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Fritz Zwicky, un grandissimo astrofisico dimenticato

Attualmente la fama dell’astrofisico Fritz Zwicky è caduta nell’oblio ma era anche modesta quando questo straordinario personaggio dal carattere scorbutico, era attivo nella ricerca scientifica del secolo scorso conseguendo risultati di altissimo valore. E’ stato uno degli scienziati più brillanti del suo tempo: era dotato di grande immaginazione, intelligenza ed apertura mentale, in grado di coniugare studi di carattere sperimentale con studi teorici; molte sue intuizioni vennero riscoperte decenni dopo, spesso senza nemmeno correlarle ai suoi lavori pioneristici.

Fritz Zwicky  nasce nel 1898 a Varna, Bulgaria, da padre svizzero e madre cecoslovacca. La famiglia ritornerà nel paese d’origine paterno, Glarus, nel cantone di Glarona in Svizzera, quando Fritz ha l’età per iniziare la scuola. Nel 1914 entra al Politecnico Federale di Zurigo dove studia matematica e fisica sperimentale e discute la tesi con Hermann Weyl, il grande matematico, fisico e filosofo zurighese. Nel 1922 consegue il dottorato con una dissertazione sui cristalli ionici avendo come relatore il chimico Peter Debye futuro premio Nobel nel 1936. Si ferma al Politecnico per tre anni prima di trasferirsi in America approfittando di uno dei programmi filantropici come quello istituito dalla fondazione Rockefeller per assumere giovani talenti scientifici da tutto il mondo. Così, nel 1925, approda al Caltech ( California Institute of Technology) di Pasadena per lavorare col notissimo fisico Robert Millikan che aveva vinto il premio Nobel due anni prima per i suoi studi sulla carica dell’elettrone e l’effetto fotovoltaico. In quegli anni veniva ultimata la costruzione del telescopio con lo specchio gigantesco di cinque metri di diametro del Monte Palomar che soppianterà quello del Monte Wilson, e Zwicky sceglie allora di dedicarsi all’astronomia. Data la sua preparazione scientifica in fisica, si può dire che fu il primo astro-fisico del novecento. Diventato membro del Consiglio di Facoltà dal 1927 al 1968, anno del pensionamento, è nominato professore di astrofisica al Caltech nel 1942; parallelamente lavora come direttore della ricerca dal 1943 al 1961 per l’Aerojet Engineering Corporation sviluppando progetti relativi ai sistemi di propulsione di Jet e  razzi, conseguendo parecchi brevetti. Muore a Pasadena nel 1974 e sarà sepolto a Mollis, in Svizzera. Nel 1949 il presidente Truman premia Zwicky con la Presidential Medal of Freedom per i suoi lavori sulla propulsione dei razzi durante la seconda guerra mondiale, mentre nel 1972 riceve la Gold Medal of the Royal Astronomical Society per i suoi brillanti contributi all’astronomia ed alla cosmologia ed in particolare per i suoi studi sulle stelle di neutroni, la materia oscura e la catalogazione delle galassie. Il Zwicky Museum e la Landesbibliothek a Glarus contengono molti suoi lavori e documenti e la Fritz Zwicky Stiftung è impegnata a conservare e gestire il suo lascito scientifico ed a promuovere le sue idee concernenti l’analisi morfologica.

