Ritratti: Maurice e Louis de Broglie

Louis de Broglie

La Normandia è una delle più note regioni della Francia settentrionale. Si affaccia proprio sul canale della Manica ed è famosa non solo come località turistica, ma anche per lo sbarco in Normandia, una delle operazioni più importanti avvenua nel corso della seconda guerra mondiale, più precisamente il 6 giugno del 1944. Uno dei fortilizi tedeschi dell'epoca, motivo per cui non fu oggetto dello sbarco vero e proprio, era Dieppe. Quest'ultima era, secondo una storia non confermata, località balneare francese sin dal 1824 quando Maria Carolina di Borbone si immerse, immagino delicatamente, tra le acque che lambiscono le spiagge di Dieppe.
E sempre a Dieppe gli ingegneri italiani Ettore Bellini e Alessandro Tosi misero a spunto il radiogonometro, un particolare ricevitore radio in grado di ricevere grazie a un'antenna direzionale, ovvero con una direzione di ricezione privilegiata. La nostra storia, però, ci portà a qualche anno prima degli esperimenti dei nostri due inventori, precisamente all'estate del 1892. Siamo ad agosto e nonostante lo stato interessante della signora, Pauline de La Forest d'Armaillé, la famiglia de Broglie è andata a Dieppe per passare le vacanze estive. E proprio qui, il 15 agosto, nasce il più famoso della famiglia, quel Louis de Broglie che nel 1929 avrebbe vinto il Premio Nobel per la Fisica.
Per la coppia di genitori, il padre è Louis Amédée Victor de Broglie, Louis è il secondogenito. Era infatti nato, a Parigi, diciassette anni prima, il buon Maurice de Broglie: era il 27 aprile del 1875 e ancora non poteva saperlo, ma sarebbe diventato una delle figure più importanti nella vita dell'allora futuro fratellino. E probabilmente fu proprio la grande differenza di età che rese Maurice un punto di riferimento per Louis.

Maurice de Broglie

All'inizio Maurice, però, intraprese la carriera militare: era il 1898 quando divenne sottotenente di vascello della marina francese, ma abbandonò tutto nel 1904 per intraprendere una carriera nella fisica. Si laureò, infatti, nel 1908 come allievo di Paul Langevin con una tesi dal titolo Recherche sur les centres électrisés de faible mobilité dans les gaz, che potrebbe essere tradotto come Ricerca sui centri elettrici a bassa mobilità nei gas.
Maurice de Broglie fu, in effetti, un apprezzato fisico sperimentale, specializzato in particolare nello studio della diffrazione e della spettroscopia a raggi X. Durante la prima guerra mondiale, ritornò provvisoriamente in marina, dove si occupò delle comunicazioni radio. Rientrato a casa, proseguì i suoi lavori sperimentali in un laboratorio casalingo. Il suo interesse di ricerca era, dunque, nell'elettromagnetismo e questo, insieme con la fama, crescente, lo portò a partecipare al primo Congresso Solvay del 1911. All'epoca il fratello minore, Louis, si era brillantemente laureato in storia e diritto nel 1910, a soli 18 anni ed era andato con Maurice proprio a quel congresso come segretario del fratello. Non poteva ancora saperlo, ma sarebbe tornato questa volta da protagonista al quinto congresso Solvay, quello del 1927, il più famoso di tutti, quello che di fatto presenta in un'unica foto tutti i fisici che hanno portato avanti la rivoluzione della fisica all'inizio del XX secolo. A questo ci arriveremo tra poco, ciò che al momento conta fu che quella prima esperienza, anche se solo come spettatore, risvegliò in Louis il suo interesse verso la scienza in generale e la fisica in particolare.
Si lauerò abbastanza in fretta, nel 1913. Poi scoppiò la prima guerra mondiale e anche il giovane de Broglie venne impiegato per lo sforzo bellico, come decodificatore dei messaggi tedeschi captati nella postazione radio posta in cima alla Torre Eiffel. Dopo la guerra iniziò a lavorare insieme con il fratello, motivo per cui i suoi primi lavori furono in campo sperimentale, anche se probabilmente, viste le inclinazioni matematiche di Louis, fu probabilmente quest'ultimo a occuparsi della parte teorica degli articoli. Con Maurice, infatti, si occuparono dell'effetto fotoelettrico e delle proprietà dei raggi X, visti applicando i principi della meccanica quantistica di Niels Bohr. Tra l'altro proprio grazie a questi lavori sia nel 1925 sia nel 1926 il fisico Orest Khvolson nominò i fratelli de Broglie per il premio Nobel.
Louis, però, era già all'epoca andato ben oltre i risultati ottenuti insieme con il fratello. I suoi interessi teorici, infatti, lo avevano spinto in una direzione particolarmente interessante, partendo proprio dagli esperimenti condotti con il fratello Maurice. E l'idea della doppia natura onda-particella nasce proprio dallo studio dei raggi X: il fratello Maurice, infatti, riteneva che questa particolare radiazione doveva essere una combinazione tra particelle e onde.
Louis, allora, decise di costruire una teoria in grado di fornire una rappresentazione dei fenomeni sperimentali che unisse proprio le due descrizioni, particellare e ondulatoria. Il punto di partenza di de Broglie fu l'idea dei quanti di luce introdotta da Albert Einstein per spiegare l'effetto fotoelettrico. A partire da ciò Louis pubblicò un primo articolo nel 1922 in cui modellizzava la radiazione di corpo nero come un gas di quanti di luce (il nome fotone sarebbe arrivato poco dopo, e la sua storia, quella del nome ovviamente, magistralmente raccontata da Marco Fulvio Barozzi). A questo gas de Broglie applica la meccanica statistica classica, derivando la legge di Wien. Il passo successivo è quello di conciliare i fenomeni di diffrazione e interferenza con l'idea dei quanti di luce: in questo caso interpreta i quanti di luce come particelle relativistiche di massa molto piccola, sebbene non nulla.

