Il vero caso Majorana non è la scomparsa: è l’antimateria

Per molti Ettore Majorana resta il fisico italiano scomparso nel 1938. Per la fisica contemporanea, però, il vero “caso Majorana” riguarda un lavoro del 1937 che ancora oggi orienta le ricerche sul neutrino, sull’antimateria e sulla possibilità che la materia non sia, in senso assoluto, “per sempre”. Ne parliamo con Francesco Vissani, dirigente di ricerca presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e creatore del Premio Asimov per la divulgazione scientifica nelle scuole superiori di Andrea Monti – Inizialmente pubblicato su MIT Technology Review Italia

MIT Technology Review Italia: Quando si parla di Ettore Majorana, quasi sempre si parte dalla sua scomparsa. Lei, invece, sostiene che il vero caso Majorana sia un altro. Da dove bisogna cominciare?

Francesco Vissani: Bisogna partire da Majorana fisico, non da Majorana personaggio letterario o mistero nazionale. Ettore Majorana è stato un grandissimo fisico italiano, scomparso molto giovane, ed è anche per questo che la sua figura ha assunto una dimensione quasi mitica. Ma il punto scientificamente decisivo è un altro.

Majorana cresce nella scuola di Enrico Fermi, tra gli anni Venti e Trenta, in un ambiente di straordinaria qualità. Quella scuola nasce anche grazie all’intuizione politica e culturale di Orso Mario Corbino, un liberale siciliano che capisce quanto la scienza possa essere un fattore di progresso civile. Corbino investe su Fermi, ne comprende l’eccezionalità, e contribuisce a costruire intorno a lui un gruppo destinato a cambiare la fisica del Novecento.

C’è anche un tratto comune fra Corbino e Majorana: entrambi appartengono a quella borghesia siciliana illuminata, ambiziosa, progressista, legata a una tradizione storica e scientifica molto forte. Nella famiglia Majorana ci sono rettori, politici, scienziati di grande rilievo. Lo zio, Quirino Majorana, era un fisico notissimo, forse all’epoca più famoso del nipote, anche se non accettava la relatività. Ettore nasce dunque in un ambiente intellettualmente molto esigente.

Studia dai gesuiti, e questo probabilmente conta: è una formazione che insegna disciplina, controllo del pensiero, rigore. Poi inizia ingegneria, finché Corbino, che faceva una sorta di scouting dei migliori giovani, lo porta a contatto con Fermi.

MIT Technology Review Italia: Che cosa trova Majorana nel gruppo di Fermi?

Francesco Vissani: Trova un ambiente scientificamente formidabile, ma anche fortemente gerarchico. Fermi è uno dei grandi fisici del secolo, lo sappiamo. Sarà uno dei padri della fisica nucleare e dell’energia atomica, vincerà il Nobel, costruirà una scuola di livello internazionale. Ma l’ambiente romano non è necessariamente quello in cui Majorana riceve il riconoscimento più pieno.

Quando Majorana va a Lipsia da Werner Heisenberg, trova un’apertura diversa. In Germania riceve una considerazione pubblica molto forte, forse superiore a quella che aveva avuto in Italia. Per una persona ambiziosa, rigorosa, intellettualmente tesa come lui, quel riconoscimento conta molto.

Poi accade una cosa fondamentale. Tornato da Heisenberg, Majorana ha ventisette anni e si chiude in casa. Mentre il gruppo di Fermi sta scoprendo la fisica del neutrone, cioè l’ingresso nella fisica nucleare moderna, lui scompare dalla scena scientifica. Questa, secondo me, è la prima scomparsa di Majorana. Non quella del 1938, ma quella intellettuale e scientifica che precede la vicenda biografica più nota.

MIT Technology Review Italia: Quindi il vero caso Majorana inizia prima della sparizione fisica?

