Enrico Fermi 1901 – 1954

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Marco M.Massai - novembre 2010

Fisico sperimentale

Corso di Cultura e Metodo Scientifico - a.a. 2010 - 2011

Altri seminari (Aula C, 16.00 - 18.00):

Venerdì 12/11:: Prof. Francesco Romani “Mente e macchine”

Venerdì 19/11: Prof.ssa Anna Maria Rossi “Le presunte basi biologiche del razzismo

”

…ma anche: Open Week della Facoltà di Scienze MFN

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Fisico sperimentale

Corso di Cultura e Metodo Scientifico - a.a. 2010 - 2011

…dove si raccontano le imprese di un fisico, l’ultimo forse nella storia della scienza, che si è conquistato la fama sia con lavori geniali ed innovativi nel campo della Fisica

Teorica, sia con imprese tecnico-sperimentali tra le più grandi che l’uomo avesse mai tentato fino ad allora…

…si racconta anche di un scienziato che ha avuto i

maggiori riconoscimenti, in patria ed all’estero, assieme ai suoi principali collaboratori ed amici…

…e si racconta quindi di un uomo che ha fatto delle scelte che mai prima di allora nessuno era stato chiamato a fare.

…scelte a volte non condivisibili.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Il Dipartimento di Fisica ‘E.Fermi’ a Pisa

Enrico Fermi

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Enrico Fermi

I contenuti:

I parte: la Scienza 1) premessa

2) breve biografia 3) Fermi teorico

4) Fermi sperimentale

5) Fermi, matematico sperimentale II parte: la Scienza e l’Etica

1) alcune domande a Enrico Fermi 2) alcune risposte…

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Premessa - 1

Avventurarsi in un percorso che tracci l’attività sperimentale di Enrico Fermi vuol dire incontrare numerose scoperte, invenzioni, misure, idee, molte

delle quali hanno contribuito a caratterizzare il mondo come lo vediamo oggi, anche a distanza di decenni.

E per un fisico che ha lasciato segni altrettanto

indelebili in molti campi della fisica teorica, questo fatto è semplicemente straordinario.

Giugno 2009 - Cerimonia di

donazione di 9 manoscritti giovanili di Fermi all’Università

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Non un’analisi per aree di ricerca omogenee, ma un semplice racconto, quasi una cronaca, un diario su oltre 30 anni di lavoro, credo che più di ogni altro metodo possa assicurare una sufficiente comprensione dell’eredità che Fermi ha lasciato alla Scienza e alla Società

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Enrico Fermi 1901 – 1954

…“Come in pochi altri casi nella storia della fisica (primo fra tutti quello di Galileo) cercare di separare lo scienziato teorico da quello sperimentale è un’operazione chirurgica dall’esito dubbio, una sorta di

lobotomia intellettuale scarsamente giustificabile”…

Paolo Rossi già Direttore del Dip. di Fisica ‘E.Fermi’, Preside della Facoltà di Scienze MFN

Ricorderemo i numerosi segni che a distanza di quasi un secolo, ormai, sono lì ad indicare l’originalità, la profondità del lavoro scientifico di Enrico Fermi.

Solo dopo questa breve presentazione, cominceremo una disamina più dettagliata del suo lavoro come fisico

sperimentale.

E per seguire questo percorso dovremo toccare i più disparati campi della Fisica e della tecnologia.

Dopo una breve biografia, ricca di avvenimenti che segnano alcune decadi del Novecento e che sono tra i più indelebili della Storia dell’Uomo, vengono richiamati i principali

contributi che Fermi ha lasciato nel campo della Fisica Teorica.

Premessa - 2

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Una breve biografia

Enrico Fermi nasce a Roma il 29 settembre 1901.

Trascorre un’infanzia normale in una famiglia piccolo borghese; il padre è ispettore delle Ferrovie.

A quattordici anni rimane sconvolto per l’improvvisa morte del fratello maggiore, al quale era legato profondamente e con il quale aveva fatto i primi esperimenti scientifici; si dedica quindi allo studio della fisica e della matematica, che affronta in modo originale studiando anche sul massiccio trattato di novecento pagine in latino Elementorum Physicae Mathematicae del padre gesuita Andrea Caraffa (trovato

chissà come su una bancarella a Campo de’ Fiori).

Enrico diventa presto amico di Enrico Persico, già amico del fratello; con Aldo Pontremoli, purtroppo destinato a

scomparire prematuramente durante la sfortunata spedizione polare di Umberto Nobile, condividerà la vittoria della prima cattedra di Fisica Teorica, nel ‘26

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Nella carriera scolastica Fermi non appare ai suoi professori come uno

studente eccezionale, anche se certamente bravo e dotato. In particolare, i suoi componimenti, asciutti e sintetici, in un periodo nel quale veniva apprezzata la retorica e la magniloquenza, non gli garantiscono voti alti, che invece rimangono solo sulla sufficienza.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Una breve biografia

Gli studi universitari non gli possono portare maggiori conoscenze di quante egli ne acquista da autodidatta; sicuramente, invece, la necessità di affrontare la pratica del Laboratorio, lo avvicina al mondo della Fisica Sperimentale.

Affronta quindi lo studio della relatività generale (che era stata da poco validata dalle osservazioni di Lord Eddington, nella primavera del 1919), del calcolo tensoriale, della meccanica quantistica (nella formulazione di Bohr-Sommerfeld), della fisica atomica.

Il direttore dell’Istituto di Fisica di Pisa, il fisico sperimentale Puccianti, gli chiede presto di organizzare seminari su queste materie, all’epoca del tutto sconosciute alla maggioranza dei fisici italiani.

