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Charles Townes

1915, Greenville
2015, Berkeley
Elisabetta Micucci

Nobel per la fisica, nel 1964, grazie alla sua pioneristica intuizione sul laser, Charles Townes è una delle figure più affascinanti del panorama scientifico del nostro secolo, ma anche un qualificato testimone del rapporto fra scienza e religione. Tutti coloro che vennero a contatto con lui, ex studenti e colleghi di lavoro, ne hanno parlato come di un ottimo insegnante ed un grande ricercatore, dedito al lavoro fino a poco tempo prima della scomparsa, avvenuta il 27 gennaio 2015. Steven Boggs, professore e Preside del dipartimento di Fisica dell’Università di Berkeley lo ricorda come un uomo che «aveva un enorme impatto sulla fisica e sulla società in generale. La sua immensa passione per la scienza ed il suo personale impegno nella ricerca sempre attiva ha ispirato tutti noi.». Reinhard Genzel, professore di fisica all’Università di Berkeley e direttore del Max Planck Institute per la fisica extraterrestre, lo ha definito come un inguaribile ottimista, atteggiamento assunto dalla sua profonda fede cristiana. Strenuo sostenitore della matrice comune di scienza e religione, come cristiano di confessione protestante, Townes rimarcò con vigore in tutta la sua vita, il significato della sua affermazione: «La scienza prova a capire com’è fatto il nostro universo e come funziona, inclusi noi, esseri umani. [...] La religione ha come scopo quello di capire lo scopo, l’obiettivo ed il significato profondo del nostro universo, incluso quello delle nostre vite. Se l’universo ha uno scopo o un significato, questo deve essere riflesso nella sua struttura e nel proprio funzionamento, e così lo vediamo nelle scienze».

Townes si laureò in fisica alla Furman University nel 1935 ed ottenne il suo Ph. D. al Caltech Institute nel 1939. Raggiunse, immediatamente dopo, lo staff tecnico al Bell Labs in New Jersey, dove rimase durante tutto il periodo della seconda guerra mondiale, per studiare i sistemi radar dedicati alle bombe. In seguito iniziò ad applicare le sue competenze allo studio delle microonde dello spettroscopio. Durante la seconda guerra mondiale si occupò di progetti radar per operazioni militari, iniziando lo studio della fisica delle microonde e di spettroscopia ad alta risoluzione. Aveva 35 anni nel 1951 quando, seduto in una panchina nel parco di Washington D.C., venne “illuminato” dalla soluzione di un problema di lunga data: come creare un fascio di luce ad alta frequenza, cioè con una lunghezza d’onda così bassa da ridurre il più possibile il prevalere dell’assorbimento della radiazione da parte delle molecole e degli atomi. Townes stesso parla della soluzione a questo problema come di una “illuminazione divina”, che lo condusse ad ipotizzare la realizzazione del laser.

Il problema che si pose fu quello di creare un intenso fascio di energia a microonde da usare come sonda. Albert Einstein, nel 1917 propose che un fotone di una precisa lunghezza d’onda di luce potesse “stimolare” un atomo eccitato ad emettere un quanto di luce della stessa lunghezza d’onda, essenzialmente amplificandolo, ma Townes trovava difficile correlare l’idea di un gas di atomi eccitati senza che questi ultimi venissero dispersi statisticamente in una popolazione prevalentemente costituita da atomi non eccitati. La sua soluzione lo condusse a separare le molecole con atomi eccitati da quelle non eccitate e ad inserirle in una cavità di risonanza, in modo tale che, quando una microonda riusciva a passare attraverso il gas contenuto nella cavità risonante, le molecole fossero stimolate ad emettere contemporaneamente microonde in fase tra loro. È quello che si chiama oggi un fascio di radiazione coerente.

