Thread by @f_ronchetti

1/ All’inizio del XX secolo, c’erano solo due piccole “nubi”, come le chiamava Lord Kelvin (William Thomson) all’orizzonte della fisica. L’incoerenza tra meccanica newtoniana e l’elettromagnetismo di Maxwell e la strana forma dello spettro della radiazione da corpo nero.

2/ Tuttavia le nubi si rivelarono tutt’altro che semplici da dissipare: la prima richiese l’introduzione relatività ristretta da parte di Albert Einstein mentre la seconda portò alla formulazione della meccanica quantistica grazie a Max Planck.

3/ Il lavoro di Planck sulla radiazione di corpo nero segna l’inizio della fisica quantistica e apparve nel 1900. Nel 1905 Einstein pubblicò la teoria speciale della relatività . Contemporaneamente spiegò l’effetto fotoelettrico applicando la teoria quantistica alla luce.

4/ Nel 1923 Paul Dirac arrivava a Cambridge dopo aver completato i suoi studi in matematica all’Università di Bristol per dedicarsi alla fisica non trovando lavoro come ingegnere a causa della crisi economica in cui versava l’Inghilterra dopo la fine della Prima Guerra Mondiale.

5/ A Cambridge Dirac era affascinato dalla relatività ma si interessò ai lavori di Werner Heisenberg sulla cosiddetta ”meccanica quantistica”. L’impatto di Heisenberg su Dirac fu molto forte: nel suo isolamento sviluppò i propri lavori in modo autonomo.

6/ Il periodo 1925-1933 della vita di Dirac è conosciuto come ”il periodo eroico”. Egli divenne rapidamente uno dei fisici teorici più importanti della storia: I suoi lavori, costituirono le ”fondamenta” di gran parte dello sviluppo successivo della sica teorica.

7/ Non appena seppe di essere stato ammesso a Cambridge, Dirac chiese di poter lavorare sotto la supervisione del Professor Ebenezer Cunningham, un esperto di teoria elettromagnetica e di relatività ma non fu accettato dal docente (!!)

8/ Dirac fu assegnato al Professor Ralph Fowler principale esponente che manteneva frequenti contatti con il circolo di Niels Bohr e con i principali centri di ricerca in Germania.

9/ Sotto la supervisione di Fowler, Dirac iniziò ad addentrarsi nella nuova teoria quantistica che conosceva solo super cialmente ed a studiare i modelli atomici sviluppati alcuni anni prima da Bohr e Sommerfeld. Solo sei mesi dopo pubblicò il suo primo lavoro su rivista.

10/ Dirac in soli otto anni passò dall’essere un completo sconosciuto a ricevere il Premio Nobel formulando la meccanica quantistica in modo indipendente dai suoi colleghi tedeschi elaborò l”algebra quantistica”.

11/ La sua teoria ingloba le due formulazioni conosciute della teoria quantistica: matriciale di Werner Heisemberg ed ondulatoria di Erwin Schroedinger raggiungendo poi la formulazione matematica defnitiva con John von Neumann.

12/ Il più grande risultato di Dirac fu l’quantistica relativistica dell’elettrone e la formulazione dell’interazione radiazione-materia. Dalle equazioni di Dirac nacque l’antimateria e il modo di spiegare e descrivere come la radiazione interagisca con la materia.

13/ In seguito dalla combinazione dell’ equazione quantistica relativistica dell’ elettrone e della teoria quantistica della radiazione nacque l’ elettrodinamica quantistica: che spiega come interagiscono elettroni e antielettroni con la luce e tra di loro.

14/ Dirac, infatti, fu il primo a parlare di scambi di fotoni nel processo di interazione tra particelle e a menzionare concetti come massa e carica effettive e tecniche di rinormalizzazione.

15/ Tutti conoscono la formula E=mc^2 di Einstein mentre l’ equazione di Dirac continua ad essere poco conosciuta: si tratta di un’equazione concisa ingannevolmente semplice (sono 4 equazioni differenziali in campo complesso).

16/ Nel 1905 Einstein introdusse il concetto di quanti di luce (fotoni) con energia ed impulso determinati. L’ esperimento che mise chiaramente in evidenza la natura corpuscolare della luce, fu condotto nel 1923 dal fsico statunitense Arthur H. Compton.

17/ Contemporaneamente all’esperimento di Compton, Louis di Broglie introdusse ipotesi sulla natura duale della materia, la cosiddetta dualità onda-particella. I risultati di Compton non si potevano spiegare infatti con la semplice teoria ondulatoria della luce.

18/ Compton spiegò la variazione della lunghezza d’ onda della radiazione dispersa, considerando il processo come una collisione elastica tra il fotone (particella) incidente e l’elettrone del blocco di grafite.

19/ Dirac applicò la sua formulazione della meccanica quantistica all’esperimento di Compton: e fu capace di riprodurre la lunghezza d’ onda della radiazione dispersa, e la sua intensità ma con una piccola discrepanza.

20/. Quando si rese conto che le sue previsioni non coincidevano con i dati di Compton, segnalò che questa discrepanza. Poco tempo dopo Compton gli scrisse dicendogli che le nuove misurazioni realizzate a Chicago confermavano completamente la sua teoria.

21/ Dirac ricevette poi una lettera da Enrico Fermi che gli faceva notare che in “un suo lavoro ha sviluppato una teoria dei gas ideali basandosi su principi di esclusione di Pauli. Vorrei richiamare la sua attenzione su un lavoro simile che ho pubblicato agli inizi del 1926.”

22/ Dirac si scusò con Fermi, riconoscendo di aver visto il suo lavoro, ma di non avergli prestato particolare attenzione: a partire da quel momento, l’analisi statistica di particelle come gli elettroni fu nota come statistica di Fermi-Dirac.

23/ Anni dopo, nel 1947, lo stesso Dirac introdusse i termini ”fermioni” e ”bosoni” per riferirsi alle particelle che soddisfacevano le statistiche di Fermi-Dirac e di Bose-Einstein, rispettivamente.

24/ Il 2 gennaio 1928, la rivista Proceedings of the Royal Society ricevette un articolo intitolato ”La teoria quantistica dell’elettrone”, presentato da Fowler e firmato da Dirac.

25/ In esso, Dirac scriveva: In questo lavoro si vede come la mancanza di completezza delle teorie precedenti (equazione di Klein-Gordon e teoria di Pauli sullo spin) sia dovuta al fatto che non sono consistenti con la relatività.

To be continued...