Cambia tutto quando si presenta al concorso di ammissione alla Scuola Normale (1918), su

raccomandazione di un amico di famiglia che lo aveva seguito negli ultimi anni liceali. In questa occasione, Fermi sbalordisce la Commissione per la sua straordinaria preparazione fisico-matematica. Vito Volterra, fisico, matematico, tra i maggiori in Italia ed in Europa, sospetta che l’elaborato non sia opera sua e lo aspetta per il colloquio: ma si ricrede subito!

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Il fisico teorico

I primi lavori teorici di Fermi, studente del terzo anno, compaiono sul Nuovo Cimento nel 1921. Si tratta degli articoli dal titolo:

Sull’elettrostatica di un campo gravitazionale uniforme e Sul peso delle masse elettromagnetiche in cui è messa in evidenza

un’apparente contraddizione tra il calcolo della massa effettuato nell’ambito della teoria di Lorentz e il principio di equivalenza di Einstein; l’altro lavoro è:

Sulla dinamica di un sistema rigido di cariche elettriche in moto traslatorio.

Fermi risolve in poco tempo la contraddizione, e pubblica il risultato nel 1922 nei Rendiconti dell’Accademia dei Lincei.

Sempre nel 1922, il primo contributo teorico

veramente importante, con l’articolo Sopra i fenomeni che avvengono in vicinanza di una linea oraria, in cui sono introdotte le coordinate che in seguito verranno appunto dette “di Fermi”.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Il fisico teorico 1923 - 1924

In questi anni Fermi si dedica completamente alla fisica teorica, come dimostra la serie di articoli del 1923:

Il principio delle adiabatiche ed i sistemi che non ammettono coordinate angolari

alcuni teoremi di meccanica analitica sulle teorie dei quanti e

Sulla teoria statistica di Richardson dell’effetto fotoelettrico,

prodotti durante il semestre di permanenza a Göttingen alla scuola di Max Born, dove peraltro Fermi non fece una buona esperienza.

Tornato da Göttingen Fermi inizia a occuparsi dei problemi che la meccanica quantistica apre nel contesto della fisica statistica, prima con il lavoro

Sulla probabilità degli stati quantici poi nel gennaio 1924 con l’articolo

Considerazioni sulla quantizzazione dei sistemi che contengono elementi identici

Questo lavoro rappresenta il primo passo verso quella che nel giro di un paio d’anni sarà una delle sue fondamentali

scoperte, la cosiddetta statistica di Fermi-Dirac.Marco M.Massai - novembre 2010

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Enrico Fermi 1901 – 1954

La ricerca teorica di Fermi prosegue prima a Leiden, presso Ehrenfest, dove scrive Sopra l’intensità delle righe multiple

ottenendo un accordo con i dati migliore di quello di Heisenberg e Sommerfeld, Quindi torna in Italia, a Firenze, dove insegna fisica matematica. Qui invece, inizia ricerche di tipo sperimentale con il vecchio (25 anni!) amico di scorrribande a Pisa, Franco Rasetti.

Compare quell’anno la meccanica delle matrici di Heisenberg, che sta alla base della nuova meccanica quantistica, ma Fermi è maggiormente affascinato dalla formulazione ondulatoria di Schrödinger (che poi si dimostrerà equivalente a quella di Heisenberg) e scrive

Sulla meccanica ondulatoria dei processi d’urto.

La Fisica Teorica compie In quegli anni progressi formidabili: in quello stesso 1925 Pauli (un altro giovane genio), formula il principio di esclusione che porterà il suo nome, e che risulterà fondamentale anche per la comprensione della statistica degli stati quantici di particelle a spin semiintero.

Fermi coglie immediatamente tutta la rilevanza del principio di Pauli, e nel dicembre di quell’anno scrive

Sulla quantizzazione del gas perfetto monoatomico

prima formulazione della statistica quantistica che porterà il suo nome, insieme a quello di Dirac, che la scoprirà, indipendentemente da Fermi, sei mesi dopo.

Paul.A.M.Dirac

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Fermi non accede alla cattedra di fisica

matematica del 1925, ma nel 1926 vince quella, prima in Italia, di fisica teorica.

Viene chiamato a Roma, all’Istituto che ha sede in via Panisperna; nel 1927 Fermi applica la propria statistica al modello atomico (modello di Fermi- Thomas).

Tuttavia trova sul suo cammino un gruppo di giovani straordinari (di nuovo Rasetti, poi Segré, Amaldi e Pontecorvo) con i quali, apparentemente in modo paradossale rispetto alla propria storia scientifica e alla cattedra appena vinta, Fermi si lancia nella ricerca sperimentale (vedremo in dettaglio in seguito).

Chi andasse a cercare nella lunghissima via Panisperna il vecchio Istituto di Fisica, non lo troverebbe: esso è a 7-8 metri al di sopra del piano stradale, compreso

all’interno del Viminale (Ministero degli Interni), quindi non accessibile al pubblico.

E’ abbandonato da anni, ma si sta ristrutturando per ospitarvi in Centro Fermi, con annesso un Museo. (Foto di MMM, dic.2009)

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Nel 1932, anno cruciale, vengono scoperti il neutrone e il positrone, e Majorana formula il suo modello del nucleo.

Due mesi dopo il settimo congresso Solvay

(ottobre 1933), Fermi pubblica sul Nuovo Cimento, anche perchè Nature ha incomprensibilmente

respinto l’articolo:

Tentativo di una teoria dei raggi beta

contributo fondamentale, che contiene la teoria di Fermi delle interazioni deboli, che verrà in seguito universalmente accettata, e apre un nuovo campo nella ricerca teorica che oggi conosciamo come ‘interazioni fondamentali’.

