Majorana, Ettore

Ettore Majorana

Fisico teorico italiano di grande e persistente fama, in una breve ma intensa carriera, Ettore Majorana ha dato contributi di eccezionale rilievo nei settori della fisica atomica, molecolare, nucleare e delle particelle elementari, tuttora oggetto di investigazione anche sperimentale. Nell’ambito di un complesso e multiforme rapporto con Enrico Fermi, ha contribuito allo sviluppo di un’attività di ricerca presso l’Istituto di fisica di Roma molto competitiva a livello internazionale, specialmente in fisica nucleare. Di particolare interesse risultano, inoltre, le sue considerazioni metodologiche su sviluppi e motivazioni della ricerca scientifica.

La vita

Ettore Majorana nasce a Catania il 5 agosto 1906 da Fabio Massimo, dirigente dell’azienda telefonica di Catania, e da Salvatrice Corsi, nell’ambito di un’affermata famiglia della borghesia siciliana. Dopo i primi anni di istruzione a casa, dal 1915 prosegue i suoi studi presso il prestigioso Istituto Massimiliano Massimo a Roma, retto dai padri gesuiti. Consegue la licenza liceale nel 1923 presso il liceo statale Torquato Tasso. Frequenta poi il biennio per gli aspiranti ingegneri e la triennale Scuola di ingegneria. Nel dicembre del 1928 passa al corso di laurea in fisica, laureandosi con 110 e lode il 6 luglio 1929 con una tesi di avanguardia su argomenti di fisica nucleare.

Durante il 1928, ancora studente, è coinvolto in un’intensa attività di ricerca sul modello statistico dell’atomo di Fermi, e nel dicembre dello stesso anno presenta un’originale comunicazione al Congresso della Società italiana di fisica. Dopo la laurea non ottiene alcuna posizione ufficiale nell’Università, ma continua le sue ricerche su avanzatissimi problemi di fisica atomica e molecolare, e di particelle elementari. Consegue la libera docenza in fisica teorica nel novembre 1932. All’inizio del 1933, con una borsa di studio del Consiglio nazionale delle ricerche (CNR), si reca a Lipsia, presso l’Istituto di Werner Heisenberg (1901-1976), dove ottiene decisivi risultati sulla struttura dei nuclei, pienamente riconosciuti dallo stesso Heisenberg.

Dopo un periodo a Copenaghen, presso l’Istituto di Niels Bohr (1885-1962), e un rapido rientro a Roma per la Pasqua, torna ancora a Lipsia. Rientra in Italia agli inizi dell’agosto 1933. Negli anni successivi non riesce a dare il suo corso da libero docente, nonostante la profondità e modernità dei programmi presentati, e non pubblica alcun articolo scientifico. Nell’aprile del 1937 compare un suo articolo importantissimo (Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone), dove introduce anche la possibile esistenza del ‘neutrino di Majorana’. Partecipa poi al concorso nazionale per un posto di professore di fisica teorica presso l’Università di Palermo, ma il ministro dell’Educazione nazionale Giuseppe Bottai, su richiesta della Commissione giudicatrice, presieduta da Fermi, lo nomina direttamente, dal 16 novembre 1937, professore ordinario presso l’Università di Napoli, al di fuori delle procedure del concorso, con la motivazione della «singolare perizia» raggiunta nella disciplina.

Si trasferisce a Napoli e svolge regolarmente il suo corso, impostato su basi molto moderne. Scompare inaspettatamente alla fine del marzo 1938, in circostanze ancora non chiarite. Solo nel settembre 1939 il bollettino ministeriale riporta la sua destituzione dalla cattedra, eseguita con decreto del dicembre 1938. Nel novembre 1939 la rivista «Missioni della Compagnia di Gesù» pubblica la notizia dell’avvenuta fondazione di una borsa di studio intitolata al suo nome, e destinata alla formazione di missionari della Compagnia, dopo uno scambio di corrispondenza con la famiglia, in cui l’amministrazione della rivista si compiace per «il santo affetto [dimostrato] per il caro estinto».