Francesco Vissani: Esattamente. Inizia lì. Dopo circa quattro anni di quasi totale silenzio, siamo nel 1937, in un momento drammatico per l’Italia e per l’Europa. Corbino è ancora vivo, il gruppo di Fermi è ancora rispettato, e vengono banditi i primi posti di fisica teorica dopo quello ottenuto da Fermi nel 1926.

Fermi è presidente della commissione. Ha in mente tre candidati chiarissimi: Giancarlo Wick, Giulio Racah e Giovanni Gentile junior, figlio del filosofo Giovanni Gentile. Erano fisici di livello internazionale, non figure minori. C’erano anche altri candidati molto forti, come Giuseppe “Beppe” Occhialini, per dare un’idea del livello del concorso.

Proprio nel momento in cui viene bandito il concorso, Majorana esce con un lavoro che evidentemente aveva nel cassetto. È difficile pensare che sia una coincidenza. Pubblica un articolo rivoluzionario, un lavoro le cui conseguenze arrivano fino alle ricerche che oggi si conducono ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso e in altri laboratori del mondo.

MIT Technology Review Italia: Di quale lavoro parliamo?

Francesco Vissani: Del lavoro del 1937 sulla teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone. Oggi spesso associamo Majorana soprattutto al neutrino, ma il titolo del lavoro parla chiaramente di elettrone e positrone. Sta parlando di antimateria.

Il punto è che quel lavoro è ancora più profondo di quanto si sia generalmente riconosciuto. Nella storia della fisica si tende ad attribuire a Paul Dirac la comprensione teorica dell’antimateria. È corretto, ma non sufficiente. Majorana compie un passo ulteriore: chiarisce concettualmente e formalmente qualcosa che in Dirac restava molto problematico.

Dirac aveva prodotto una teoria potentissima, ma accompagnata da una costruzione concettuale difficile da accettare: il cosiddetto mare di Dirac. Secondo questa immagine, esisterebbero stati di energia negativa occupati da elettroni. Un “buco” in quel mare si comporterebbe come una particella di carica opposta: il positrone.

Dal punto di vista formale lo schema funziona, ma concettualmente è faticoso. Si finisce per dare consistenza ontologica a un’assenza. Il positrone, in quella visione, è il buco lasciato da un elettrone di energia negativa.

Majorana, invece, mostra come svuotare quel mare. Propone uno schema in cui non c’è bisogno di immaginare un oceano invisibile di elettroni negativi. Le particelle con energia negativa vengono riformulate come particelle di carica opposta, con la stessa massa e con proprietà simmetriche. È un’operazione di pulizia concettuale straordinaria.

MIT Technology Review Italia: Lei ha parlato di una sorta di assiomatizzazione dell’antimateria.

Francesco Vissani: Sì, ma userei anche un’espressione più accessibile: chiarificazione concettuale. Majorana costruisce un sistema formale coerente per descrivere fatti che erano stati acquisiti, ma non ancora ordinati in modo soddisfacente.

È un passaggio simile, per importanza concettuale, al rapporto tra la matematica babilonese e gli Elementi di Euclide. Non perché prima non ci fossero conoscenze, ma perché a un certo punto quelle conoscenze vengono organizzate in un quadro più essenziale, più limpido, più potente.

Majorana parte da relatività e meccanica quantistica, ma ne ricava uno schema molto più moderno. Mostra, fra le altre cose, che le particelle di materia con spin semi-intero, come l’elettrone, devono obbedire alla statistica di Fermi e al principio di esclusione. Quello che prima era un principio o un’ipotesi entra in un sistema formale più ampio.

MIT Technology Review Italia: Quindi Dirac e Majorana stavano dicendo la stessa cosa con parole diverse?

Francesco Vissani: Oggi, con il senno di poi, possiamo dire che descrivevano aspetti dello stesso problema. Ma storicamente non è così semplice.