Prima di parlare delle scoperte scientifiche è necessario fare un breve ritratto del personaggio e soprattutto del suo carattere molto difficile. Infatti sembra che proprio a causa delle sue continue intemperanze dovute anche alla sua provenienza dalla cultura accademica svizzera molto più “gerarchica” ed arrogante di quella americana, l’attenzione che veniva dedicata ai suoi lavori era scarsa e lentamente alcune pubblicazioni finirono per suscitare una certa diffidenza nell’ambiente scientifico. Come scrive Pryamvada Natarajan, della Yale University, Zwicky “ era un uomo irascibile, aggressivo e testardo, con un modo di fare rude e sprezzante che irritava i colleghi…….Molti tolleravano a fatica la sua supponenza”(1). Purtroppo sovente il carattere di uno scienziato finisce per creare un solco profondo con i colleghi indipendentemente dal suo valore scientifico. Si salvano solo coloro che vengono reputati di livello eccezionale, dei geni, che possono anche permettersi atteggiamenti presuntuosi ed offensivi. Zwicky pagò pesantemente, a causa del suo temperamento collerico, il grande ritardo con cui alcune sue importantissime scoperte vennero riconosciute ed inglobate nella moderna astrofisica. Era una sorgente continua ed incessante di idee, molte delle quali sbagliate, ma altre invece di grande interesse. Millikan, presso il quale aveva iniziato a lavorare in America, raccontò che aveva trattenuto con sé Zwicky perché alcune delle sue inesauribili idee fantasiose avrebbero potuto essere valide, come in realtà avvenne in molti casi. Zwicky aveva coniato il termine spregiativo “spherical bastard” (bastardo sferico) spiegando che così certi individui andavano definiti in quanto bastardi a tutto tondo, cioè da qualunque parte li si guardasse. Mentre lavorava col noto fisico Walter Baade si riferiva a lui chiamandolo spesso “Nazi” o cretino oltre che “spherical bastard” al punto che Baade sembra abbia sussurrato ai colleghi che temeva che Zwicky pensasse di ucciderlo. Imprecava ininterrottamente con gli assistenti che lavoravano di notte al telescopio, ricoprendoli di insulti dove mescolava termini scientifici con parole oscene. Jesse Greenstein, a lungo direttore del dipartimento di astronomia del Caltech ai tempi in cui Zwicky vi lavorava, ricorda che era senza dubbio dotato di una mente assolutamente straordinaria, ma era anche, malgrado non lo ammettesse,“untutored and not self-controlled”, cioè indisciplinato e privo di autocontrollo. Il noto fisico anglo-americano di Princeton, Freeman Dyson, racconta che “le idee radicali e la personalità combattiva di Zwicky lo ponevano in frequente conflitto con i colleghi del Caltech. Questi lo consideravano pazzo e lui li considerava stupidi”.

Agli inizi degli anni trenta del secolo scorso Zwicky si era dedicato allo studio ed alla registrazione dei movimenti delle galassie nell’ammasso della Chioma, con l’intento di determinarne la massa usando la fisica Newtoniana. Un ammasso, la struttura più massiccia dell’universo, è costituito da migliaia di galassie che si muovono incessantemente in ogni direzione ma sono tenute insieme dalla forza di gravità. Osservando in particolare il moto delle otto galassie più luminose, Zwicky realizzò che all’interno dell’ammasso le galassie si muovevano con una velocità nettamente superiore a quella calcolabile considerando l’effetto gravitazionale dovuto alle stelle visibili. La velocità misurata era di circa tre milioni di Km/ora, e ciò presupponeva che la massa fosse 400 volte maggiore di quella determinabile dalla massa  osservabile. Pubblicò questo risultato nel 1933 sugli “Helvetica Physica Acta” dove ipotizzò che nell’ammasso della Chioma, ed analogamente nell’intero universo, doveva esistere una “dunkle materie” (materia oscura), invisibile ed ignota, i cui effetti gravitazionali potevano spiegare quella velocità elevatissima. Se questa massa oscura, e quindi questa superdensità, fosse confermata, scriveva Zwicky, “arriveremmo alla sbalorditiva conclusione che la materia oscura è presente con una densità molto maggiore rispetto alla materia luminosa”. Ma anche dopo un altro articolo sulla materia oscura pubblicato tre anni dopo da Sinclair Smith, l’attenzione degli astrofisici per l’argomento fu praticamente nulla. Circa 40 anni dopo gli astronomi Vera Rubin e Kent Ford, cercando di determinare la massa di singole galassie a spirale, si accorsero che il loro moto era molto più veloce rispetto a quanto si poteva ricavare considerando le sole stelle visibili di ciascuna galassia. Sembravano subire una attrazione gravitazionale notevolmente maggiore, ma non collegarono questo fenomeno con la materia oscura ipotizzata da Zwicky. Però il lavoro della Rubin e di Ford spinse i fisici teorici ad impegnarsi lungo un periodo di circa dieci anni, per creare un modello teorico continuamente migliorato ed affinato, in grado di spiegare la formazione di tutte le strutture presenti nell’universo, basato proprio sulla supposta presenza della materia oscura. Il modello, che pone la materia oscura come “motore primario della formazione di tutte le galassie” (1), è stato confermato in seguito da molte altre misure compiute con strumenti sempre più sofisticati e precisi anche se non è universalmente accettato. Però cosa sia la materia oscura, che si stima rappresenti circa il 26% della materia dell’universo e che, insieme all’energia oscura che presiede all’espansione accelerata dell’Universo, occupa circa il 96% del cosmo, resta ad oggi un mistero irrisolto; molti esperimenti in vari laboratori del mondo, stanno attualmente cercando le sfuggenti particelle che dovrebbero costituire la “dark matter” senza, a tutt’oggi, alcun risultato.