Sono questi gli ultimi lavori in Fisica Teorica di Fermi, solo trentenne.

Ritornerà al lavoro teorico quando potrà contare sull’utilizzo di uno straordinario strumento: il calcolatore elettronico, nel 1953-54.

Il suo ultimo lavoro, scritto con Pasta e Ulam verrà descritto alla fine di questo seminario.

Si colloca in un campo di ricerca che dagli anni ‘60 in poi, verrà conosciuto come la moderna teoria del caos e dei sistemi complessi (o sistemi dinamici).

Un’altra rivoluzionaria visione della Natura.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Le attività sperimentali

Agli inizi del ‘Novecento la Fisica Teorica si è già affermata in Europa (Berlino, Bonn 1891, Kirchhoff, Hertz, Planck), ma in Italia la Fisica è solamente

sperimentale, pur essendo attivi degli ottimi Fisici

Matematici e Geometri, come Levi-Civita, Ricci, Enriquez, Bianchi.

Solo nel 1926 la prima cattedra di Fisica Teorica sarà bandita per Fermi.

Ma il cambiamento di scenario che veniva

sollecitato dalle nuove teorie in Fisica Atomica e dalle misure sempre più accurate che ne sostenevano la

validità, poneva già problemi epistemologici profondi:

quale era la realtà dei sistemi che venivano studiati attraverso i nuovi strumenti?

E poi, con la Meccanica quantistica e la Relatività mutava lo scenario di una Natura oggetto ‘esterno’ di studio e di indagine, e che invece diveniva sempre meno accessibile e sempre più mutevole, proprio sotto l’azione degli strumenti usati per studiarla.

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Gli esercizi ‘alla Fermi’

Come divertente (e forse utile premessa) ecco un esempio di come Fermi insegnava ai suoi allievi, tra il serio ed il faceto, ad affrontare semplici ma difficoltosi problemi, quasi da uomo della strada; ma anche da

scienziato, ottimo conoscitore della statistica!

“Quanti sono gli accordatori di pianoforte nell’area di Chicago?”

(Risposta: 125)

Questo è un tipico esempio di conti alla Fermi, nel quale con semplici stime, senso critico, un po’ di logica e di buon senso, si arriva a stimare il valore di grandezze apparentemente non accessibili.

Esempio:

Vediamo come funziona nel caso degli ‘accordatori di pianoforti di Chicago (negli anni ‘50!)’.

1. La zona di Chicago ha (nel 1940…) circa 5.000.000 di abitanti.

2. In ogni casa, a Chicago, in media, vivono due persone.

3. Possiamo stimare, anche in base alla propria esperienza, che in una casa su venti vi sia un pianoforte.

4. Un pianoforte viene accordato in media una volta all'anno.

5. Il tempo per accordare un pianoforte è di circa due ore.

6. Un accordatore lavora sette-otto ore al giorno, cinque giorni a settimana; e forse, 45-50 settimane all'anno.. Marco M.Massai - novembre 2010

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Gli esercizi ‘alla Fermi’

Questo approccio alle osservazioni sperimentali fatto con stime, anche approssimative, rappresenta

un’originale costante nel lavoro di Fermi. In molte

occasioni, egli era solito stimare il risultato previsto per valutare se valeva la pena eseguire un certo

esperimento.

E, viceversa, decidere se un modello era

sufficientemente buono, magari da migliorare, oppure era da respingere in base a delle misure, anche preliminari.

Ed è un metodo che ha delle solide basi statistiche che permettono di prevederne il successo.

Esempio:

Quante palline da tennis (D = 6 cm) sono contenute in una scatola di 0.60 x 0.60 x 0.30 cm³?

Risposta:

In prima battuta si può calcolare il rapporto n = V (scatola)/V(pallina).

Tuttavia, questo approccio semplicistico presuppone palline…cubiche e

perfettamente impilate. Quindi il problema si sposta su quale modello scegliamo per descrivere lo ‘scatolamento’ì delle palline. In effetti, si possono

immaginare palline una sull’altra (schema a matrice cubica) oppure sui vertici di una piramide (schema a tetraedro). In ciascuna situazione, il risultato è

diverso. Quindi, semplicemente da una misura di massa, senza aprire la scatola e curando di ridurre a sufficienza l’errore di misura, possiamo stabilire il

modello corretto. (Come in un cristallo…)

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1920

Pisa: Laboratorio del III anno di Fisica

Fermi, studente dell’Istituto di Fisica e allievo della Scuola Normale, inizia a frequentare il Laboratorio di spettroscopia assieme a Franco Rasetti e Nello Carrara. Le sue vaste ed esclusive conoscenze sulla fisica moderna, convincono il Direttore Prof. Puccianti a lasciare liberi questi ‘ragazzi’ di

frequentare il

Laboratorio.Costruiscono rudimentali apparati sperimentali per esplorare il mondo atomico alla ricerca di risposte per validare o falsificare la nuova teoria, la Meccanica

Quantistica, proposta da Bohr e da Sommerfeld.

Erano questi i ‘ragazzi’ di Piazza Torricelli’?

La Storia aveva in serbo un destino differente.Marco M.Massai - novembre 2010

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Nel marzo del ’22, prepara la tesi di laurea, sperimentale, sulle immagini di diffrazione dei raggi X prodotte da cristalli curvi. Lavoro pionieristico ma senza particolare originalità.