Lo schema di Dirac, per quanto sgradevole dal punto di vista della filosofia naturale, era efficace. Nel 1931 viene formulato in modo compiuto; nel 1932 Carl Anderson osserva il positrone. A quel punto molte resistenze cadono. La teoria ottiene una conferma sperimentale fortissima.

Ma Majorana fa qualcosa di diverso. Non si limita a rendere più elegante una teoria già esistente. Elimina una costruzione concettuale pesante e mostra che si può descrivere l’antimateria senza il mare di Dirac. È una differenza profonda. Dirac apre la strada; Majorana la ripulisce, la rende più simmetrica, più naturale, più vicina al linguaggio della fisica moderna.

MIT Technology Review Italia: L’antimateria è anche uno dei concetti più abusati nella divulgazione scientifica. Antimondi, distruzione dell’universo, scenari catastrofici. Quanto c’è di fisica e quanto di immaginario?

Francesco Vissani: L’immaginario era già pronto. La letteratura aveva da tempo giocato con l’idea di mondi opposti, materia negativa, universi speculari. Quando arriva una teoria matematica dell’antimateria, questo immaginario trova un appiglio scientifico.

Il problema nasce quando si applicano le teorie scientifiche fuori dal loro ambito. Succede spesso. Pensiamo alla meccanica quantistica, usata oggi come metafora universale per qualsiasi cosa, dai sentimenti alla coscienza. È pericoloso decontestualizzare le teorie scientifiche. La meccanica quantistica nasce come teoria dell’atomo. Se poi la trasformiamo in una metafisica generale della realtà, rischiamo di produrre discorsi molto suggestivi ma scientificamente irrilevanti.

Con l’antimateria accade qualcosa di simile. Certo, materia e antimateria possono annichilarsi. Certo, il contatto tra particelle e antiparticelle produce energia. Ma non stiamo parlando di una teoria che prevede la fine dell’universo se due concetti entrano in contatto. Stiamo parlando di processi fisici ben definiti, in contesti ben definiti.

MIT Technology Review Italia: Però l’antimateria ha un ruolo cosmologico reale.

Francesco Vissani: Sì. La questione cosmologica è seria. Siamo abbastanza certi che l’universo primordiale fosse ricchissimo sia di materia sia di antimateria. Nei primissimi istanti dopo il Big Bang, il plasma caldo dell’universo doveva contenere particelle e antiparticelle: elettroni e positroni, protoni e antiprotoni, e così via.

Il problema è che l’universo osservabile oggi è fatto quasi interamente di materia. Non vediamo grandi quantità di anti-atomi. Se ci fossero regioni significative di antimateria, ci aspetteremmo emissioni di raggi gamma che non osserviamo. Dunque c’è una domanda fondamentale: perché l’universo ha scelto, per così dire, la materia?

È qui che Majorana può tornare in gioco. Il neutrino di Majorana, se esiste, sarebbe una particella neutra che coincide con la propria antiparticella. Sarebbe materia e antimateria allo stesso tempo. Una particella di questo tipo potrebbe offrire una chiave per comprendere l’asimmetria fra materia e antimateria nell’universo.

MIT Technology Review Italia: In che senso il neutrino potrebbe essere materia e antimateria allo stesso tempo?

Francesco Vissani: Questo è possibile solo per particelle neutre. Una particella carica non può coincidere con la propria antiparticella, perché l’antiparticella ha carica opposta. Ma il neutrino non ha carica elettrica. Quindi, almeno in linea di principio, potrebbe essere una particella di Majorana: una particella identica alla propria antiparticella.

Se così fosse, si aprirebbe uno scenario molto interessante. Potrebbero esistere processi in cui il neutrino fa da ponte fra materia e antimateria. In termini tecnici, uno dei processi più importanti è la creazione di una coppia di elettroni nella transizione nucleare che la manualistica classica chiama “decadimento doppio beta senza neutrini”. È una trasformazione ipotizzatagià alla fine degli anni Trenta da Wendell Furry, a partire proprio dalle idee di Majorana.

