardo da Vinci. Luci,ombre e colori In ricordo di (*) L. Luperini 76 C. Voci (A. Bettini) 83 Il Nuovo Cimento 150, 100, 50 anni fa G. Viesti (R. A. Ricci) 83 A. Bettini 83 S. D’Angelo (P. Belli) 83 Anno Internazionale della Luce: una cascata di eventi in evidenza (A. Bettini) 84 L. Cifarelli, A. Oleandri 84 Annunci 85 Inaugurata a Genova una nuova grande mostra su Enrico Fermi L. Cifarelli, A. Oleandri 86 Numero 3/4, 2015 Il premio Nobel per la Fisica 2015 A. Bettini 88 Editoriale/Editorial La fisica universitaria in una prospettiva di genere: 1980-2015 L. Cifarelli 3 P. Rossi 91 THz ultrastrong light-matter coupling Recensioni (*) 94 G. Scalari, C. Maissen, S. Cibella, R. Leoni, C. Reichl, W. Wegscheider, in evidenza (A. Bettini) 95 M. Beck, J. Faist 4 indici volume 31 96 How much disorder is needed to arrest a quantum particle? G. Semeghini, M. Landini, G. Modugno 15 Solar wind: a space laboratory for plasma turbulence P. veltri, F. Valentini 23 Rosetta, “danzando” con una cometa INDICE PER AUTORI R. Battiston 33 Filling the terahertz gap A G. Scamarcio, M. S. Vitiello, V. Spagnolo 43 Abbrescia M. Oreste Piccioni, storia di un fisico creativo, innovatore e combattivo Camere a piani resistivi: rivelatori per la scienza, rivelatori A. Pascolini 51 per la vita 31:1/2, 27 The first light of the universe Arcelli S. A. Mennella, P. Natoli 63 Intervista a Nadia Pastrone 31:3/4, 95 101o Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica 77 Programma Generale 78 B I fisici nel sistema universitario italiano 1980-2015 Battiston R. P. Rossi 80 Rosetta, “danzando” con una cometa 31:3/4, 33 Giovanni Domenico Cassini: il sole in San Petronio e la struttura Beck M. (vedi Scalari G.) dell’anello di Saturno Belli P. F. Bertola 88 In ricordo di (*) Silio D’Angelo 31:1/2, 83 Bertola F. (*) Il testo completo delle recensioni e dei necrologi è pubblicato Giovanni Domenico Cassini: il sole in San Petronio e la struttura solo nella versione online (http://www.sif.it/attivita/ dell’anello di Saturno 31:3/4, 88 saggiatore/econtents)

96 < il nuovo saggiatore Bettini A. P Francesco Maria Grimaldi. La diffrazione della luce 31:1/2, 71 Pascolini A. Bettini A. Oreste Piccioni, storia di un fisico creativo, Il premio Nobel per la Fisica 2015 31:5/6, 88 innovatore e combattivo 31:3/4, 51 Bettini A. In ricordo di (*) Cesare Voci 31:1/2, 83 R Reichl C. (vedi Scalari G.) C Ricci R. A. Carli M. (vedi Frison A.) Trent’anni 31:1/2, 5 Castaldi R., Spandre G. Ricci R. A. The unpublished notebooks of Bruno Pontecorvo in Russia 31:5/6, 57 In ricordo di (*) Giuseppe Viesti 31:1/2, 83 Ceradini F. Ricci R. A. (vedi Lo Russo S.) In ricordo di Giorgio Salvini 31:3/4, 97 Robotti N. (vedi Colombi E.) Cibella S. (vedi Scalari G.) Rossi P. Cifarelli L., Oleandri A. La fisica universitaria in una prospettiva di genere: 1980-2015 31:5/6, 91 Anno Internazionale della Luce: una cascata di eventi 31:5/6, 84 Rossi P. Cifarelli L., Oleandri A. I fisici nel sistema universitario italiano 1980-2015 31:3/4, 80 Inaugurata a Genova una nuova grande mostra su Enrico Fermi 31:5/6, 86 Ciufolini I. S One hundred years of General Relativity 31:5/6, 5 Scalari G., Maissen C., Cibella S., Leoni R., Reichl C., Colombi E., Leone M., Robotti N. Wegscheider W., Beck M., Faist J. Il colore del calore: Macedonio Melloni e l’infrarosso 31:5/6, 45 THz ultrastrong light-matter coupling 31:3/4, 4 Scamarcio G. , Vitiello M. S., Spagnolo V. D Filling the terahertz gap 31:3/4, 43 De Pasquale S. Segala M. Intervista a Pasquale Di Nezza 31:1/2, 81 La Farbenlehre di Goethe 31:5/6, 33 Semeghini G., Landini M., Modugno G. F How much disorder is needed to arrest a quantum particle? 31:3/4, 15 Faist J. (vedi Scalari G.) Sipe J. E. (vedi Liscidini M.) Frison A., Carli M., Sonato A. Sonato A. (vedi Frison A.) Con PLaNCK! la scienza si fa piccola 31:1/2, 78 Spagnolo V. (vedi Scamarcio G.) Spandre G (vedi Castaldi R.) K Khan S. A. V Medieval Islamic achievements in optics 31:1/2, 36 Valentini F. (vedi veltri P. ) Kirsten T. A. veltri P. , Valentini F. Radiochemical solar neutrino experiments: door opener for Solar wind: a space laboratory for plasma turbulence 31:3/4, 23 modern Astroparticle Physics 31:1/2, 46 Vitiello M. S. (vedi Scamarcio G.)