L’attività scientifica e accademica

L’attività di ricerca di Majorana si sviluppa precocemente, mentre è ancora studente nel 1928, e verte sulle applicazioni, il miglioramento e l’estensione del modello statistico dell’atomo introdotto da Fermi solo pochi mesi prima, alla fine del 1927. In collaborazione con Giovanni Gentile Jr (1906-1942), calcola le correzioni alle righe spettroscopiche dovute all’ipotesi dell’elettrone rotante di Dirac (Sullo sdoppiamento dei termini Roentgen e ottici a causa dell’elettrone rotante e sulle intensità delle righe del cesio). Questo lavoro è svolto nell’ambito dell’impostazione generale di Fermi, ma usa i nuovi risultati fisici di Paul Dirac (1902-1984) sulla teoria dell’elettrone. In seguito, prosegue le sue ricerche da solo, con grande autonomia ed efficacia.

Perviene a una proposta di miglioramento dell’impostazione di Fermi ed estende il modello al caso di ioni. Parte dei risultati è comunicata alla XXII Adunanza generale della Società italiana di fisica, tenutasi a Roma il 28-30 dicembre 1928, di fronte a una platea di affermati fisici (Ricerca di un’espressione generale delle correzioni di Rydberg, valevole per atomi neutri o ionizzati positivamente, «Il Nuovo Cimento», 1929, 6, pp. XIV-XVI). La trattazione è suggestiva. Correggendo brillantemente una delle limitazioni del modello di Fermi, egli distingue il campo elettrico microscopico, che sarebbe avvertito da una carica puntiforme piccolissima, dal campo elettrico efficace, che è quello percepito dal singolo elettrone nell’atomo, sul quale non influisce l’autointerazione dell’elettrone con se stesso. Fermi si convince della validità della proposta solo nel 1933, forse dopo i successi di Majorana a Lipsia, e l’adotta in una monumentale memoria, pubblicata a nome di Fermi ed Edoardo Amaldi nel 1934 negli Atti dell’Accademia d’Italia (Le orbite ∞s degli elementi). Tutte le formule di questo lavoro ricalcano le analoghe formule della comunicazione, riportata nel «Nuovo Cimento» (Ricerca di un’espressione generale delle correzioni di Rydberg, cit.).

Dopo il passaggio al corso di fisica, i suoi interessi si orientano verso la nascente teoria dei nuclei. Si laurea con un’originale tesi di fisica nucleare (Sulla meccanica dei nuclei radioattivi) che contiene una giustificazione rigorosa e l’estensione del recentissimo modello di Gamow per il decadimento del nucleo atomico con emissione di particelle alfa, basato sull’effetto tunnel in meccanica quantistica. Queste ricerche anticipano i modelli nucleari completi, resi possibili solo dopo la scoperta del neutrone.

Dopo la laurea frequenta ‘liberamente’ l’Istituto, «seguendo il movimento scientifico», senza alcuna posizione ufficiale. Seguono due altre note (Sulla formazione dello ione molecolare di elio, e Reazione pseudopolare fra atomi di idrogeno, entrambe del 1931) che trattano argomenti di fisica molecolare sulla spiegazione quantistica del legame chimico, e lo rendono un pioniere della chimica teorica, che in Italia si svilupperà solo negli anni Cinquanta. Presenta quindi l’interpretazione teorica di due nuove righe spettroscopiche dell’elio (I presunti termini anomali dell’elio, 1931) e di alcuni tripletti nel calcio (Teoria dei tripletti P′ incompleti, 1931). Questi lavori sono basati su eleganti applicazioni della teoria dei gruppi e individuano le conseguenze fisiche spettroscopiche degli effetti di autoionizzazione negli atomi.