In un normale processo nucleare, quando cambiano i protoni e i neutroni, si conservano carica ed energia attraverso l’emissione di particelle, fra cui elettroni o positroni e neutrini. Ma se il neutrino fosse una particella di Majorana, allora in alcuni casi molto rari due neutrini virtuali potrebbero annichilarsi fra loro, e il processo finale produrrebbe soltanto due elettroni, appunto, senza neutrini osservabili.

Questo sarebbe enorme. Vorrebbe dire osservare un processo in cui si crea materia elettronica in senso molto concreto. Non sarebbe la creazione della materia in senso mitologico o religioso, ma sarebbe un tassello fisico fondamentale per capire se la materia atomica sia davvero eterna o se possa nascere e scomparire.

MIT Technology Review Italia: Quindi verrebbe meno l’idea di Lavoisier secondo cui nulla si crea, nulla si distrugge, tutto si trasforma?

Francesco Vissani: In parte è già venuta meno. La fisica del Novecento ci ha insegnato che massa ed energia sono equivalenti. La formula di Einstein, E = mc², dice proprio questo. La teoria del decadimento beta di Fermi descrive trasformazioni fra particelle. Nelle stelle, per esempio, l’idrogeno diventa elio attraverso processi in cui protoni si trasformano in neutroni, con emissione di positroni e neutrini. Questi processi sono fisiologici, nel senso che appartengono al funzionamento ordinario della natura. Il Sole brilla perché al suo interno avvengono reazioni nucleari di questo tipo. Noi abbiamo osservato i neutrini solari e sappiamo che quelle reazioni avvengono davvero.

La novità radicale, nel caso Majorana, è un’altra: la possibilità che la materia atomica non sia “per sempre”. Che possa esistere un processo in cui la materia, in senso stretto, viene creata o distrutta secondo regole fisiche precise. È una delle ragioni per cui la ricerca sul neutrino di Majorana è così importante.

MIT Technology Review Italia: Torniamo al 1937. Majorana pubblica un lavoro rivoluzionario. Come viene accolto?

Francesco Vissani: Fermi capisce immediatamente che il lavoro è enorme. E questo crea anche un problema pratico. C’era un concorso già impostato con tre vincitori attesi. L’arrivo di Majorana, con un articolo di quella portata, sconvolge l’equilibrio.

La soluzione è politica e accademica: il ministro Giuseppe Bottai concede a Majorana una cattedra per meriti eccezionali, con una procedura analoga a quella usata per Guglielmo Marconi dopo il Nobel. Majorana diventa professore, non a Palermo, che sarebbe stata la sede naturale del concorso e anche la sua terra d’origine, ma a Napoli.

Dal punto di vista scientifico, però, la ricezione è più lenta. Il lavoro viene letto, anche perché Majorana godeva di una certa visibilità internazionale grazie a Heisenberg. Ma metabolizzarlo richiede tempo. Furry ne coglie una conseguenza importante due anni dopo. Poi, nel 1941, Wolfgang Pauli pubblica un lavoro di rassegna che riconosce alcune acquisizioni, ma non mette realmente in luce la portata del contributo di Majorana sull’antimateria. Così il lavoro non viene dimenticato, ma viene in parte ridimensionato. Ancora oggi molti fisici associano Majorana quasi esclusivamente al neutrino. È corretto, ma incompleto. Il lavoro del 1937 riguarda anche, e direi prima di tutto, l’antimateria.

MIT Technology Review Italia: Lei ha appena pubblicato uno studio di storia della fisica su questo punto. Che cosa ha cercato di mostrare?

Francesco Vissani: Ho cercato di recuperare l’aspetto dimenticato del contributo di Majorana alla teoria dell’antimateria. La mia tesi è che Majorana non sia stato soltanto il fisico che ha ipotizzato una particolare natura del neutrino. È stato anche colui che ha dato una formulazione concettualmente più chiara, più profonda e più moderna della teoria dell’antimateria.