Anche se inascoltato, Zwicky proseguì nelle sue ricerche e nel 1937 pubblicò sull’”Astrophysical Journal” un articolo nel quale, ammettendo che le sue speculazioni sull’esistenza della dunkle matter fossero corrette, allora gli ammassi che contenevano grandi quantità di materia invisibile, dovevano curvare lo spazio-tempo come dettato dalla relatività Einsteniana, e quindi flettere la traiettoria rettilinea dei raggi luminosi.  L’ammasso doveva agire come una “lente gravitazionale”, ma con gli strumenti di allora questa deviazione non era osservabile. Solo alla fine degli anni sessanta un gruppo di astronomi riprese il lavoro di Zwicky finchè, nel 1987, grazie al telescopio CHFT alle Hawaii fu possibile fare misure estremamente accurate che confermarono che le congetture di 40 anni prima di Zwicky erano corrette. Oggi sappiamo che sono solo gli aggregati di materia oscura che possono agire da lente gravitazionale in quanto la massa delle stelle visibili nelle galassie che costituiscono gli ammassi non è sufficiente a produrre la forza per deviare il raggio di luce.

E’ curioso notare che nel 1959 i due astronomi F.D.Kahn e L.Woltjer studiando la nostra galassia, la Via Lattea, e quella a lei più vicina, Andromeda, notarono che Andromeda “corre” verso la Via Lattea. Calcolando la massa di tutte le stelle visibili nella nostra galassia, conclusero che la massa che attirava Andromeda doveva includere una grande massa di materia invisibile altrimenti il fenomeno osservato era inspiegabile. Nella loro pubblicazione i due astrofisici sembrarono ignorare che il medesimo effetto era già stato descritto da Zwicky per l’ammasso della Chioma oltre 25 anni prima, tanto è vero che non lo citarono  nella bibliografia dell’articolo.