Segue un lavoro importantissimo nel 1932 (Atomi orientati in campo magnetico variabile), preannunziato da una breve lettera alla rivista «La ricerca scientifica» (1932, 5, p. 329), rilevante per la priorità. Vi si studia il comportamento quantistico di un fascio di atomi polarizzati che attraversano un campo magnetico rapidamente variabile, in prossimità di un punto dove il campo si annulla, determinando le probabilità di transizione dei valori del momento angolare (‘Majorana flips’). La proposta viene subito adottata con successo presso il laboratorio di Otto Stern (1888-1969) ad Amburgo, dove si trovava anche Emilio Segrè, e dove era stato prima tentato un esperimento non conclusivo, con una diversa disposizione dei campi magnetici. Sempre nel 1932 appare l’articolo (Teoria relativistica di particelle con momento intrinseco arbitrario), dove sono costruite per la prima volta equazioni d’onda quantistiche relativisticamente invarianti senza stati a energia negativa, per particelle con spin arbitrario. L’impostazione metodologica è fortemente critica verso l’approccio di Dirac, la cui celebre equazione contiene anche stati a energia negativa. Nello stesso anno in cui consegue la libera docenza in fisica teorica (1932) terminano gli «stretti rapporti» con l’Istituto di Roma, e in particolare con Fermi.

Nella lettera di appoggio alla sua borsa di studio del CNR per Lipsia, con un programma di ricerca sulla fisica nucleare e le particelle elementari, Fermi parla solo della prevista continuazione delle ricerche sulla fisica atomica e molecolare, e le applicazioni della teoria dei gruppi. Per comprendere la discrepanza evidente tra le due descrizioni del programma di ricerca, occorre ricordare alcuni aspetti cruciali della situazione a Roma, nell’anno strategico 1932. Fin dall’inizio degli anni Trenta, Orso Mario Corbino e Fermi comprendono che la spinta propulsiva della fisica atomica, anche nei suoi nuovissimi aspetti quantistici, è in via di esaurimento, e che la nuova frontiera aperta è quella dello studio fisico del nucleo. Viene quindi organizzata a Roma, nell’ottobre del 1931, una Conferenza internazionale di fisica nucleare, la prima del genere nel mondo, che si svolge con grande successo. Le ricerche però tardano a decollare, anche perché a Roma non si coglie immediatamente la rilevanza della scoperta del neutrone da parte di James Chadwick (1891-1974), annunziata nel febbraio 1932. La relazione di Fermi sulla struttura dei nuclei, in un importante congresso a Parigi nel luglio 1932, quasi non ne parla, limitandosi a esporre la situazione esistente all’epoca del congresso di Roma, con tutte le difficoltà dei presunti elettroni nucleari.

La ricerca sperimentale a Roma nel settore della fisica nucleare si orienta verso lo studio dei livelli energetici del nucleo attraverso la spettroscopia dei raggi gamma emessi nei decadimenti radioattivi, con il pieno appoggio del CNR nell’ambito di una rigida pianificazione nazionale, in cui la fisica del neutrone è affidata a Firenze con Gilberto Bernardini mentre Padova ottiene i raggi cosmici con Bruno Rossi.

A Lipsia, Heisenberg intuisce subito le potenzialità fornite dall’esistenza del neutrone e sviluppa un modello quanto-meccanico di nucleo, composto da soli protoni e neutroni, che agiscono tra di loro con un complesso di forze il quale include forze di scambio analoghe a quelle del legame chimico quantistico. Questi risultati sono esposti in tre lavori editi nella prestigiosa «Zeitschrift für Physik» a partire dal luglio 1932, pochi mesi dopo la scoperta del neutrone. A Lipsia, Majorana riceve il terzo lavoro in copia prima della pubblicazione, e apporta alcuni miglioramenti fondamentali. Le sue forze di scambio mutano solo le posizioni di protoni e neutroni e sono di segno opposto a quelle di Heisenberg. Tutte le altre complicate forze sono eliminate. Resta solo la repulsione coulombiana tra i protoni. La costruzione del modello è estremamente interessante. Dopo una critica serrata all’impostazione di Heisenberg, egli adotta un punto di vista strettamente fenomenologico e introduce le ipotesi minimali necessarie, con l’obiettivo di ottenere una densità sostanzialmente costante per i vari nuclei. Heisenberg riconosce in pieno la validità della proposta e la valorizza nel corso di seminari in Germania, e in maniera eclatante nella Conferenza Solvay a Bruxelles (ottobre 1933).