L W Landini M. (vedi Semeghini G.) Wegscheider W. (vedi Scalari G.) Leone M. (vedi Colombi E.) Leoni R. (vedi Scalari G.) Liscidini M., Sipe J. E. A Classic never gets old 31:1/2, 18 Lo Russo S. , Ricci R. A. INDICE PER RUBRICHE In ricordo di (*) Paolo Mazzoldi 31:3/4, 96 Luperini L. SCIENZA IN PRIMO PIANO Leonardo da Vinci. Luci,ombre e colori 31:5/6, 76 A Classic never gets old M. Liscidini, J. E. Sipe 31:1/2, 18 M How much disorder is needed to arrest a quantum particle? Maiani L. G. Semeghini, M. Landini, G. Modugno 31:3/4, 15 Sessant’anni di Yang-Mills 31:5/6, 22 One hundred years of General Relativity Maissen C. (vedi Scalari G.) I. Ciufolini 31:5/6, 5 Mennella A., Natoli P. Sessant’anni di Yang-Mills The first light of the universe 31:3/4, 63 L. Maiani 31:5/6, 22 Modugno G. (vedi Semeghini G.) Solar wind: a space laboratory for plasma turbulence P. veltri, F. Valentini 31:3/4, 23 N THz ultrastrong light-matter coupling Natoli P. (vedi Mennella A.) G. Scalari, C. Maissen, S. Cibella, R. Leoni, C. Reichl, Nuzzo S. W. Wegscheider, M. Beck, J. Faist 31:3/4, 4 In ricordo di (*) Sergio Natali 31:3/4, 96 FISICA E... O Oleandri A. (vedi Cifarelli L.) Camere a piani resistivi: rivelatori per la scienza, rivelatori per la vita M. Abbrescia 31:1/2, 27