Dopo la discussione della tesi presso l’Università che gli conferisce la Laurea in Fisica, discute una relazione per la Scuola Normale su argomenti di

Astrofisica Teorica (teoria delle probabilità applicata allo studio delle comete).

1922

Pisa: tesi di laurea: Diffrazione di raggi X

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Tra i molti argomenti che affronta in questo periodo,

soprattutto di carattere teorico, costruisce un modello, per analogia con l’interazione di un fotone con l’atomo che

rimane ionizzato, per descrivere l’effetto ionizzante di elettroni energetici che urtano atomi.

Questo fenomeno è alla base del funzionamento dei rivelatori di particelle a gas, dal Geiger (1913) alle più recenti

Microgap Gas Chamber (Pisa, 1998).

1924

Roma, Leida: interazione ionizzante tra elettroni ed atomi.

Fermi è pioniere anche in un campo al quale da Pisa arriveranno geniali innovazioni, negli anni Cinquanta, con il lavoro del Prof. Adriano Gozzini sui rivelatori di raggi cosmici.

E poi, ancora, negli anni settanta, ottanta e novanta, a Pisa verranno ideati nuovi, fondamentali strumentii, con lo sviluppo di rivelatori innovativi, utilizzati nei principali esperimenti di Fisica delle particelle:

rivelatori a gas, tracciatori al silicio, calorimetri a liquido nobile. Marco M.Massai - novembre 2010

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Viene chiamato a Firenze e vi ritrova l’amico Rasetti, con il quale comincia ad

allestire un Laboratorio per fare misure di spettroscopia molecolare utilizzando la

radiazione e.m. nell’intervallo delle microonde.

Costruiscono bobine, rivelatori, circuiti elettrici, sempre dopo aver fatto dei conti, approssimativi, certo, ma in grado di portare ad apparati funzionanti.

1925

Firenze - Spettroscopia a microonde

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Arrivato all’Istituto di Fisica, a Roma, nel ’26 e fino al ’31, Fermi su

incarico del Direttore Corbino mette su un moderno Laboratorio di spettroscopia atomica e molecolare, basandosi sull’esperienza di Rasetti e di nuovi giovani che vengono

reclutati a questo scopo: Edoardo Amaldi, Emilio Segrè, Bruno Pontecorvo.

1927

Roma - Laboratorio di spettroscopia

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Fermi decide di abbandonare la Fisica Atomica e dedica gli sforzi del suo gruppo allo studio del nucleo. Rasetti, Segrè vanno ad acquisire esperienza sulle tecniche di rivelazione frequentando i migliori Laboratori europei.

A dare un contributo sul piano teorico che diverrà storico, arriverà presto un giovane, Ettore Majorana, con il quale Fermi avrà occasione di confrontarsi molte volte. Ed al quale riconoscerà il valore superiore, persino a se stesso.

1929

Roma - Laboratorio di via Panisperna

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Enrico Fermi 1901 – 1954

In questo Congresso si delineano le nuove linee di ricerca sperimentale nello studio del nucleo atomico.

L’impulso decisivo verrà con le scoperte del 1932 del neutrone (Chadwick) che rivoluzionano le ipotesi sul modello del nucleo dell’atomo: non più elettroni e protoni, ma protoni e neutroni. Il nucleo diventa la nuova frontiera della ricerca in Fisica della materia.

1931

Roma - Congresso Internazionale di Fisica Nucleare

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Con la scoperta della radioattività artificiale indotta da particelle alfa (carica ++) fatta nel gennaio del ’34 da Irene Curie e Frederic Joliot, si apre la sperimentazione sulla

stabilità del nucleo. Fermi, Rasetti ed il loro gruppo decidono di cambiare tecnica: utilizzeranno neutroni che possono avvicinarsi al nucleo senza dover incontrare la repulsione

coulombiana che invece limita l’utilizzo di particelle alfa.

Costruiscono una camera a nebbia, diffrattometri per raggi gamma e contatori Geiger-Mueller per

potenziare il loro Laboratorio. E’ un clamoroso successo: nel giro di alcuni mesi vengono sottoposti a

bombardamento con neutroni tutti gli elementi della scala di Mendeleev, e verranno prodotti oltre la metà degli isotopi radioattivi scoperti nel

mondo.

1934

Roma - Radioattività artificiale

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Nell’estate del ’34 conclusero il loro lavoro bombardando il torio (90) e l’uranio (92), ultimo elemento conosciuto. Osservarono ancora radioattività che fu spiegata, pur con molti dubbi, con la creazione di nuovi elementi

della scala, detti ‘trans-uranici’. Fermi non ne era convinto; ma la notizia trapelò

diffondendosi nel mondo, dove in altri

laboratori fu confermata: esperio ed ausonio (dai nomi di antiche popolazioni italiche…), se vennero accolti come una grande novità, per Fermi rappresentarono un cruccio in quanto non fu mai sicuro della interpretazione dei

risultati sperimentali. In realtà avevano scoperto la fissione dell’uranio indotta da neutroni con 4-5 anni di anticipo. Ma non se ne accorsero.

1934

Roma - Radioattività artificiale

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Fermi si accorge degli strani

risultati che si ottengono dal bombardamento dell’argento con neutroni. Le misure sono instabili, non si riescono a riprodurre,

cambiano in continuazione. Sembra addirittura che esse dipendano dal supporto (tavolo di legno o di marmo!) sul quale viene posto l’apparato sperimentale. Ed in parte così è.

La presenza di materiale ricco di nuclei

leggeri, come l’idrogeno, rallenta i neutroni che ‘diventano più grandi’. E’ il 20 ottobre e Fermi fa la scoperta che lo porterà al Premio Nobel.