Dopo il successo di Lipsia, la ricerca in fisica nucleare a Roma subisce, da parte di Fermi, un energico riorientamento. Il modello nucleare a protoni-neutroni di Heisenberg-Majorana, basato sulla meccanica quantistica, apre la strada verso la teoria di Fermi del decadimento beta, basato sulla teoria quantistica dei campi, dove elettrone e neutrino sono creati al momento dell’emissione beta. Non vi sono elettroni preesistenti nel nucleo. Viene riconosciuta in pieno la centralità del neutrone, e Fermi scopre la radioattività indotta da neutroni nel marzo 1934, guidato dalla sua teoria del decadimento beta. La scoperta degli effetti prodotti dal rallentamento dei neutroni completa lo straordinario ciclo di risultati ottenuti da Fermi nel periodo dicembre 1933-ottobre 1934, che gli varranno il premio Nobel nel 1938. Queste linee di ricerca sovvertono completamente la pianificazione prevista precedentemente. Roma diventa il centro mondiale della fisica del neutrone. Non vi è dubbio che Majorana, con il suo modello nucleare, è stato alla base di questo successo.

Dopo il ritorno da Lipsia, seguono anni in cui vi è assenza totale di pubblicazioni. I suoi interessi scientifici sono parzialmente ricostruibili tramite le parti più originali dei programmi presentati per il corso libero, che comunque non riesce mai a tenere. Assistiamo a un sorprendente risveglio agli inizi del 1937, forse in concomitanza con il previsto concorso nazionale di fisica teorica per un posto di professore a Palermo. Compare il lavoro forse più importante della sua vita (Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone), in cui viene formulata una teoria quantistica dei campi interagenti, basata su un principio variazionale per grandezze non commutative. Vi si riconosce che le equazioni d’onda relativistiche trovano una corretta interpretazione fisica solo nell’ambito di una teoria di seconda quantizzazione (teoria dei campi). Il ‘mare’ di Dirac (stati elettronici a energia negativa tutti occupati) è completamente eliminato. Inoltre risulta possibile l’esistenza di una particella elementare di spin ½, che coincide con la propria antiparticella (neutrino di Majorana). Il lavoro è tuttora attuale, anche dal punto di vista sperimentale, come mostrano le ricerche in corso sul doppio decadimento beta senza neutrini, e gli studi sulla influenza del neutrino di Majorana in modelli cosmologici.

Al periodo della sua nomina diretta come professore ordinario di fisica teorica presso l’Università di Napoli risale un importante documento inedito sul metodo scientifico. Si tratta di una lettera allo zio Dante, del 27 dicembre 1937, conservata in copia presso il Fondo Majorana della Biblioteca regionale universitaria Giambattista Caruso di Catania (box 217), che recita:

Caro zio Dante, Ti ringrazio […]. Grazie anche per i tuoi commenti sul metodo. Permettimi di aggiungere una mia impressione. Io credo nell’unità della scienza, ma appunto perché ci credo sul serio, penso che finché esisteranno praticamente scienze distinte con oggetti diversi, nessuno errore sia così pernicioso come la confusione dei metodi. In particolare il metodo matematico non può essere di alcuna sostanziale utilità in scienze che sono attualmente estranee alla fisica. In altre parole, se un giorno si scoprirà la faccia matematica dei più semplici fatti della vita o della coscienza, questo certissimamente non accadrà per una naturale evoluzione della biologia o della psicologia, ma solo perché qualche ulteriore radicale rinnovamento dei principi generali della fisica permetterà di estenderne il dominio in campi che le sono ancora estranei. L’esempio più significativo è offerto dalla chimica che dopo essere vissuta a lungo e con grande gloria come scienza indipendente è stata negli ultimi anni integralmente assorbita dalla fisica. Ciò è stato reso possibile dal sorgere della meccanica quantistica, mentre nessun utile rapporto si era potuto stabilire fra la chimica e la meccanica classica. In attesa che la fisica compia nuovi miracoli, si dovrebbe quindi raccomandare ai cultori delle altre discipline di affidarsi ai metodi propri di ciascuna, e di non cercare modelli o suggestioni nella fisica di oggi, meno ancora in quella di ieri, perché la fisica che potrà un giorno dire la verità definitiva su fatti biologici o morali, è qualche cosa di cui non abbiamo ancora alcun presentimento.