Il suo contributo è di pulizia mentale. Elimina il mare di Dirac, cioè una costruzione oggi abbandonata, e propone una struttura più simmetrica. In un certo senso, Majorana apre la porta alla teoria quantistica dei campi dei fermioni, anche se non la chiama così. Non dispone ancora del linguaggio che diventerà standard dopo, ma sta già pensando in quella direzione.

La cosa sorprendente è che bastava leggere il titolo del lavoro: “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”. Non “teoria del neutrino”. Majorana stava parlando anche di elettroni, positroni, antimateria. Semplicemente, per molto tempo, non abbiamo guardato quel lavoro con sufficiente attenzione.

MIT Technology Review Italia: Che tipo di resistenze ha incontrato questa rilettura?

Francesco Vissani: All’inizio i revisori erano perplessi. Forse anche perché io sono un fisico delle particelle attivo nella ricerca, non uno storico della scienza in senso stretto. C’era una diffidenza comprensibile: stavo entrando in un territorio che non era formalmente il mio.

Uno dei revisori mi ha persino accusato, in modo un po’ paradossale, di fare il tifo per Majorana perché italiano. Ho risposto sul merito. Il punto non era rivendicare un primato nazionale. Il punto era leggere i testi, ricostruire i passaggi, capire che cosa fosse stato effettivamente detto da Dirac, da Fock, da Oppenheimer, da Furry, da Heisenberg e da Majorana.

I revisori mi hanno anche segnalato passaggi intermedi che non avevo considerato abbastanza. Avevano ragione. Li ho studiati, li ho integrati, e alla fine la tesi principale è rimasta in piedi. Anzi, il confronto l’ha resa più solida.

MIT Technology Review Italia: Quindi non è stata una controversia ideologica, ma una discussione storica e tecnica.

Francesco Vissani: Esatto. Il punto era distinguere i contributi. Alcuni fisici e matematici avevano modificato gli schemi formali di Dirac per renderli più praticabili. Hanno fatto un lavoro importante. Ma Majorana opera a un livello diverso. Non si limita a raddrizzare i muri: ripensa l’architettura dell’edificio.

La metafora è semplice, ma funziona. Altri fanno i muratori, Majorana fa l’architetto. Propone una costruzione intellettuale di una pulizia e di una precisione impressionanti.

MIT Technology Review Italia: Questa vicenda dice qualcosa anche sul rapporto fra fisica e storia della fisica?

Francesco Vissani: Moltissimo. La storia della fisica non è una disciplina morta, non è una cronaca di cose già accadute. Può cambiare il modo in cui capiamo il significato di una teoria. Può riaprire strade. Può farci vedere che alcune idee sono state accettate in una forma meno chiara di quanto fosse possibile, oppure che alcune intuizioni sono state ridotte rispetto alla loro portata originaria.

Majorana stesso diceva, in sostanza, che noi pensiamo spesso che gli schemi con cui descriviamo la realtà siano obbligati. Ma chi lavora davvero nella scienza si accorge che non è così. C’è molto della nostra umanità, della nostra creatività, della nostra immaginazione. E anche dei nostri limiti.

Naturalmente la scienza ha bisogno di autolimitazione. Deve porre confini, definire contesti, stabilire regole. Ma dentro quei confini c’è sempre una dimensione di scelta concettuale. La matematica può guidarci, ma può anche confonderci se la usiamo male o se la inseriamo in schemi mentali barocchi.

Per questo, a volte, sarebbe utile tornare a parlare di filosofia naturale. La fisica non è una religione per nuovi sacerdoti della matematica. È un modo rigoroso di interrogare la natura.

MIT Technology Review Italia: Il suo lavoro è stato possibile proprio perché lei non è soltanto uno storico, ma anche uno che “mette le mani nel motore”?