Nel 1948 Toenws accettò di lavorare alla Columbia University, dove, nel 1954 costruì il primo MASER, acronimo di Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, insieme a James Gordon, allora studente da poco laureato, e ad Herbert Zeiger, allora ricercatore. Nel MASER il mezzo amplificante era costituito da ammoniaca. Insieme al collega Schawlow sviluppò l’ipotesi della costruzione di uno strumento simile, non più nel campo delle microonde, bensì in quello della radiazione visibile; il risultato del loro lavoro venne pubblicato nel 1958. Ciò condusse alla produzione di un effetto LASER, il cui acronimo sta per Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Ciò fu possibile grazie agli studi sulla risonanza magnetica, che portarono a considerare la possibilità di cambiare la popolazione dei livelli energetici degli atomi, e di produrre un’inversione delle relative popolazioni, aumentando il numero degli atomi eccitati fino a farlo prevalere su quello degli atomi non eccitati. È la caratteristica fondamentale per il funzionamento di MASER e LASER. Molto importante, per lo sviluppo di MASER e LASER, fu quello che accadde in uno degli esperimenti di Bloch e Purcell, anche se gli autori non dedicarono alla cosa molta attenzione, e cioè il fatto che si era prodotta per un breve momento un’inversione della popolazione fra i livelli energetici in gioco. In generale, le particelle di un insieme in equilibrio sono distribuite secondo la legge di Maxwell-Boltzmann, secondo cui la popolazione dei livelli diminuisce passando da quelli di energia minore a quelli di energia maggiore. Sottoponendo l’insieme di particelle a radiazione di frequenza v, in modo tale che l’energia E = hv trasportata da ciascun fotone (secondo la relazione di Einstein-Planck), uguagli la differenza di energia fra due livelli, hanno luogo sia processi di assorbimento, con transizione dal livello più basso a quello più alto, sia processi di emissione, stimolata dalla radiazione, dal livello più alto a quello più basso. In condizioni normali, i processi del primo tipo prevalgono su quelli del secondo proprio perché i livelli più bassi sono più numerosi. Ma se la distribuzione delle particelle sui due livelli è stata in qualche modo invertita, così che siano presenti più particelle nello stato di energia maggiore (inversione di popolazione fra i due livelli), allora nel processo di interazione fra radiazione e particelle si ha un eccesso di fotoni emessi rispetto a quelli assorbiti; avviene, quindi, quella che si chiama un’amplificazione del processo. Già nel 1924 van Vleck e Tolman avevano coniato, per questa situazione il termine suggestivo di assorbimento negativo.

Nel lavoro pubblicato congiuntamente nel 1958, Infrared and Optical Masers, sia Schawlow che Townes discussero gli aspetti teorici connessi con la realizzazione di apparecchi di tipo-maser nell’infrarosso e nel visibile, indicando in modo puntuale i problemi specifici connessi con il passaggio a lunghezze d’onda diverse. Un paragrafo del lavoro fu dedicato all’analisi di un esempio specifico in cui il pompaggio previsto era di carattere ottico (luce visibile in luogo di microronde) ed il materiale attivo consisteva in vapori di potassio. Townes e Schawlow, concepirono l’idea di fare con la luce visibile la stessa cosa che con le microonde, utilizzando però specchi alla fine del tubo di gas per amplificare la luce e per ottenere un maser ottico. Tuttavia, a causa della sua nomina a direttore dell’ U.S. Government’s Institute of Defense Analysis, nel 1959, Townes rallentò il suo apporto nella costruzione dello strumento ipotizzato con Schawlow, facendo sì che fosse Theodore Maiman a dimostrare per primo l’utilizzo del LASER, nel 1960, utilizzando come materiale attivo il rubino. Nel 1961 Townes divenne professore al MIT, periodo nel quale continuò la sua ricerca sui quanti di elettroni, ma spostandosi verso il campo dell’astronomia ad infrarossi.

Come abbiamo ricordato all’inizio, nel 1964 vinse il Premio Nobel in Fisica, insieme a due fisici russi, Aleksandr M. Prokhorov e Nicolai G. Basov, che svilupparono indipendentemente dai suoi studi l’idea del MASER. Parte da qui il vastissimo utilizzo che il LASER ha avuto, e sta ancora avendo, nei più disparati campi di ricerca, dalla microchirurgia al suo utilizzo nella nostra vita quotidiana. Townes stesso utilizzò il MASER nei suoi studi di radioastronomia, ed il LASER per l’astronomia ad infrarossi e promosse il suo uso in aree molto diverse come, ad esempio, la comunicazione extraterrestre.

Nel 1967 venne nominato professore all’Università di Berkeley, dove venne a conoscenza degli studi di William Welch, sulla costruzione di un radiotelescopio a corta lunghezza d’onda, ed offrì alcuni fondi per costruire un amplificatore MASER ed uno spettrometro a microonde, in modo da utilizzarlo per osservare nello spazio emissione radio da molecole complesse, come quelle dell’ammoniaca,. Era opinione comune, all’epoca, che tali molecole non potessero sopravvivere in condizioni ambientali come quelle dello spazio, ma Welch e Townes nel 1968 smentirono questa posizione: furono i primi a scoprire molecole di ammoniaca e vapor acqueo vicino al centro della Via Lattea, ed in seguito stimarono per primi una misura della massa del probabile buco nero situato al centro della nostra galassia. 

