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Satyendra Nath Bose al lavoro con Albert Einstein davanti a una lavagna con equazioni della statistica quantistica e diagrammi di particelle

Il 4 giugno 1924 un giovane fisico indiano inviò ad Einstein un manoscritto che avrebbe cambiato per sempre la fisica quantistica. Satyendra Nath Bose aveva scoperto un nuovo modo di contare le particelle, dando origine alla statistica di Bose-Einstein e alla previsione di un nuovo stato della materia: il condensato, osservato in laboratorio solo settant'anni dopo nel 1995. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

Da Calcutta alla rivoluzione quantistica
Satyendra Nath Bose nacque il primo gennaio 1894 a Calcutta, l'antica capitale britannica dell'India coloniale oggi conosciuta come Kolkata, primo di sette figli in una famiglia bengalese di casta Kayastha. Il padre Surendranath era un contabile e imprenditore che successivamente avviò una propria azienda chimica e farmaceutica, garantendo alla famiglia una posizione economica agiata che permise a Satyendra di ricevere un'educazione di alto livello. Dopo aver frequentato una scuola elementare locale, nel 1907 entrò nella prestigiosa Hindu School dove eccelse particolarmente in matematica. All'università di Calcutta ebbe la fortuna di avere come insegnanti alcuni dei più grandi scienziati indiani del tempo, tra cui Jagadish Chandra Bose, pioniere delle radiocomunicazioni, e Prafulla Chandra Ray, padre della chimica moderna in India. Dal 1916 al 1921 lavorò come docente di fisica presso il Rajabazar Science College, sempre sotto l'università di Calcutta, dove iniziò una proficua collaborazione con il fisico Meghnad Saha con cui pubblicò diversi articoli di fisica teorica e matematica pura.

Il manoscritto che cambiò la fisica quantistica
Nel 1921 Bose ottenne una posizione di lettore presso la neonata università di Dacca, nell'attuale Bangladesh, dove istituì interi dipartimenti completi di laboratori per insegnare corsi avanzati di termodinamica ed elettromagnetismo secondo la teoria di James Clerk Maxwell. Fu proprio mentre preparava una lezione sulla derivazione della legge di Planck sulla radiazione di corpo nero che Bose ebbe un'intuizione geniale. La derivazione tradizionale di questa legge fondamentale si basava sul conteggio delle onde elettromagnetiche stazionarie che potevano esistere in una cavità, seguendo la statistica classica di Maxwell e Boltzmann. Insoddisfatto di questo approccio, Bose decise di ribaltare completamente il problema: invece di contare le onde nello spazio reale, avrebbe contato il numero di modi in cui i fotoni, le particelle quantistiche di luce, potevano riempire lo spazio delle fasi. La sua intuizione chiave fu riconoscere che i fotoni sono indistinguibili tra loro: due fotoni con la stessa energia non possono essere trattati come due entità separate e identificabili. Questo portava a una statistica completamente diversa da quella classica.

La collaborazione con Einstein e la nascita della nuova statistica
Bose scrisse un articolo in inglese intitolato "Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta" contenente questa nuova derivazione e lo inviò inizialmente alla rivista scientifica inglese Philosophical Magazine, che però lo rifiutò non comprendendone l'importanza. Il 4 giugno 1924, Bose prese una decisione coraggiosa: scrisse direttamente ad Albert Einstein, all'epoca già il fisico più famoso del mondo, chiedendogli di valutare se il lavoro fosse degno di pubblicazione e, in caso affermativo, se potesse tradurlo in tedesco e farlo pubblicare su una rivista prestigiosa. Einstein non solo comprese immediatamente l'enorme portata della scoperta, ma tradusse personalmente l'articolo in tedesco e lo inviò alla Zeitschrift für Physik dove fu pubblicato nel 1924 sotto il solo nome di Bose, con una nota di Einstein che ne sottolineava l'importanza. Nei mesi successivi Einstein estese il lavoro di Bose applicandolo non solo ai fotoni ma anche agli atomi materiali, dando così origine a quella che oggi conosciamo come statistica di Bose-Einstein, la prima delle due statistiche quantistiche fondamentali che governano il comportamento di tutte le particelle dell'universo.