La lettera sembra quasi il preannunzio dello sviluppo dei metodi della fisica dei sistemi complessi, che attualmente permettono la trattazione di problemi di biologia, di sociologia, di economia, nell’ambito di modelli ispirati dalla fisica.

Dopo la sua nomina a Napoli, svolge regolarmente il corso di fisica teorica ed emerge subito l’intento di differenziare questo corso da quello di Fermi, in particolare sviluppando in pieno dettaglio alcuni dei punti concettuali più importanti, per i quali Fermi dà solo pochi cenni, come, per es., le correzioni relativistiche allo spettro dell’atomo di idrogeno. Gli studenti seguono le lezioni con interesse e qualche difficoltà.

La scomparsa

Senza alcun indizio premonitore apparente, scompare improvvisamente alla fine del marzo 1938, in circostanze ancora non completamente chiarite. Le ricerche effettuate dalla famiglia, e dalle autorità di polizia e di governo, sono solo parzialmente documentate e sembrano cessare verso marzo-aprile 1939. Di particolare importanza risulta una lettera di Gilberto Bernardini a Gentile Jr, facilmente databile dal contesto ad aprile-maggio 1938, e quindi alcune settimane dopo la scomparsa, conservata presso l’archivio del dipartimento di fisica dell’Università di Roma La Sapienza (Collezione Giovanni Gentile Jr, sez. II, serie 1, box 1, cartella 1). Ecco il testo delle prime frasi: «Caro Giovanni – Come puoi immaginare la notizia di Majorana mi ha dato una vera gioia. Non è molto bello forse, ma in compenso non è una cosa così tragica come si pensava e ci se ne può rallegrare –».

Pare quindi che Bernardini e Gentile siano particolarmente informati sul destino del loro amico. Di certo la scomparsa non ha comportato una tragedia, come il suicidio. Il 3 novembre 1939 la rivista «Le Missioni della Compagnia di Gesù» pubblica l’annuncio che è stata fondata una borsa di studio, finanziata con la ragguardevole cifra di 20.000 lire, per l’educazione di un missionario e intitolata al nome dello scomparso Ettore Majorana. Informazioni importanti sono contenute nella corrispondenza intercorsa tra la famiglia, in particolare il fratello maggiore Salvatore, e l’amministrazione della rivista. In una lettera del padre Ettore Caselli S.I., su carta intestata dell’amministrazione de «Le Missioni», datata Venezia, 22 settembre 1939, indirizzata al sig. Salvatore Majorana, Roma, si legge:

A graditissima V/. d’ieri. Ammiriamo sinceramente il V/. atto generoso per il compianto Ettore Majorana. Il Signore premi la V/. grande fede ed il Vostro santo affetto per il caro estinto. Possiamo assicurarvi che non vi è nessuna difficoltà per l’intestazione della Borsa di Studio al nome di Ettore Majorana, considerandolo come il fondatore e rendendolo partecipe di tutti i vantaggi spirituali connessi alla stessa fondazione.

Copia di questa lettera è anch’essa custodita presso l’archivio storico del dipartimento di fisica a Roma (box: Materiali pervenuti). L’istituzione della borsa di studio, e la corrispondenza intercorsa, mostrano che Ettore Majorana deve considerarsi deceduto prima del settembre 1939. Ulteriori approfondite indagini saranno necessarie per fornire le ragioni della scomparsa alla fine del marzo 1938, e quelle del decesso circa un anno dopo la scomparsa.

Riportiamo ancora le ultime frasi di una breve biografia inedita, scritta da suo zio Giuseppe nel 1940, e conservata presso il citato Fondo Majorana di Catania (box 217-218):

[…] un altro bravo Figliolo e Concittadino e Grande Siciliano è scomparso, e noi dobbiamo inchinarci di fronte alla tragedia, ammantandoci per quanto sia possibile, e non possiamo sfuggirne, dell’incommensurabile dolore della madre e dei fratelli. Oh padre tre volte felice che avevi prima di lui raggiunte le porte dell’Altra Dimora.