Per tutta la sua vita, Townes mantenne un vivo interesse per il dialogo fra scienza e religione. Un articolo del 1966, intitolato La convergenza di Scienza e Religione e pubblicato sulla rivista Think della IBM, lo rese una delle poche voci autorevoli, a quel tempo, su questo tema. «Credo profondamente che, mentre scienza e religione possono sembrare ambiti diversi, esse abbiano in realtà molte cose in comune, e possano interagire ed illuminarsi a vicenda», dichiarò nel 2005 dopo aver ricevuto il Premio Templeton.

Nel citato articolo del 1966, Townes afferma con convinzione che scienza e fede sono per lui entrambe universali e strettamente correlate, nonostante esse appaiano, a prima vista, profondamente diverse. In realtà non esistono per lui contrapposizioni nella natura dei due ambiti del sapere: a prima vista, può sembrare che solo la religione si fondi sulla fede, «ma la fede esiste essenzialmente anche nella scienza, sebbene non riusciamo a riconoscere, in modo generale, il bisogno essenziale e la natura fondamentale della fede nella scienza. La fede è necessariamente per lo scienziato il punto di partenza, e lui ha bisogno di una fede profonda per portare avanti i propri compiti più duri. Perché? Perché è necessario che abbia fiducia nel fatto che ci sia un ordine nell’universo e che la mente umana, cioè la sua mente, abbia una buona probabilità di capire quest’ordine. Senza questa fiducia, ci sarà sempre un punto di arresto nello sforzo intenso di provare a capire un mondo presumibilmente disordinato o incomprensibile. Un mondo simile ci riporterebbe indietro ai giorni della superstizione, quando l’uomo pensava che forze capricciose manipolassero il suo universo. […] La necessità della fede nelle scienze è una reminescenza della descrizione della fede religiosa attribuita a Costantino: “Credo e per questo posso conoscere”. Ma una fede così profonda è talmente radicata nello scienziato che è impossibile per ognuno di noi fermarsi a pensare che non esista».

Un altro apparente punto di discordia fra scienza e fede sembrerebbe essere la presenza, nelle religioni, di fenomeni di “rivelazione”. Townes constata però che, anche se il sapere scientifico si considera derivare comunemente da deduzioni logiche o dall’accumulazione di dati analizzati da metodi già ben definiti, una simile descrizione del sapere scientifico è una falsa immagine di quello che accade in realtà: «La maggior parte delle scoperte scientifiche derivano, seppur in modo diverso, da una qualche forma di rivelazione, e sono con essa strettamente connesse. Questo termine viene di solito usato in ambito religioso e non scientifico. In questo campo si parla di intuizione, di scoperta accidentale, o si dice semplicemente che quella determinata persona “ha avuto una magnifica idea”. Se invece ci soffermassimo seriamente a pensare da cosa derivano le grandi idee scientifiche, noteremmo la loro grande somiglianza con le  rivelazioni religiose».  In un'altra occasione, egli giunse a parlare di una inevitabile confluenza fra scienza e religione: «Io credo che una confluenza di scienza e religione sia inevitabile: per entrambe lo sforzo umano è quello di comprendere se stessi e l’universo; entrambe possono crescere insieme».

Durante un’intervista rilasciata nel 2005 al giornale dell’Università di Berkeley, Townes affermava: «Se si comprenderà la struttura dell’universo, allora sarà anche più chiaro qual è il fine ultimo dell’uomo. Io penso che la risposta migliore ai nostri interrogativi sia aver presente che siamo stati creati ad immagine e somiglianza di Dio: è per questo che abbiamo una volontà libera, una nostra autonomia, possiamo realizzare e creare delle cose; ciò è stupefacente. Proprio perché possiamo imparare sempre di più, possiamo diventare sempre qualcosa di più».

Bibliografia

C. Townes, The Convergence of Science and Religion, IBM Think, vol. 32, no. 2, March-April 1966

B. Azab Powell, Explore as much as we can. Nobel Prize winner Charles Townes on evolution, intelligent design, and the meaning of life , UC Berkeley News, 17 June 2005

G. Dragoni, S. Bergia, G. Gottardi (a cura di), Dizionario biografico degli scienziati e dei tecnici, Zanichelli, Bologna 2004, pp. 1442-1445