1934, 20 ottobre

Roma, via Panisperna

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Il 26 ottobre del 1935 viene

presentata richiesta di brevetto a nome di tutti i membri del Gruppo.

1934, 20 ottobre

Roma, via Panisperna

« I neutroni per urti multipli contro

nuclei di idrogeno, perdono rapidamente la propria energia. È plausibile che la sezione d'urto

neutrone-protone cresca al calare dell'energia e può quindi pensarsi che dopo alcuni urti i neutroni vengano a muoversi in modo analogo alle molecole diffondentesi in un gas, eventualmente riducendosi fino ad avere solo l'energia cinetica competente all'agitazione termica. Si formerebbe così intorno alla sorgente qualcosa di simile a una soluzione di neutroni nell'acqua o nella paraffina.»

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Fermi, nella richiesta di finanziamenti che presenta alle autorità italiane, mette in evidenza due aspetti:

uno tecnico, e cioè la necessità di costruire nuovi acceleratori di particelle, come stavano facendo negli USA, allo scopo di avere a disposizione fasci di

neutroni più intensi, in quanto le sorgenti radioattive avevano dei limiti intrinseci (bassa intensità).

1938

Roma - Richiesta di finanziamenti

Ma ormai il Gruppo di via Panisperna (con questo nome passerà alla Storia) non esisteva già più.

Pontecorvo era a Parigi dal ‘36, presso il Laboratorio di Joliot; Rasetti andò negli Stati Uniti, dove aveva lavorato con successo dieci anni prima, mentre Segrè era a

Berkeley al momento della proclamazione delle leggi razziali, il 18 settembre 1938.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

« Un altro importante campo di studi, per il quale si hanno già

promettentissimi inizi, è l'applicazione di sostanze radioattive artificiali quali indicatori per l'analisi di reazioni chimiche.

Non meno importanti si prospettano le applicazioni nel campo

biologico e medico. Tale importanza è stata riconosciuta in vari paesi nei quali le ricerche sulla radioattività artificiale sono largamente

sovvenzionate da istituzioni mediche. Alcune applicazioni riguardano le sostituzione delle sostanze radioattive a quelle naturali per gli usi terapeutici.»

1938

Roma - Richiesta di finanziamenti

Il secondo riguarda le applicazioni della

radioattività artificiale:

Chi sa come si lavora in un moderno ospedale sa quale aiuto venga oggi dal sapiente

utilizzo di sostanze radioattive, naturali e

artificiali, nella diagnostica e nella terapia.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Il 10 dicembre riceve il Premio Nobel, a 37 anni, ‘per la scoperta di numerosi elementi radioattivi e del meccanismo di rallentamento dei neutroni’.

Da Stoccolma Fermi passa in Inghilterra e da lì si imbarca sulla Motonave Franconia; sta andando negli USA per un periodo di studio, su invito della

Columbia University.

1938

Stoccolma - La consegna del Nobel

Sa bene che sta lasciando l’Italia per sempre.

Ma sa anche che ormai lascia ben poco.

Il suo Gruppo si è disperso, anche a seguito del clima razzista creato e alimentato dal Governo in Italia, che gli anche ha negato i mezzi per proseguire le sue

ricerche.

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1938

Il certificato del Nobel

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Appena arrivato a NY, Fermi inizia subito a lavorare nei Laboratori della Colombia con Leo Szilard allo studio della fissione dell’uranio;

come era stato osservato per la prima volta a Berlino da Otto Hahn e Fritz Strassmann (e

correttamente interpretato da Lise Meitner, esule in Inghilterra), e pubblicato proprio mentre

Fermi era in viaggio verso l’America. Il 25

gennaio osservava per la prima volta i risultati della fissione provocata da neutroni lenti.

Si trattava ora di costruire un modello che prevedesse quantitativamente i risultati degli esperimenti. Fermi ha l’intuizione che nello sconvolgimento del nucleo seguito alla fissione si possa liberare uno o più neutroni e che questi possano essere usati per indurre la fissione di altri nuclei.

E’ l’idea che è alla base della pila atomica; ma anche della bomba A.

1939

New York - Puppin Laboratories, Columbia University

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1942

Chicago - La prima pila atomica

“Il navigatore italiano è appena sbarcato nel nuovo mondo”.

E’ la frase in codice con la quale Arthur Compton comunica al Presidente degli Stati Uniti l’avvenuto successo dell’esperimento di Fermi al Metallurgical Laboratory.

Dopo Alessandro Volta, un altro italiano è legato al

nome della pila (anche se le similitudini finiscono alla definizione…).

Nel Laboratorio allestito sotto le tribune dello stadio di Chicago, in mezzo alla città, Fermi ha condotto in porto la realizzazione della prima pila atomica: ha liberato una parte dell’energia racchiusa nel nucleo dell’uranio.

Ma ha anche prodotto Plutonio 239, necessario per produrre un secondo tipo di bomba A.

Arthur Compton

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1942

Los Alamos - Dipartimento F

L'11 ottobre 1939, al presidente Roosevelt, venne consegnata una lettera firmata da Albert Einstein (trascritta da Leo Szilard), che sollecitava gli Stati Uniti a sviluppare rapidamente un programma di armamento atomico.

Alla Columbia University Enrico Fermi costruì un prototipo di reattore nucleare, usando varie configurazioni di grafite e uranio.

Il Generale Leslie Groves (a sinistra) venne nominato

comandante militare del Progetto Manhattan, mentre Robert

Oppenheimer (a destra) direttore scientifico.