La sua improvvisa scomparsa ha innescato una serie di congetture sulle modalità e le motivazioni. Di particolare interesse è il ritratto di Leonardo Sciascia (1975), che ha contribuito in maniera essenziale alla conoscenza di Majorana, sia pure in un contesto letterario, al di fuori degli ambienti strettamente scientifici. La scomparsa sarebbe dovuta a una complessa crisi spirituale (forse basata su una presunta intuizione dei possibili orrori nucleari), con conseguente ritiro in un luogo appartato (convento).

In conclusione, Ettore Majorana, insieme alla sua eredità scientifica, universalmente riconosciuta, trasmette anche una solida eredità culturale e umana, ancora tutta da esplorare nei suoi aspetti più profondi.

Opere

E. Majorana, G. Gentile Jr, Sullo sdoppiamento dei termini Roentgen e ottici a causa dell’elettrone rotante e sulle intensità delle righe del cesio, «Rendiconti dell’Accademia nazionale dei Lincei», s. VI, 1928, 8, 5-6, pp. 229-33.

Ricerca di un’espressione generale delle correzioni di Rydberg, valevole per atomi neutri o ionizzati positivamente, «Il Nuovo Cimento», 1929, 6, pp. XIV-XVI.

Sulla meccanica dei nuclei radioattivi, tesi di laurea 1929, Roma, Archivio del dipartimento di fisica dell’Università La Sapienza, Collezione Giovanni Gentile Jr, sez. VI, serie 2, box 7, cart. 1.

Sulla formazione dello ione molecolare di elio, «Il Nuovo Cimento», 1931, 8, pp. 22-28.

Reazione pseudopolare fra atomi di idrogeno, «Rendiconti dell’Accademia nazionale dei Lincei», 1931, 13, pp. 58-61.

I presunti termini anomali dell’elio, «Il Nuovo Cimento», 1931, 8, pp. 78-83.

Teoria dei tripletti P′ incompleti, «Il Nuovo Cimento», 1931, 8, pp. 107-13.

Atomi orientati in campo magnetico variabile, «Il Nuovo Cimento», 1932, 9, pp. 43-50.

Teoria relativistica di particelle con momento intrinseco arbitrario, «Il Nuovo Cimento», 1932, 9, pp. 335-44.

Nuove ricerche sulla teoria dei nuclei, «La ricerca scientifica», 1933, 4, p. 522.

Über die Kerntheorie, «Zeitschrift für Physik», 1933, 82, pp. 137-45.

Sulla teoria dei nuclei, «La ricerca scientifica», 1933, 4, 1, pp. 559-65.

Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone, «Il Nuovo Cimento», 1937, 14, pp. 171-84.

Il valore delle leggi statistiche nella fisica e nelle scienze sociali, a cura di G. Gentile Jr, «Scientia», 1942, 36, pp. 58-66.

Inoltre, presso la Domus Galilaeana di Pisa, sono conservate le sue note di ricerca sopravvissute, insieme con gli originali manoscritti di alcuni lavori e le note a base delle sue lezioni a Napoli nel 1938, come descritti da Francesco Guerra e Nadia Robotti (L’archivio Majorana presso la Domus Galilaeana: storia e attualità, «Il Veltro», 2008, 4-6, pp. 41-74).

Bibliografia

E. Amaldi, La vita e l’opera di Ettore Majorana, Roma 1966.

L. Sciascia, La scomparsa di Majorana, Torino 1975.

Ettore Majorana. Scientific papers on occasion of the centenary of his birth, ed. G.F. Bassani, Bologna-Berlin 2006.

F. Guerra, N. Robotti, Ettore Majorana. Aspects of his scientific and academic activity, Pisa 2008.

F. Guerra, N. Robotti, La borsa di studio della rivista «Missioni»: un punto fermo sulla vicenda di Ettore Majorana, «Il Nuovo Saggiatore», 2012, 28, p. 86.

F. Guerra, N. Robotti, The disappearance and death of Ettore Majorana, «Physics in perspective», 2013, in corso di stampa.