Hans Bethe, un gigante della fisica

di Luciana Ziino

Forse la conquista più famosa ottenuta da Hans Bethe nel campo dell’astrofisica è stata la scoperta del ciclo carbonio-azoto-ossigeno (CNO), ovvero l’insieme di reazioni nucleari che costituiscono la principale fonte di energia delle stelle più massicce, nonché di tutte le stelle che entrano nella fase di giganti rosse. Scoperta che gli valse il premio Nobel nel 1967, con la seguente motivazione: “la soluzione della fonte di energia delle stelle è una delle più importanti applicazioni della fisica fondamentale dei giorni nostri, che ha portato ad una profonda evoluzione della nostra conoscenza dell’universo”.

Ma sarebbe davvero riduttivo ricordare questo scienziato ‘solo’ per il suo contributo (enorme) alla spiegazione dei meccanismi di produzione energetica delle stelle. Per avere una vaga idea di quello che Bethe ha rappresentato nel mondo della fisica (e non solo) possiamo affidarci alle parole pronunciate nel 1995 dal suo allievo e collaboratore John Bahcall: “se si guarda ai suoi tanti lavori, in campi così diversi, si potrebbe credere che in realtà si tratti di molte persone che firmano con lo stesso nome”.

Image credit: Physics Today, Vol 58, No 10

Hans Bethe era nato nel 1906 a Strasburgo, città che allora faceva parte dell’Impero Tedesco. Suo padre Albrecht era un professore di fisiologia, protestante, sua madre Anna un’ebrea convertita al luteranesimo. Ben presto il giovane Bethe, che mostrava grandi capacità, soprattutto nel calcolo, si spostò dalla sua città natale, frequentando il liceo e l’università a Francoforte. Nel 1926 entrò a far parte della famosa scuola di fisica teorica di Arnold Sommerfeld a Monaco di Baviera negli stessi anni in cui Erwin Schrödinger formulava la sua teoria della meccanica ondulatoria. Qui conseguì il dottorato nel 1928 e venne assunto come libero docente nel 1930. Nei due anni successivi soggiornò a Cambridge e a Roma, dove lavorò con Enrico Fermi.

Il 1933 fu un anno cruciale per Bethe: da un lato, con la pubblicazione di due articoli sull’enciclopedia Handbuch der Physik – uno riguardante i sistemi con uno e due elettroni e l’altro relativo ai metalli – venne riconosciuto, a soli 27 anni, come uno dei più brillanti fisici della sua generazione; dall’altro, con l’avvento del nazismo, lo scienziato, che aveva origini ebraiche da parte di madre, fu costretto ad abbandonare la Germania, spostandosi prima in Inghilterra e, nel 1935, alla Cornell University a Ithaca, New York. È qui che Bethe rimarrà per il resto della sua carriera, nonostante le numerose offerte da parte di altre università, anche europee. Quando gli fu chiesto, nel 1947, di prendere il posto di Sommerfeld all’Università di Monaco, Bethe declinò l’offerta, scrivendo: “mi sento come se fossi nato in Germania solo per errore, e fossi arrivato nella mia vera patria all’età di 28 anni”.

Nei primi anni di insegnamento negli Stati Uniti, assieme ai fisici Robert Bacher e Milton Stanley Livingston, suoi coetanei, pubblicò tre celeberrimi articoli che riassumevano tutto quello che era allora noto nel campo della fisica nucleare e che rimasero universalmente conosciuti come “la Bibbia di Bethe”. I tre lavori sarebbero diventati un testo indispensabile per generazioni di studenti ed esperti.

Hans Bethe intervistato dai giornalisti.

Negli anni successivi Bethe continuò a dedicarsi alla fisica nucleare e nel 1938 partecipò alla conferenza di Washington organizzata da George Gamow per discutere le questioni ancora irrisolte riguardo la costituzione interna delle stelle. Che alla base della produzione di energia delle stelle ci fossero reazioni di fusione nucleare era già noto dagli anni trenta: era chiaro infatti che l’enorme emissione di luce del Sole non poteva essere spiegata né dalla gravitazione né da reazioni chimiche ordinarie. Tuttavia, non era chiaro come tali reazioni termonucleari potessero procedere.

Bethe studiò il problema e, dopo sei mesi, pubblicò i suoi risultati nell’articolo Energy Production in Stars: gli unici possibili processi di trasformazione dell’idrogeno in elio all’interno dei nuclei stellari erano due. Il primo, la catena protone-protone, era la sorgente dominante di energia nelle stelle meno massive. Il secondo, il ciclo carbonio-azoto-ossigeno (CNO), caratterizzava le stelle più massicce del Sole. Nel ciclo CNO, detto anche ciclo di Bethe, la combustione dell’idrogeno si realizza con la fusione di quattro protoni (nuclei dell’idrogeno) e la produzione di una particella alfa (un nucleo di elio), con rilascio di due positroni, due neutrini e raggi gamma. Il carbonio, l’azoto e l’ossigeno entrano nel ciclo con la funzione di catalizzatori delle varie reazioni. La scoperta, che trent’anni dopo gli valse il Premio Nobel (il primo assegnato per un argomento nel campo dell’astronomia), aprì la strada allo sviluppo delle moderne teorie sull’evoluzione stellare.