Propagazione delle onde di de Broglie

Per completare il quadro restava solo da estendere il risultato alle particelle massive, cosa che accadde nel 1923 quando in Ondes et quanta, onde e quanti, presentata il 10 settembre all'Accademia delle Scienze di Parigi, descrisse il suo formalismo onda-particella: secondo i suoi risultati, infatti. una particella in movimento con energia \(E\) e velocità \(v\) è caratterizzata da un qualche processo interno periodico con frequenza pari a \(E / h \) dove \(h\) è la costante di Planck. Alla particella, però, de Broglie associò anche una specie di "onda fittizia" che si propaga a velocità \(c^2 / v\), cercando così di conciliare la sua proposta, nata dai principi quantistici, con la relatività speciale di Einstein. Questa onda, nota successivamente come inda di fase o onda di de Broglie, è in fase con il periodo interno della particella, quella che è oggi nota come la frequenza Compton.
E' interessante come sin da questi primi passi della meccanica quantistica, si cercasse di mantenere la teoria quanto più relativistica possibile, o almeno i fisici teorici che non rispondevano direttamente alla scuola di Copenaghen. D'altra parte proprio una delle idee di de Broglie venne trent'anni dopo ripresa da David Bohm per le sue variabili nascoste. Nel 1924, infatti, Louis nella sua tesi di dottorato aveva ipotizzato che l'elettrone possedesse una sorta di orologio interno che guida l'onda pilota che, a sua volta, dirige la particella. La cosa interessantge è che mentre le variabili nascoste sembrano sempre più un'alternativa da abbandonare, alcuni risultati sperimentali nel corso del 2001 sono sembrati compatibili con le previsioni teoriche di de Broglie sull'orologio interno.
Questo è, indubbiamente, il risultato più noto di Louis de Broglie, che, però, non si accontentò, e anzi cercò di estendere la dualità onda-particella a tutte le leggi della natura:

Quando Boltzmann e i suoi successori svilupparono la loro interpretazione della termodinamica, si poteva considerate la termoninamica come una branca complicata della dinamica. Ma, seguendo le mie idee, è la dinamica ad apparire una branca semplificata della termodinamica. Penso che, di tutte le idee che ho introdotto nella teoria quantistica in questi anni, questa è l'idea che è di gran lunga la più importante e la più profonda.

Vale la pena citare una delle sue idee più tarde, che tra l'altro fino a ora non ha ricevuto alcuna verifica sperimentale (e anzi ci potrebbero essere più risultati contro che a favore): nel 1934, infatti, propose l'idea che il fotone, in realtà, fosse equivalente alla fusione di due neutrini di Dirac.
Ad ogni buon conto, almeno per Louis, l'espressione "sulle spalle dei giganti" aveva, in qualche modo, una realtà tangibile, visto che nel suo caso fu il fratello Maurice quel "gigante" che gli permise di diventare, a sua volta, un gigante della fisica teorica del XX secolo.