Il Progetto Manhattan Il Progetto Manhattan, ideato nel 1939 come proponimento di ricerca, nel 1942 mutò i suoi obiettivi e crebbe fino a occupare più di 130.000 persone e costando alla fine oltre 2 miliardi di dollari dell'epoca (corrispondenti a 28 miliardi di dollari del 2008).

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1942

Los Alamos - Dipartimento F

Nel periodo di Los Alamos, Fermi dirige il

Dipartimento F (Fermi!), creato a posta per dare un supporto a tutti gli altri gruppi di Ricerca nei vari settori. Fin dal primo momento, Fermi utilizzò la pila come sorgente di neutroni molto intensa per studi di purezza della grafite, necessaria come assorbitore.

Anche di fronte ad un problema tecnico come quello della scelta del sistema di raffreddamento per il reattore di potenza che doveva produrre plutonio, Fermi suggerì il sistema che poi venne scelto.

Egli sostenne i suoi argomenti con calcoli

approssimati e tuttavia, convincenti e corretti.

L’alternativa era tra il sistema proposto da Fermi, raffreddamento ad acqua, rispetto a quello a elio

gassoso proposto dagli Ingegneri o a quello basato sul bismuto fuso, proposto da Szilard.

Ovviamente era un problema mai incontrato prima.

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1943 – 1944

Argonne - Studi di fisica dello stato solido

Nei due anni successivi, Fermi utilizzò la fonte di neutroni per

studiare il loro comportamento

nell’interazione con la materia: dalle prime osservazioni della riflessione e diffrazione di neutroni da parte di cristalli nasce l’ottica neutronica.

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1944

Hanford - primo reattore di potenza

Chiamato ad assistere all’accensione, che avvenne con

successo, dopo alcune ore il reattore cominciò a ‘spegnersi’. Fermi ipotizzò la presenza di un ‘veleno’ che

prodotto nella reazione, induceva una perdita di neutroni portando

all’inibizione della reazione a catena.

Solo dopo molti giorni fu

trovato un eccesso di Xenon-135 (vita media 9.4 ore) che aveva una elevata sezione d’urto per cattura dei

neutroni. Realizzato un sistema di filtraggio, il problema fu risolto.Marco M.Massai - novembre 2010

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Fermi assiste all’esplosione, e riesce a stimare il valore dell’energia liberata mediante l’osservazione dello spostamento di pezzetti di carta lasciati cadere sul pavimento. Un’ora dopo, è tra coloro che si recano sul punto dell’esplosione a prelevare campioni di terreno per studiarne la

radioattività creatasi a causa dell’esplosione nucleare.

1945

Alamogordo - La prima esplosione atomica

0.25 s, 2 s, 15 s dopo l’esplosione

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1945 Agosto

Hiroshima - Nagasaki

Le prime esplosioni atomiche della storia, su centri densamente popolati, possono essere anche considerate drammaticamente, due esperimenti dai quali sono state raccolte una sterminata

quantità di informazioni. Soprattutto su gli effetti delle radiazioni ad alte dosi sull’uomo.

Per fortuna, sono state anche le ultime, forse anche per quanto si è potuto imparare da quei tragici avvenimenti.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1949 Il meccanismo di Fermi

Nel 1949 Fermi pubblicò un lavoro nel quale proponeva un modello per spiegare la distribuzione in energia dei raggi cosmici che raggoingono la Terra provenienti

dallo spazio. Sono in massima parte protoni (ma anche nuclei di elio e di materiali più èpesanti. Lo spettro energetico è una tipica legge di potenza:

dN/dE = a E^-2.7

Fermi ipotizzò che le particelle venissero accelerate a causa di urti multipli con l’onda d’urto provocata dalle esplosioni delle

SuperNovae galatttiche, mentre la loro traiettoria veniva ‘curvata’ dal campo magnetico gaòlattico.

Proprio come un ‘acceleratore galattico’.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1949 Il meccanismo di Fermi

La lettera al suo allievo Cocconi che si occupava dello studio dei raggi cosmici, nella quale Fermi venuto a conoscenza della rivelazione di eventi ad altissima energia, descrive il suo nuovo modello.

La collisione di un protone con una nube magnetica può portare all’aumento dell’energia della particella.

Il meccanismo è simile all’urto tra due veicoli:

Se un camion urta un’auto ferma, questa acquista una velocità che al massimo è il doppio di quella del camion investitore,

indipendentemente dai valori delle masse, supposto che: M_c >> m_a. Quindi l’auto viene accelerata.

Un numero elevato di collisioni successive può far crescere

l’energia, che però non può eccedere un certo valore, fino a quando il raggio di Larmor non supera le dimensioni della galassia. A quel punto la particella abbandona la galassia dove è ‘nata’,

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1952-1954

Chicago - Gli ultimi studi

Come sempre, attratto da strumenti nuovi, Fermi, dopo aver preso confidenza con i programmi di calcolo e utilizzando i primi rudimentali ma già rivoluzionari calcolatori elettronici (MANIAC), si dedica ad un problema originale: i sistemi fisici non lineari.

Nel 1953 inizia lo studio, attraverso la simulazione numerica, di come evolve un sistema (unidimensionale) di 64

particelle tra le quali si esercita una forza con una componente non lineare.

Problema che verrà ancora considerato

‘nuovo’ dopo 20 - 30 anni.

Qualcuno ha visto in questo primo atto di simulazione numerica la nascita della Matematica Sperimentale-

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1952-1954

Fermi collabora con il matematico polacco Stanislaw Ulam e con l’informatico statunitense John Pasta a codificare un problema che passerà alla storia come ‘Il problema di Fermi-Pasta-Ulam’ e che rappresentò una vera e propria palestra nello studio di come può comportarsi un sistema, anche semplice, dove siano all’opera forze non-lineari (sistemi dinamici).