Bosoni e fermioni, le due famiglie che dividono l'universo
La scoperta di Bose rivelò che esistono due tipi fondamentalmente diversi di particelle in natura, classificate in base a una proprietà quantistica chiamata spin. Le particelle con spin intero obbediscono alla statistica di Bose-Einstein e furono chiamate "bosoni" dal fisico inglese Paul Dirac nel 1945, in onore di Satyendra Nath Bose. I bosoni hanno una proprietà straordinaria: possono occupare tutti lo stesso stato quantistico contemporaneamente, aggregandosi senza limiti. Sono bosoni i fotoni che costituiscono la luce, i gluoni che tengono uniti i quark all'interno dei protoni e neutroni, il bosone di Higgs scoperto al CERN nel 2012 che conferisce massa alle altre particelle, e particelle composite come i mesoni formate da coppie di quark. L'altra famiglia, i fermioni, obbedisce invece alla statistica di Fermi-Dirac sviluppata indipendentemente da Enrico Fermi e Paul Dirac nel 1926. I fermioni hanno spin semi-intero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli: non possono mai occupare lo stesso stato quantistico. Sono fermioni gli elettroni, i protoni, i neutroni, i quark e i neutrini. Questa fondamentale distinzione spiega perché la materia normale sia stabile e non collassi su sé stessa: gli elettroni negli atomi, essendo fermioni, devono occupare livelli energetici diversi.

Il condensato di Bose-Einstein, un nuovo stato della materia
Nel novembre 1924 Einstein si accorse che la statistica applicata agli atomi materiali portava a una previsione paradossale: al di sotto di una determinata temperatura critica, una frazione macroscopica degli atomi di un gas avrebbe dovuto "condensare" nello stato quantistico di energia più bassa, aggregandosi senza forze attrattive e comportandosi come un'unica superparticella gigante. Einstein scrisse: "A partire da una determinata temperatura, le molecole condensano senza forze attrattive, cioè si aggregano a velocità zero". Questo fenomeno, chiamato condensazione di Bose-Einstein, rappresentava un nuovo stato della materia completamente diverso da solido, liquido, gassoso e plasma. Il problema era che le temperature necessarie per osservare questo fenomeno erano estremamente basse, vicine allo zero assoluto. Ci vollero settantuno anni prima che la tecnologia fosse sufficientemente avanzata: nel 1995 i fisici Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle riuscirono finalmente a creare il primo condensato di Bose-Einstein raffreddando atomi di rubidio a poche frazioni di miliardesimo di grado sopra lo zero assoluto. Per questa impresa ricevettero il premio Nobel per la fisica nel 2001.

Un genio poliedrico oltre la fisica
Bose non fu solo un grande fisico teorico, ma un vero poliedrico con interessi vastissimi che spaziavano dalla matematica alla chimica, dalla biologia alla mineralogia, dalla filosofia alle arti, dalla letteratura alla musica. Parlava correntemente diverse lingue tra cui bengalese, inglese, francese e tedesco, e aveva una profonda conoscenza del sanscrito. Dopo la pubblicazione del suo articolo rivoluzionario, Bose ebbe l'opportunità di viaggiare in Europa grazie a una borsa di studio. Trascorse due anni tra Parigi e Berlino tra il 1924 e 1926, durante i quali incontrò personalmente Einstein, Marie Curie, Louis de Broglie e frequentò un corso di teoria quantistica tenuto da Max Born. Tornato in India nel 1926, continuò una brillante carriera accademica diventando professore all'università di Dacca fino al 1945 e poi all'università di Calcutta fino al 1956. Il grande poeta e filosofo Rabindranath Tagore, premio Nobel per la letteratura, gli dedicò nel 1937 il suo unico libro di scienza, "Visva-Parichay". Nel 1958 Bose fu eletto Fellow della Royal Society, uno dei più alti riconoscimenti scientifici internazionali.

