Arthur Compton

Fisico e vincitore di un Premio Nobel, Arthur Holly Compton è ricordato per i suoi studi sui raggi X e sui raggi cosmici, e per la scoperta dell’Effetto Compton che gli valse la prestigiosa onorificenza internazionale per la fisica nel 1927. Uomo di scienza, seppe affiancare lo studio e la ricerca ad una vita di fede che lo sostenne in diverse circostanze della sua vita e che lo interpellò nel suo lavoro di scienziato. Non a caso, quando lavorò al progetto Manhattan, il programma per ottenere plutonio a scopi bellici, la sua fede e la sua etica lo indussero a porsi in posizione di forte dubbio sulla legittimità dell’impresa. Da questa esperienza nacque il libro Atomic Quest: A Personal Narrative by Arthur Holly Compton, che racconta il progetto e le perplessità dell’autore. Compton nacque a Wooster in Ohio, il 10 settembre 1892. Figlio di Elias Compton, professore di filosofia e decano del College of Wooster da cui ereditò la sua profonda fede religiosa, ottenne il PhD a Princeton nel 1916, mentre suo fratello divenne preside del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Dopo il dottorato cominciò ad insegnare all’università del Minnesota che poi lasciò per lavorare come ingegnere presso alcune aziende ed enti statunitensi quali General Electric e Signal Corps; in questa veste inventò una lampada ai vapori di sodio e progetto delle strumentazioni per aeromobili. Passò quindi un anno a Cambridge (UK), conducendo ricerche sotto la guida di Ernest Rutherford. Quando ritornò, divenne direttore del Dipartimento di Fisica della Washington University a St. Louis. Nel 1923 passò all’Università di Chicago, dove rimase per 22 anni, fino al suo ritorno a St. Louis dove, dal 1953 al 1961 è stato professore di Storia naturale fino a diventare poi Rettore della Washington University. Nei suoi primi giorni a Princeton, Compton escogitò un metodo per dimostrare la rotazione della Terra, ma presto iniziò i suoi studi nel campo dei raggi X. Sviluppò una teoria dell'intensità della riflessione dei raggi X da parte di cristalli come metodo per studiare la disposizione degli elettroni negli atomi; nel 1918 iniziò uno studio sulla dispersione dei raggi X. Ciò portò, nel 1922, alla sua scoperta dell'aumento della lunghezza d'onda (e la conseguente diminuzione di frequenza, e quindi di energia) dei raggi X a seguito della diffusione (scattering) della radiazione incidente su uno schermo di grafite, diffusione indotta dagli elettroni liberi presenti nello schermo. Questo fenomeno è noto appunto con Effetto Compton (o “Compton scatterning”). Ora, l’aumento della lunghezza d’onda che caratterizza l’effetto Compton non è spiegabile con l’elettromagnetismo classico, ma è invece previsto dall’ottica quantistica, che attribuisce alla radiazione elettromagnetica non solamente un comportamento ondulatorio ma, in alcune circostanze, anche un comportamento particellare. Pertanto, l’effetto Compton è compatibile con l’idea che la luce sia anche una “particella” (fotone) – aspetto centrale della meccanica quantistica (teoria fisica fondamentale che andava consolidandosi proprio in quegli anni) – e che dunque possa interagire con altre particelle, cedendo o acquistando quantità di moto, cosa successivamente dimostrata da C. T. R. Wilson. Per questa scoperta, Compton è stato insignito, come già ricordato, del Premio Nobel per la fisica del 1927 (che condivise con C. T. R. Wilson premiato per la sua scoperta del metodo della camera a nebbia). Sempre a Compton si deve la scoperta, insieme a C.F. Hagenow, del fenomeno della riflessione totale dei raggi X e della loro completa polarizzazione, che portò a una determinazione più accurata del numero di elettroni in un atomo. Fu anche il primo (con R. L. Doan) ad ottenere, nel 1926, gli spettri dei raggi X mediante l’impiego di reticoli di diffrazione, cosa che offre un metodo diretto per misurare la lunghezza d'onda dei raggi X. Confrontando questi spettri con quelli ottenuti con diffrazione tramite cristallo, si può determinare il valore assoluto dello spazio del reticolo del cristallo. Il numero di Avogadro trovato combinando il valore assoluto dello spazio del reticolo con la densità dei cristalli misurata, ha portato a