Dopo anni questo lavoro verrà riconosciuto come base per lo studio del caos deterministico.

Che ancora non era stato riconosciuto come parte integrante del mondo fisico-matematico.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1952-1954

L’importanza di questo lavoro pionieristico è molteplice.

Fisico: si cerca di capire come si evolvono dei sistemi fisici, anche elementari, quando le interazioni (forze agenti) non sono più lineari, ma compare una componente quadratica.

Matematico: nella ricerca di soluzioni, compaiono molte zone sconosciute della matematica che solo dopo decine di anni verranno esplorate compiutamente.

Informatico: l’uso del calcolatore per la prima volta diventa dirimente

rispetto alla determinazione della soluzione di un problema, in quanto solo il calcolo numerico può portare alla descrizion delle soluzio, altrimenti

inaccessibili per via analaitica.

xi'' = xi+1+ x i-1 -2 x i + k ( ( x i+1 - x i )2 - ( xi - x i-1 )2 )

http://digilander.libero.it/fantinma/fermi/fermi.htm

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1952-1954

Italia - Varenna

Fermi fa il suo ultimo viaggio in Italia

nell’agosto del ‘54 per un Convegno a Varenna, sul lago di Como. In questa occasione gli

giunge una richiesta dal Rettore

dell’Università di Pisa su come investire al meglio, ai fini della Ricerca, una cospicua somma che si era resa disponibile dal

trasferimento a Frascati del progetto di un Sincrotrone nazionale, che inizialmente doveva essere costruito a Pisa.

Fermi non ha dubbi: grazie alla sua diretta esperienza sui primi calcolatori sviluppati in America suggerisce di progettare e costruire un Calcolatore Elettronico per eseguire i complessi ma necessari calcoli che avrebbero permesso di trovare la soluzione di equazioni differenziali non integrabili analiticamente.

Nell’inverno del 1955 alcuni giovani ricercatori (fisici di Roma) vennero a Pisa per studiare le (poche) macchine elettroniche al mondo e buttare giù qualche idea sulla nuova calcolatrice.

Dopo pochi mesi il Gruppo incaricato formato da poche decine di ingegneri, fisici, matematici iniziò la progettazione esecutiva.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Pisa, alcuni anni dopo…

Le caratteristiche principali della CEP erano:

- lunghezza della parola di 36 bit;

- aritmetica in virgola fissa e in virgola mobile, in singola e doppia precisione;

- 128 istruzioni e 220 pseudoistruzioni;

- istruzioni di lunghezza fissa pari a una parola;

- 8192 (8K) parole di memoria a nuclei magnetici;

- 70.000 addizioni o 7.000 moltiplicazioni al secondo;

- entrata con lettore fotoelettrico; uscita con stampante parallela

CEP - Calcolatrice Elettronica Pisana

Nel 1957 inizia a funzionare la Macchina Ridotta, primo prototipo della CEP che dal ‘59 sarà il primo calcolatore interamente pensato, progettato, costruito e gestito in una Università italiana.

Ma l’impulso allo sviluppo di una nuova branca della Scienza non si esaurisce con l’hardware, anche se questo rimane basilare. L’enorme sforzo per sviluppare il

software necessario per gestire la CEO, favorisce

gradualmente la cerscita di una cultura che ormai si può già chiamere ‘informatica’: dieci anni dopo, nel 1969, nasce a Pisa il primo Corso di Laurea in Scienze

dell’Informazione d‘Italia.

Forse questa è l’ultima eredità di Fermi.

In fondo, ancora una nuova frontiera verso l’ignoto, e tuttavia, intravista

attraverso la sua capacità di fare i conti ‘alla Fermi’.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

1923

“La relazione tra massa ed energia ci porta senz’altro a delle cifre grandiose. Per esempio, se si riuscisse a mettere in libertà l’energia contenuta in un grammo di materia si otterrebbe un’energia maggiore di quella sviluppata in tre anni dal lavoro continuo di un motore di mille cavalli (inutili i commenti).

Si dirà con ragione che non appare possibile che, in un prossimo avvenire, si trovi il modo di mettere in libertà queste enormi quantità di energia, cosa del resto che no si può che augurarsi, perché l’esplosione di una così spaventosa quantità di energia avrebbe come primo effetto di ridurre in pezzi il fisico che avesse la disgrazia di trovare il modo di produrla.”

Conti, stime che gli avevano permesso, nel 1923, a

commento dellaprima edizione della Relatività Generale (August Kopff, Hoepli 1923), di fare la seguente

affermazione a proposito dell’equivalenza massa- energia:

Il giovane fisico Enrico fermi aveva 21 anni!

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Enrico Fermi 1901 – 1954

2010

Da “Il Giornale”, 30 ottobre 2010

Le scoperte del grande scienziato Enrico Fermi vengono oggi confermate dai nuovi mezzi messi a disposizione da una tecnologia allora sconosciuta.

Ad esempio l'ipotesi fatta dal premo Nobel sui meccanismi di accelerazione dei raggi cosmici trova ora conferma nelle osservazioni del satellite che la Nasa ha costruito dedicandolo proprio al fisico italiano morto a Chicago nel '54.

Più di sessanta anni fa Fermi per primo propose un meccanismo in grado di spiegare le enormi energie raggiunte dai raggi cosmici che permeano la nostra Galassia. Un ipotesi che adesso viene confermata dalle recenti osservazioni della missione per lo studio dei raggi gamma che la NASA ha dedicato proprio al famoso scienziato italiano.