vol31 / no5-6 / anno2015 > 97 Filling the terahertz gap Intervista a G. Scamarcio, M. S. Vitiello, V. Spagnolo 31:3/4, 43 Pasquale Di Nezza La Farbenlehre di Goethe S. De Pasquale 31:1/2, 81 M. Segala 31:5/6, 33 Nadia Pastrone Rosetta, “danzando” con una cometa S. Arcelli 31:3/4, 95 R. Battiston 31:3/4, 33 In ricordo di (*) PERCORSI Silio D’Angelo (P. Belli) 31:1/2, 83 Cesare Voci (A. Bettini) 31:1/2, 83 Il colore del calore: Macedonio Melloni e l’infrarosso Giuseppe Viesti (R. A. Ricci) 31:1/2, 83 E. Colombi, M. Leone, N. Robotti 31:5/6, 45 Sergio Natali (S. Nuzzo) 31:3/4, 96 Medieval Islamic achievements in optics Paolo Mazzoldi (S. Lo Russo, R. A. Ricci) 31:3/4, 96 S. A. Khan 31:1/2, 36 Giorgio Salvini (F. Ceradini) (testo integrale) 31:3/4, 97 Oreste Piccioni, storia di un fisico creativo, innovatore e combattivo A. Pascolini 31:3/4, 51 RECENSIONI (*) Radiochemical solar neutrino experiments: door opener for modern Astroparticle Physics Algoritmi, C. Toffalori T. A. Kirsten 31:1/2, 46 recensito da O. Ori 31:3/4, 96 The first light of the universe Atomic Physics, M. Inguscio and L. Fallani A. Mennella, P. Natoli 31:3/4, 63 recensito da E. Arimondo 31:3/4, 96 Celestial Messengers, M. Bertolotti IL NOSTRO MONDO recensito da G. Benedek 31:3/4, 96 Dynamics of Gas-Surface Interactions, R. Díez Muiño, Francesco Maria Grimaldi. La diffrazione della luce H. F. Busnengo (Editors) A. Bettini 31:1/2, 71 recensito da G. Benedek 31:1/2, 82 Giovanni Domenico Cassini: il sole in San Petronio e la struttura First Principles Approaches to Spectroscopic Properties of Complex dell’anello di Saturno Materials, C. Di Valentin, S. Botti and M. Cococcioni (Editors) F. Bertola 31:3/4, 88 recensito da G. Benedek 31:5/6, 94 I fisici nel sistema universitario italiano 1980-2015 Fisica a teatro, M. Giliberti P. Rossi 31:3/4, 80 recensito da L. Belloni 31:1/2, 82 Leonardo da Vinci. Luci,ombre e colori Half Life, F. Close L. Luperini 31:5/6, 76 recensito da L. Belloni 31:5/6, 94 The unpublished notebooks of Bruno Pontecorvo in Russia Il Mestiere della Scienza, C. E. Bottani R. Castaldi, G. Spandre 31:5/6, 57 recensito da S. De Silvestri 31:5/6, 94 Trent’anni Introduction to the Physics of Matter, N. Manini R. A. Ricci 31:1/2, 5 recensito da G. Benedek 31:3/4, 96 L’era dell’atomo, P. Martin e A. Viola Scuole e Congressi SIF recensito da G. Benedek 31:1/2, 83 Programma della Scuola estiva “Enrico Fermi” di Varenna 31:1/2, 59 L’officina del meccanico quantistico, F. Chiarello International Symposium “Light and Life” 31:1/2, 63 recensito da L. Belloni 31:1/2, 82 101o Congresso Nazionale 31:1/2, 64 Le Principe, J. Ferrari Bandi dei concorsi a premi della SIF 31:1/2, 66 recensito da Amand A. Lucas 31:3/4, 96 101o Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica 31:3/4, 77 Novel Superfluids, K. H. Bennemann and J. B. Ketterson (Editors) Programma Generale 31:3/4, 78 recensito da J. P. Toennies 31:5/6, 94 Cerimonia Inaugurale Particles and Astrophysics, M. Spurio 101o Congresso Nazionale della Società Italiana di Fisica 31:5/6, 69 recensito da V. Flaminio 31:1/2, 83 The Italian Physical Society “Enrico Fermi” Prize and Medal 2015 31:5/6, 73 Physics of Long-Range Interacting Systems, A. Campa, T. Dauxois, SIF-IOP “Giuseppe Occhialini” Prize and Medal 2015 31:5/6, 75 D. Fanelli and S. Ruffo recensito da G. Benedek 31:1/2, 82 Il Nuovo Cimento 150, 100, 50 anni fa Rheophysics, Ph. Coussot A. Bettini 31:1/2, 77 recensito da G. Benedek 31:1/2, 82 31:3/4, 93 Storia naturale del tempo, G. Vatinno 31:5/6, 83 recensito da G. Benedek 31:1/2, 82 News IN EVIDENZA Anno Internazionale della Luce: una cascata di eventi L. Cifarelli, A. Oleandri 31:5/6, 84 Rivelare neutroni, senza 3He - Il rapporto tra la massa del Con PLaNCK! la scienza si fa piccola protone e dell’elettrone 12 miliardi di anni fa - Uccelli azzurri e A. Frison, M. Carli, A. Sonato 31:1/2, 78 cristalli porosi - Foto ad attosecondi della propagazione Inaugurata a Genova una nuova grande mostra su Enrico Fermi dell’onda di elettroni 31:1/2, 84 L. Cifarelli, A. Oleandri 31:5/6, 86 Luce dal grafene - Migliora la precisione sulla massa del Il premio Nobel per la Fisica 2015 bosone di Higgs - Dividere un fascio di elettroni con un chip - A. Bettini 31:5/6, 88 Filmare le molecole al femtosecondo 31:3/4, 98 La fisica universitaria in una prospettiva di genere: 1980-2015 Curvare i raggi X - Piccola stella e pianeta simile alla Terra - P. Rossi 31:5/6, 91 Effetto Compton non lineare - Colonne esagonali di basalto 31:5/6, 95

98 < il nuovo saggiatore DOMANDA DI ISCRIZIONE alla SOCIETÀ ITALIANA DI FISICA ITALIAN PHYSICAL SOCIETY MEMBERSHIP APPLICATION FORM 2016 Nome Name Cognome Surname Luogo e data di nascita Place and date of birth Nazionalità Nationality a Istituto o Ente di appartenenza affiliation

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