Francesco Vissani: Direi sì e no. Non vorrei essere ingeneroso verso gli storici della scienza, che fanno un lavoro essenziale. Però è vero che mi sono trovato in una posizione particolare.

Sono anche un insegnante. Da anni spiego queste cose agli studenti. E da anni avevo una riserva sul modo in cui venivano presentate: grandi formule, ma poco pensiero. Vedevo espressioni matematiche enormi, ma mi chiedevo quale fosse l’idea fisica che le sosteneva. Come arriva una persona a scrivere una formula di mezzo metro? Qual è la visione che la guida?

A un certo punto ho fatto una cosa apparentemente ovvia: sono tornato a leggere gli articoli originali. È più difficile di quanto sembri, perché cambiano il linguaggio, la matematica, gli schemi mentali. Ma proprio per questo è utile. Alla fine ho individuato il nucleo del problema e ho deciso di affrontarlo.

MIT Technology Review Italia: In questa vicenda c’è anche anche un episodio curioso legato alla Treccani.

Francesco Vissani: Sì. Mi sono accorto che la voce Treccani su Majorana non raccontava correttamente quel lavoro. Ho chiesto chi avesse scritto la voce originaria e ho scoperto che una parte risaliva a Quirino Majorana, lo zio di Ettore, che non comprendeva né accettava la relatività. Questo spiegava alcune cose.

Ho segnalato la questione. È emerso anche un testo di Giovanni Gentile junior, fisico e amico di Majorana, scritto negli anni Quaranta. Oggi la voce è stata corretta in modo che, a mio giudizio, rifletta meglio la dimensione storica del lavoro di Majorana.

È un episodio piccolo, ma significativo. Anche le enciclopedie, anche le sintesi autorevoli, possono conservare letture parziali. La storia della scienza serve anche a questo: a riaprire dossier che sembravano chiusi.

MIT Technology Review Italia: C’è quasi un paradosso: Giovanni Gentile junior, figlio del filosofo idealista, diventa uno dei pochi interlocutori scientifici di Majorana.

Francesco Vissani: È interessante, sì. Giovanni Gentile junior è l’unico vero coautore di Majorana. Majorana scrive quasi sempre da solo; l’unico articolo a doppia firma è con Gentile. Erano amici, confidenti, interlocutori.

Non direi che questo dimostri qualcosa a favore dell’idealismo. Però è vero che sia Majorana sia Gentile sembrano avere un rapporto particolare con la fisica e la matematica: come se fossero oggetti quasi eterni, disincarnati, superiori alla contingenza. In Majorana questo atteggiamento produce formule di una definitività impressionante. Alcune delle sue costruzioni sembrano scritte una volta per tutte.

MIT Technology Review Italia: Alla fine, che cosa resta oggi del vero caso Majorana?

Francesco Vissani: Restano almeno tre cose.

La prima è storica: Majorana non è soltanto il fisico scomparso. È un protagonista della costruzione teorica dell’antimateria.

La seconda è concettuale: il suo lavoro mostra che una teoria non è fatta solo di formule corrette, ma anche di chiarezza architettonica. Dirac aveva uno schema efficace; Majorana ne vede la forma più profonda.

La terza è sperimentale: il neutrino di Majorana, se esiste, potrebbe aiutarci a capire perché l’universo è fatto di materia e non di antimateria. Le ricerche sul doppio decadimento beta senza neutrini hanno proprio la finalità di verificare se esistono processi osservabili nei quali vengono create particelle di materia (nella fattispecie, elettroni). È uno degli obiettivi principali degli esperimenti in corso al laboratorio del Gran Sasso.

Il caso Majorana, dunque, non è chiuso. Non riguarda soltanto un giovane genio scomparso nel 1938. Riguarda una domanda ancora aperta: che cos’è davvero la materia? E soprattutto: è davvero eterna, oppure può nascere e scomparire secondo leggi che stiamo ancora cercando di comprendere?

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