Vite di persone di scienza: David Pines
di Paolo Di Sia
Il 3 Maggio 2018 ci ha lasciati David Pines, fisico che ha descritto come interagiscono gli elettroni, meglio conosciuto per la sua teoria dell’alterazione del percorso del moto collettivo degli elettroni nei metalli, modello che ha applicato anche alla teoria dei superconduttori, ai nuclei atomici e alle stelle di neutroni.
Pines nacque l’8 Giugno 1924 a Kansas City, nel Missouri, e trascorse gran parte della sua infanzia a Dallas, in Texas. Dopo essere stato arruolato nella marina degli Stati Uniti, durante gli ultimi due anni della seconda guerra mondiale, è tornato ai suoi studi di fisica all’Università della California, a Berkeley, dove ha incontrato sua moglie, Suzy. Egli sperava di lavorare al suo dottorato con J. Robert Oppenheimer, leader del “Progetto Manhattan” durante la guerra. Quando Oppenheimer si trasferì a Princeton per diventare direttore dell'”Institute for Advanced Study” (IAS), Pines lo seguì alla Princeton University.
Ma Oppenheimer non poteva portarlo avanti, così egli chiese ad uno degli ex studenti di Oppenheimer, David Bohm, di essere il suo mentore. Era però un momento difficile per Bohm, che venne arrestato nel 1950 per aver rifiutato di testimoniare ad un comitato federale sui suoi legami con gruppi comunisti. Fu assolto nel 1951, ma perse il lavoro. Durante questo difficile periodo, Bohm visse come inquilino a casa di Pines.
Pines aveva sviluppato una teoria con David Bohm alla Princeton University nel New Jersey, alla fine degli anni ’40. Il loro lavoro ha risolto un grande enigma nella meccanica quantistica, in cui gli elettroni sono descritti (anche) come onde. La prima teoria quantistica prediceva il comportamento degli elettroni nei metalli, nonostante non tenesse conto della repulsione tra gli elettroni.
Pines e Bohm guardarono gli elettroni in modo diverso, come “plasma quantistico”, analogo ad un gas costituito da particelle cariche. Si resero conto che gli elettroni si muovono come un gruppo all’interno di un metallo; assieme, gli elettroni scorrono avanti e indietro, attratti alternativamente dagli ioni positivi che formano il reticolo cristallino e respinti l’uno dall’altro quando si avvicinano troppo.
Essi hanno dimostrato che queste oscillazioni nella densità degli elettroni sono quantizzate ed esistono solo collegate ad un insieme di energie ammissibili, dette “plasmoni di oscillazione”. I plasmoni “ammorbidiscono” le forze repulsive tra i singoli elettroni, spiegando in tal modo perché la teoria dei quanti funziona. Gli articoli fondamentali che scrissero lanciarono il campo dei materiali quantistici. Il loro approccio collettivo è ancora usato per comprendere tutte le forme di materia quantistica.
Nel 1952, Pines si trasferì all’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign per lavorare con il fisico John Bardeen. Ha trascorso gran parte della sua rimanente carriera lì. Nel 1954, Pines e Bardeen mostrarono che elettroni dispersi in un reticolo cristallino possono essere attratti tra loro. Questa interazione fu un elemento chiave nella teoria della superconduttività di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS theory) (foto sopra), sviluppata nel 1957. Durante l’estate di quell’anno, lavorando con Aage Bohr e Ben Mottelson al Neils Bohr Institute di Copenhagen, Pines estese la teoria BCS alla fisica nucleare. La teoria era in grado di spiegare la differenza nella stabilità degli isotopi con numeri pari e dispari di nucleoni, come l’uranio-238 e l’uranio-235.
Pines ha anche lavorato sui liquidi quantistici e sui superfluidi, che sono fuidi con la caratteristica di fluire senza perdere energia. Ha applicato la teoria dei superfluidi alle stelle di neutroni, spiegando le improvvise irregolarità nella velocità con cui ruotano le pulsar. Ha anche contribuito alla cosiddetta “teoria a molti corpi”, che riguarda lo studio del comportamento collettivo di molte particelle interagenti, e anche alla superconduttività ad alta temperatura, dopo che fu scoperta nel 1987.
Egli era affascinato dalla cosiddetta “emergenza”, riguardante il comportamento su larga scala di sistemi complessi che deriva dalle proprietà microscopiche dei componenti del sistema. Nei superconduttori, ad esempio, l’accoppiamento di elettroni fa fluire l’elettricità “senza resistenza” a basse temperature.
Egli ha contribuito a molti articoli influenti, invitando i ricercatori a cercare comportamenti emergenti nella scienza attraverso la fisica quantistica, anche grazie alla sua dote di attirare gli scienziati per perseguire nuove direzioni.
È stato direttore fondatore del “Center for Advanced Study”, UIUC (dal 1968 al 1970), centro per lo studio avanzato che comprende scienza, belle arti e agricoltura. È stato uno dei primi fisici della materia condensata attivi all'”Aspen Center for Physics” in Colorado, di cui fu vicepresidente dal 1968 al 1972. Ha co-fondato il “Santa Fe Institute” (SFI) nel New Mexico e il “Complex Adaptive Matter Institute” (ICAM-I2CAM), un collettivo internazionale di scienziati che studiano i fenomeni emergenti, con i giovani scienziati e l’educazione al centro di tutti questi sforzi.
Pines eccelleva nella diplomazia scientifica; durante la guerra fredda, istituì il “Programma di cooperazione US-USSR in Fisica” tra il 1968 e il 1989, che promosse lo scambio di idee tra le due comunità. Con la moglie visitò regolarmente l’URSS e tennero legami di vera amicizia con gli scienziati sovietici. Nonostante vari problemi, il programma di cooperazione ha funzionato fino alla fine della guerra fredda. Dopo la guerra, Pines organizzò per gli ex fisici sovietici un programma di visita all’UIUC.
Sarà ricordato per la sua grande energia ed uno sconfinato entusiasmo. Nato con doti particolari, non ha comunque mai smesso di crescere nel suo lavoro scientifico e nella sua vita. Non abbandonò mai la ricerca, con varie pubblizioni scritte e iniziate anche nel 2018. La sua gioia per la vita lo ha accompagnato fino alla fine dei suoi giorni (vedasi anche: Nature, vol. 560 (Agosto 2018)).
Paolo Di Sia
Paolo Di Sia è attualmente professore aggiunto presso l’università degli studi di Padova e l’università degli studi di Bolzano. Ha conseguito una laurea (bachelor) in metafisica, una laurea (master) in fisica teorica, un dottorato di ricerca in fisica teorica applicata alle nano-bio-tecnologie e un dottorato di ricerca in matematica “honoris causa”. Si interessa del rapporto tra filosofia e scienza, di fisica alla scala di Planck, di nanofisica classica e quantistico-relativistica, di nano-neuroscienza, di fisica transdisciplinare e di divulgazione scientifica. È autore di 276 lavori distribuiti tra riviste nazionali e internazionali, capitoli di libri, libri, interventi accademici su web scientifici, pubblicazioni accademiche interne, lavori in stampa. È reviewer di vari international journals, membro di molte società scientifiche internazionali e international advisory/editorial boards, gli sono stati attribuiti vari riconoscimenti internazionali.
Paolo Di Sia
Università di Padova (Italy) & Libera Università di Bolzano (Italy)
E-mail: paolo.disia@libero.it
Webpage: www.paolodisia.com
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