Un altro grande merito di Zwicky fu l’identificazione di una nuova classe di oggetti luminosi che battezzò col nome di supernove. Nei primi anni trenta, lavorando con Walter Baade, spesso da lui trattato impietosamente, suppose che in alcune condizioni molto particolari, la zona centrale di una stella potesse collassare su se stessa col risultato che l’implosione da un lato provocava una violenta onda d’urto che faceva esplodere gli strati esterni della stella portandola alla massima luminosità (fino a 5 miliardi di volte la luminosità del sole), dall’altro ne contraeva il nucleo centrale a causa dell’enorme valore della gravità compattandolo in un nocciolo di neutroni (i neutroni, scoperti qualche anno prima, nel 1932, da James Chadwick, sono particelle elettricamente neutre che si trovano nel nucleo degli atomi. Nel collasso della stella la compressione esercitata dalla gravità è tale che gli elettroni dell’atomo si combinano con i protoni del nucleo trasformandoli in neutroni). Secondo Zwicky si realizzava la transizione da stella ordinaria a stella di neutroni e questo passaggio causato dall’esplosione della supernova produceva i raggi cosmici, particelle galattiche subatomiche di alta energia che viaggiano circa alla velocità della luce. La densità finale del nocciolo è enorme, un cucchiaino di materia di una stella di neutroni peserebbe milioni di tonnellate! Zwicky iniziò la ricerca di queste stelle esplose anche perché sono fondamentali come “candele standard”, cioè oggetti cosmici di luminosità nota che servono per calcolare le distanze degli oggetti extragalattici. A questi studi si affiancheranno negli anni la ricerca infaticabile per mappare decine di migliaia di  galassie col risultato di scoprire che le galassie tendono a raggrupparsi aprendo così un nuovo capitolo nella storia dell’astrofisica.  Nei primi anni sessanta pubblicò insieme ad alcuni colleghi i sei volumi del “Catalogue of galaxies and of clusters of galaxies”, il primo tentativo di classificare il maggior numero possibile di oggetti celesti. Oggi, con le nuove tecniche anche satellitari, ma soprattutto grazie alla digitalizzazione delle immagini con la possibilità di analizzarle mediante programmi estremamente sofisticati, si è arrivati alla catalogazione di ben 26 milioni di galassie grazie al progetto internazionale Dark Energy Survey a cui partecipano 400 ricercatori da tutto il mondo.

Le ipotesi di Zwicky sulla materia oscura, sulle supernove ed i raggi cosmici che nei tardi anni trenta erano prese in scarsa considerazione dalla comunità scientifica, si sono dimostrate nel tempo assolutamente corrette e probabilmente, se non fosse stato inviso a molti scienziati per il suo pessimo carattere, avrebbe potuto avere il giusto supporto per meritare il premio Nobel.

C’è poi una parte meno nota della ricerca di Zwicky che riguarda lo sviluppo della GMA (General Morphologic Analysis), cioè l’applicazione di metodi morfologici per esplorare tutte le possibili soluzioni in problemi multidimensionali complessi. Zwicky  se ne servì per i suoi studi astronomici e quelli relativi alla propulsione dei razzi con lo scopo di ridurre la complessità dei problemi identificando le possibili soluzioni e scartando quelle illogiche grazie a sofisticate tecniche di valutazione di consistenza incrociata (cross-consistency assessement) che generano una matrice (morphological box) contenente tutte le soluzioni potenziali. Il fatto che alcune di queste siano inusuali o anche folli, sarebbe un ingrediente fondamentale della creatività.

La produzione scientifica di Zwicky ammonta a 559 articoli attualmente conservati nella sezione di  astrofisica della biblioteca del Caltech. Zwicky è stato anche  molto attivo sul piano umanitario, contribuendo a parecchie attività caritatevoli, impegnandosi per collaborare alla ricostruzione delle tante librerie scientifiche distrutte durante la seconda guerra mondiale e partecipando al programma della Fondazione Pestalozzi per aiutare gli orfani di guerra.

Nel tempo libero Zwicky, che fin da piccolo in Svizzera amava sciare ed arrampicare in montagna, perseguì questa sua passione con grande impegno anche in età avanzata. Negli anni trascorsi al Politecnico di Zurigo, aveva compiuto parecchie scalate col suo amico Thadeus Reichstein (futuro premio Nobel in medicina per la scoperta del Cortisone) ed aveva aperto con lui alcune nuove vie nelle Alpi tuttora presenti nella guida del Swiss Alp Club.

Credo che un giudizio equilibrato su questo geniale astrofisico sia quello espresso dal fisico teorico dell’Università di Chicago Michael Turner: “Era molto più avanti rispetto al suo tempo e se lo sei non puoi che essere un tipo strano (crackpot)”.

 

 

Priyamvada Natarajan “Mapping the Heavens. Tha Radical Scientific Ideas that Reveal the Cosmos”. Yale University Press, New Heaven, CT.

Francesco Cappellani

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Una risposta
  1. Noi perdoniamo Fritz Zwicky : difficile trovare un grande genio che non fosse un p’ strano. Ci pare persino simpatico. Grazie per il richiamo. Enzo Tosi.

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