Il cielo in ‘luce gamma’:

La fascia centrale corrisponde alla via Lattea, le croci verdi sono sorgenti extra- galattiche

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Enrico Fermi 1901 – 1954

2010

Da “Il Giornale”, 30 ottobre 2010 Il satellite Fermi, infatti, al quale l'Italia collabora con l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), l'Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) e l'Agenzia Spaziale Italiana (ASI), ha infine scovato la prova definitiva che dimostra come le teorie del fisico fossero giuste.

I raggi cosmici sono particelle cariche di altissima energia che raggiungono il nostro pianeta attraversandoci come una continua pioggerellina battente. Secondo l'ipotesi messa a punto da Fermi, i raggi cosmici vengono accelerati in dense nubi di gas magnetizzato in movimento. Il "meccanismo di Fermi", come fu definito, con le sue varianti è rimasto per molti anni l'unico procedimento praticabile.

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Enrico Fermi 1901 – 1954

Web-grafia:

http://www.youtube.com/watch?v=jk_pfyePEw4

http://www.youtube.com/watch?v=MfaOVuJJH1M&feature=related http://www.scholarpedia.org/article/Fermi-Pasta-Ulam_nonlinear_lattice_oscillations http://digilander.libero.it/fantinma/fermi/fermi.htm

Filmati sulla vita ed il lavoro di Enrico Fermi

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perché Fermi ha lasciato l’Italia?

Perchè ha appoggiato il Progetto Manhattan?

Perchè ha partecipato?

Perchè non ha rinunciato, dopo la fine di Hitler?

Perchè non si è opposto all’esplosione su Hiroshima?

Perchè non si è opposto a quella di Nagasaki?

Perchè dopo è rimasto nel PM?

Alcune domande (difficili ed impossibili…) ad Enrico Fermi

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

La responsabilità è strettamente legata al grado di conoscenza ed alla criticità delle conoscenze che ciascun uomo porta con sé.

Tanto maggiore è la quantità di informazioni, collegate sotto forma di scienza, tanto maggiori saranno le conseguenze che la scelta sia nella direzione di usare queste informazioni, sia in quella opposta, cioè di celarle e negarne la condivisione, tanto maggiore potranno essere le conseguenze: e sugli ulteriori sviluppi della conoscenza, e sul destino degli altri uomini.

Ma anche il momento, l’istante temporale nel quale si rendono disponibili certe informazioni, certe procedure, è cruciale nel determinarne le

conseguenze.

Non solo: anche le condizioni al contorno, cioè l’insieme di altre

conoscenze alle quali necessariamente si andranno ad aggiungere e collegare le nuove ‘rivelazioni, diventa critico e determinante per valutare

l’impatto, ora o in seguito, che lesse avranno nel futuro.

Alcune considerazioni prima delle risposte ad Enrico Fermi

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Alla luce di quanto detto, diventa veramente difficile valutare quanto sia pesante l’eredità di chi come Fermi di scelte ne ha fatte molte, e molto cruciali. Bisogna innanzitutto conoscere al meglio possibile le condizioni al controno, cosa questa già di per sé molto difficile, e sempre di più al passare degli anni.

Ma c’è un altro aspetto che va valutato: le domande e le risposte che ciascuno di noi deve dare alla propria coscienza, cioè all’insieme di regole, di permessi e di divieti che ne costituisce l’ossatura etica. La quale non è mai immutabile e assolutamente rigida. Tutt’altro: deve

continuamente confrontarsi con il mondo nel quale si opera, nel quale le nostre azioni hanno effetti, piccoli o grandi.

Quindi possiamo vedere ed analizzare la vicenda di Fermi-uomo alla luce dell’esperienza e del bagaglio etico di ciascuno di noi.

E vedere che cosa succede.

Marco M.Massai - novembre 2010 Alcune considerazioni prima delle risposte ad Enrico Fermi

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perché Fermi ha lasciato l’Italia?

Marco M.Massai - novembre 2010 Alcune risposte (difficili e possibili…) ad Enrico Fermi

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè ha appoggiato il Progetto Manhattan?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè ha partecipato?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè non ha rinunciato, dopo la fine di Hitler?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè non si è opposto all’esplosione su Hiroshima?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè non si è opposto a quella di Nagasaki?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Perchè dopo è rimasto nel PM?

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Enrico Fermi, tra Scienza ed Etica

Certamente la scienza deve ad Enrico Fermi molto di più che alla maggior parte degli scienziati che pure hanno segnato il ‘900. Teorie fondamentali Soluzioni tecnologiche che hanno cambiato il volto del secolo.

Ma Fermi non lavorava da solo; anzi, tra i suoi

allievi e collaboratori vi sono stati numerosi Premi Nobel. E quindi anche le responsabilità che

certamente si è preso e che non possono non pesare, vanno condivise. Ma non devono essere né

dimenticate, né sminuite.

Perché le condizioni nelle quali si sono trovati Fermi ed i suoi colleghi del Progetto Manhattan possono ripresentarsi di nuovo. Anzi, si sono certamente già più volte ripresentate: un esempio per tutti, la clonazione umana.

Marco M.Massai - novembre 2010 5 novembre 2010

Conclusioni

Io non credo che possano esistere soluzioni a priori, pre-confezionate da usare al momento opportuno. Credo che sia invece necessario una discussione continua tra coloro che hanno le conoscenze e le responsabilità. Ma anche che sia

altrettanto necessario ogni sforzo possibile per coinvolgere tutti: coloro che hanno un ruolo su quei problemi, oggi. E tutti coloro che potranno averne domani.