un più preciso valore della carica elettronica (carica elementare). Questo risultato ha comportato la revisione del valore della carica elettronica precedentemente trovato da Millikan con il metodo della goccia di olio, correggendolo da 4.774 a 4.803 x 10^-10 e.s.u. (ciò rivelò anche che erano stati commessi errori sistematici nella misurazione della viscosità dell'aria, fattore rilevante nella misurazione della carica elettronica tramite il metodo della goccia di olio). Durante gli anni 1930-1940, poi, Compton guidò uno studio internazionale sulle variazioni geografiche dell'intensità dei raggi cosmici, confermando così pienamente le osservazioni, fatte ad Amsterdam nel 1927 da J. Clay, circa l'influenza della latitudine sull'intensità del raggio cosmico. Lo studio suggeriva, tuttavia, che l'intensità dei raggi cosmici era correlata alla latitudine geomagnetica piuttosto che geografica. Ciò ha dato origine a studi approfonditi sull'interazione del campo magnetico terrestre con il flusso isotropico di particelle cariche primarie. Tra le onorificenze ricevute, oltre al Premio Nobel, si ricordano la Medaglia d'oro di Rumford della American Academy of Arts and Sciences (1927); la Medaglia d'oro della Società radiologica del Nord America (1928); la Hughes Medal della Royal Society (1940) e la Franklin Medal, Franklin Institute (1940). Fu inoltre presidente dell'American Physical Society (1934), dell'American Association of Scientific Workers (1939-1940) e dell'American Association for the Advancement of Science (1942). Oltre che di numerose pubblicazioni specialistiche, Compton fu inoltre autore di pubblicazioni più divulgative quali: Radiazioni secondarie prodotte da raggi X (1922), Raggi X ed elettroni (1926, seconda edizione 1928), e X-Rays in Theory and Experiment (con SK Allison, 1935, una versione riveduta di Raggi X ed elettroni). Oltre al grande contributo al sapere scientifico, Compton fu attento anche alle questioni etiche e religiose della sua vita. Oltre al già citato Atomic Quest, vanno ricordate altre opere a carattere etico, quali: La libertà dell'uomo (1935, terza edizione 1939), On Going to College (con altri, 1940) e Human Meaning of Science (1940). In diverse altre occasioni non mancò di testimoniare e di interrogare la sua fede a partire anche dalla sua esperienza scientifica. Nel 1938, nel saggio The Natural Sciences, scrisse: «Da dove viene poi il nostro mondo? Sebbene la scienza non offra una risposta a questa domanda, può indicare che un mondo intelligibile in cui creature intelligenti sembrino ragionevolmente implicare un'intelligenza che lavora nel mondo, possa essere una base sulla quale la maggior parte degli uomini di scienza costruisce il proprio approccio alla religione. Ciò implica che se il nostro Dio è il Dio della natura, dobbiamo riconoscere le leggi della natura come una descrizione del modo in cui Dio lavora e si trova una base per una teologia»[1]. Riflessioni sull’uomo, la scienza e la religione si trovano anche nell’opera The Freedom of Man[2], saggio prodotto a seguito di diverse Lectures date tra il 1931 e il 1935, in cui spiegò il significato e l’impatto che la scienza e la tecnica possono avere sulla vita e sul pensiero dell’uomo. Un’ulteriore testimonianza delle sue idee si trova nella conferenza A modern concept of God, che tenne all’interno delle Garvin Lectures intitolate Man’s Destiny in Eternity[3], in cui parlò di Dio e della razionalità del cosmo secondo la prospettiva dell’uomo di scienza. Fu un convinto sostenitore della necessità del dialogo aperto, effettivo e franco tra scienziati, filosofi e teologi; pur rimanendo sempre rispettoso della diversità di competenze e priorità tra questi ambiti del sapere, incoraggiò la mutua contaminazione del pensiero scientifico con quello filosofico e teologico, e con l’esperienza religiosa[4]. Colpisce, infine, l’idea, espressa in diversi luoghi della sua produzione interdisciplinare, che la stessa impresa scientifica sia parte integrante di quel cammino di collaborazione dell’uomo con l’intelligenza del Creatore manifesta nel creato. Questo fondava, di conseguenza, la sua convinzione che scienza e religione debbano cooperare nel miglioramento del progresso umano[5].