Il Nobel mai vinto e il riconoscimento postumo
Nonostante l'enorme importanza del suo contributo alla fisica quantistica, Satyendra Nath Bose non ricevette mai il premio Nobel, pur essendo stato nominato diverse volte. Questa è considerata una delle più grandi ingiustizie nella storia del Nobel. Il comitato svedese assegnò il premio Nobel per la fisica del 2001 proprio per la realizzazione del condensato di Bose-Einstein, ma solo ai tre fisici che lo ottennero sperimentalmente nel 1995, non a chi ne aveva previsto l'esistenza settant'anni prima. Analogamente, il premio Nobel del 2013 fu assegnato a Peter Higgs e François Englert per la teoria del bosone di Higgs, ma anche qui il nome di Bose compare solo come eponimo della classe di particelle. Una delle ragioni di questa esclusione potrebbe essere stata la valutazione negativa del comitato Nobel da parte dell'esperto Oskar Klein, che considerò il lavoro di Bose non sufficientemente originale perché basato su idee di Einstein. Questa valutazione è oggi considerata profondamente ingiusta dagli storici della scienza, che riconoscono che l'intuizione chiave dell'indistinguibilità quantistica fu proprio di Bose.

L'eredità che continua a plasmare la tecnologia moderna
La statistica di Bose-Einstein non è solo un'elegante teoria matematica, ma il fondamento di innumerevoli tecnologie che utilizziamo quotidianamente. I laser, strumenti essenziali in medicina, comunicazioni, industria e ricerca, funzionano proprio perché i fotoni sono bosoni e possono aggregarsi tutti nello stesso stato quantistico, creando fasci di luce perfettamente coerenti. La superconduttività e la superfluidità, fenomeni alla base dei potentissimi magneti usati negli acceleratori di particelle e nelle macchine per risonanza magnetica, sono manifestazioni delle proprietà bosoniche di coppie di elettroni. Il bosone di Higgs, scoperto al CERN nel 2012, ha confermato il meccanismo che conferisce massa alle particelle fondamentali. I computer quantistici in fase di sviluppo sfruttano le proprietà quantistiche sia dei bosoni che dei fermioni. Il 2024 ha segnato il centenario della statistica di Bose, celebrato in tutto il mondo con conferenze, pubblicazioni speciali e commemorazioni che hanno riconosciuto l'importanza fondamentale di questo contributo alla comprensione dell'universo.

La storia di Satyendra Nath Bose è un perfetto esempio di come l'innovazione scientifica possa venire da luoghi inaspettati e da persone che lavorano lontano dai grandi centri della ricerca occidentale. In un'università periferica di Dacca nel Bangladesh degli anni Venti, un giovane fisico indiano ebbe un'intuizione che avrebbe cambiato per sempre la nostra comprensione dell'universo. Il fatto che metà delle particelle fondamentali della natura portino il suo nome è un riconoscimento immortale, forse più importante del Nobel che avrebbe meritato. Ogni volta che accendiamo un laser, subiamo una risonanza magnetica, o leggiamo di scoperte al CERN, stiamo beneficiando delle intuizioni di Bose. La sua collaborazione con Einstein dimostra anche quanto sia importante che i grandi scienziati sappiano riconoscere le idee brillanti indipendentemente dalla provenienza e dallo status accademico di chi le propone. Einstein avrebbe potuto ignorare quella lettera da un oscuro professore indiano, invece la tradusse personalmente e ne riconobbe pubblicamente il valore, dimostrando la vera grandezza dello scienziato che sa mettere da parte l'ego per il progresso della conoscenza.

 

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