Dettaglio della prima pagina dell’articolo di Hans Bethe sulla produzione di energia delle stelle. Physical Review, 1939 (Linda Hall Library)

Hans Bethe riceve il premio Nobel per la Fisica, Stoccolma, 1967 (nobelprize.org)

Con la scoperta della fissione e l’invasione della Polonia da parte di Hitler finirono quelli che Bethe chiamava “i felici anni trenta” della fisica. Iniziò la guerra e lo scienziato, anche se un po’ riluttante, venne convinto da Edward Teller a partecipare al progetto Manhattan per lo sviluppo della bomba atomica. Dopo Hiroshima e Nagasaki affermò che “le conseguenze erano state molto peggiori di quanto mai immaginato”. Anche per questo dopo la guerra si impegnò pubblicamente per limitare la diffusione delle armi nucleari, con udienze al Senato, conferenze, interviste e articoli sui pericoli di una guerra atomica.

A Los Alamos avevano lavorato alcuni tra i più brillanti fisici dell’epoca, come Richard Feynman, Philip Morrison, Robert Wilson e tanti altri che Bethe, dopo la guerra, convinse a trasferirsi a Cornell. Sotto la sua guida Cornell divenne il centro mondiale della fisica delle particelle teorica e sperimentale. Non solo: nel 1947 Bethe fu il primo a spiegare il lamb-shift nello spettro dell’idrogeno, gettando le basi per il moderno sviluppo dell’elettrodinamica quantistica.

Badge identificativo di Hans Bethe a Los Alamos durante il Progetto Manhattan, 1942-46 (Wikimedia commons)

Egli non si dedicò soltanto alla ricerca, ma fino al 1975 anche all’insegnamento: molti dei suoi allievi divennero scienziati di fama mondiale, come Freeman Dyson che ricorda come le sue lezioni continuassero anche dopo la pausa pranzo fino a che l’argomento fosse esaurito.

Hans Bethe alla lavagna a Cornell nel 1967. Crediti e copyright: Cornell University

Inizialmente contrario alla costruzione della bomba H, la ‘superbomba’ all’idrogeno, cambiò idea quando si rese conto che l’Unione Sovietica sarebbe stata in grado di produrla: “penso che la cosa si possa fare e, se si può fare, dobbiamo avere paura che la possano fare i sovietici”.

Nonostante ciò, Bethe avrebbe dedicato tutto il resto della sua lunga carriera alla lotta per il disarmo nucleare, diventando una delle figure più autorevoli in questo ambito. Egli scrisse: “Sapere che queste armi non vengono usate dai tempi della Seconda Guerra Mondiale mi dà un immenso sollievo, ma inorridisco se penso che, da allora, sono state costruite decine di migliaia di armi simili…”. Il suo impegno civile continuò fino alla fine: nel 1999, all’età di 93 anni, si batté con forza, con una lettera al Presidente degli Stati Uniti, contro la decisone del Senato di respingere il Trattato di bando totale delle armi nucleari.

La sua curiosità verso la conoscenza non si interruppe mai, tanto che a 83 anni si iscrisse al corso di Gerald E. Brown all’Università di Stony Brook per imparare la teoria di gauge su reticolo, affermando: “mi interessa sempre imparare cose nuove!”. In seguito i due pubblicarono vari lavori di astrofisica.

Passati i novant’anni, nonostante una grave malattia degenerativa avesse colpito il braccio sinistro, continuava ad andare giornalmente al suo studio del campus di Cornell, dopo avere preso il suo quotidiano bagno caldo di 45 minuti che serviva a rimettere a posto le idee che durante il sonno si mescolano nella mente. Continuava a fare calcoli col suo vecchio regolo calcolatore di studente!

Tra i suoi hobby, coltivati fino alla fine, vi era la passione per i francobolli e quella per le letture storiche. Ma amava anche la vita all’aria aperta e le escursioni in montagna, come le Alpi Svizzere e le Montagne Rocciose, dove usava trascorrere le vacanze estive.

Non è facile racchiudere nelle parole di un articolo quello che è stato Hans Bethe, come scienziato e come uomo: non solo ha contribuito in modo fondamentale allo sviluppo della fisica e dell’astronomia del novecento, ma lo ha fatto con amore, amore verso la sua patria di adozione, verso i suoi colleghi e i suoi numerosi studenti, e, naturalmente, verso i figli e la moglie Rose, la compagna di una vita che lo ha saputo consigliare e sostenere nei momenti più difficili.

Hans Bethe e sua moglie Rose alla cerimonia del premio Nobel, Stoccolma, Svezia, 1967. Image credit: Cornell University

Hans Bethe con Boyce McDaniel nel tunnel del Cornell Electron Storage Ring, 1968. Image credit: Russ Hamilton/CU

 

Image credit: Physics Today, Vol 58, No 10

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Informazioni su Sabrina Masiero

Direttore Responsabile della Didattica e Divulgazione presso la Fondazione GAL Hassin-Centro Internazionale delle Scienze Astronomiche, Isnello, (Palermo) e associata INAF-Osservatorio Astronomico di Palermo. Ho lavorato presso INAF-Osservatorio Astronomico di Padova e la Fundaciòn Galileo Galilei, FGG-Telescopio Nazionale Galileo, La Palma, Isole Canarie nell'ambito dei pianeti extrasolari.

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