Biografia di Wilhelm Wien

Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien, noto ai suoi amici e colleghi semplicemente come 'Willy', è stato un eminente fisico tedesco il cui lavoro pionieristico ha svolto un ruolo cruciale nel passaggio dalla fisica classica a quella quantistica. La sua ricerca si colloca in un'epoca di profonda incertezza scientifica, caratterizzata dall'incapacità della fisica classica di spiegare appieno il fenomeno della radiazione del corpo nero. I modelli teorici esistenti prevedevano, in modo del tutto irrealistico, che un corpo nero dovesse emettere una quantità infinita di energia a lunghezze d'onda corte, un'anomalia che divenne nota come la "catastrofe ultravioletta".   

La ricerca di Wien non fu un semplice esercizio accademico, ma una risposta diretta a questa profonda crisi. I suoi sforzi teorici, combinati con un'eccezionale ingegnosità sperimentale, fornirono una delle prime descrizioni matematiche e fisiche del fenomeno. Egli contribuì in modo fondamentale alla teoria della radiazione termica con la sua Legge dello Spostamento (1893) e la successiva Legge di Distribuzione (1896). Sebbene la sua formulazione non fosse completa, fornì le fondamenta empiriche e teoriche che permisero a Max Planck di compiere il decisivo salto concettuale verso la teoria dei quanti, offrendo una soluzione che superava i limiti del modello di Wien.   

Al di là del suo lavoro sulla radiazione, Wien diede contributi duraturi e di grande importanza in altre aree della fisica. I suoi studi pionieristici sui raggi canale, in particolare la misurazione del loro rapporto massa/carica, gettarono le basi per lo sviluppo della spettrometria di massa. Pertanto, l'analisi del suo percorso scientifico e della sua carriera rivela un fisico di transizione, la cui opera ha agito da catalizzatore, definendo con precisione un problema che la fisica del diciannovesimo secolo non poteva risolvere e spingendo la comunità scientifica verso nuove e rivoluzionarie concezioni.

Wilhelm Wien nacque il 13 gennaio 1864 a Gaffken, in Prussia orientale, oggi Primorsk, in Russia, da una famiglia di proprietari terrieri di nobili origini. Trascorse gran parte della sua infanzia in una fattoria a Drachenstein, nel distretto di Rastenburg, un ambiente che ha plasmato il suo carattere, descritto come introverso. Il suo stretto legame con la madre, Caroline Gertz, appassionata di storia e letteratura, alimentò i suoi primi interessi intellettuali.

Il suo percorso formativo fu tutt'altro che lineare. Nonostante le origini agiate, i suoi risultati scolastici furono inizialmente insoddisfacenti, tanto da costringerlo a lasciare il liceo nel 1879 a causa dei voti bassi. Dopo aver ricevuto lezioni private, riuscì a tornare al liceo di Königsberg, dove si diplomò con successo. Nel 1882 si iscrisse all'Università di Göttingen per studiare matematica e scienze naturali, ma la sua esperienza fu di breve durata. Trovandosi annoiato dai corsi e a disagio con la vita studentesca, abbandonò dopo un solo semestre, con l'intenzione di diventare un agricoltore.

La sua carriera scientifica prese una svolta decisiva nel 1883, quando si trasferì all'Università di Berlino. Qui, il suo incontro con Hermann von Helmholtz fu fondamentale. Fu sotto la guida di Helmholtz che Wien entrò in contatto con la fisica per la prima volta. Conseguì il dottorato nel 1886 con una tesi sulla diffrazione della luce da metalli, dimostrando la sua innata propensione per la ricerca.

Nel 1890, un evento personale e traumatico segnò il suo destino professionale: a causa di una grave siccità, i suoi genitori furono costretti a vendere la fattoria di famiglia. Questa circostanza lo spinse a tornare a Berlino, dove divenne assistente di Helmholtz presso il prestigioso Physikalisch-Technische Reichsanstalt (PTR). Questo ambiente, che univa ricerca teorica e sperimentale, si rivelò l'ambiente perfetto per le sue capacità, trasformando un fallimento personale in un'opportunità di carriera. La sua indipendenza di spirito, che lo aveva reso un cattivo studente e un agricoltore insicuro, divenne un punto di forza nel suo approccio alla ricerca scientifica, consentendogli di scegliere autonomamente i problemi da studiare. Nel 1892, ottenne la sua abilitazione all'Università di Berlino con un lavoro sulla localizzazione dell'energia. 

Il 1909 vede la pubblicazione di Uber Elektronen sulla natura e proprietà degli elettroni. 

La carriera accademica di Wien è stata un susseguirsi di prestigiosi incarichi. A partire dal 1896, ricoprì cattedre di fisica in diverse rinomate università tedesche: Aquisgrana (1896-1899), Gießen (1899-1900), Würzburg (1900-1920, a destra la nomina a professore di Fisica con stupendio annuo di 6000 marchi - Fonte Uniarchiv Würzburg) e Monaco (1920-1928). Un dettaglio notevole è che a Würzburg e a Monaco, Wien successe a Wilhelm Conrad Röntgen, il vincitore del primo Premio Nobel per la Fisica nel 1901. La sua posizione di primo piano nella comunità scientifica è ulteriormente confermata dal fatto che rifiutò le cattedre offerte a Lipsia (per succedere a Ludwig Boltzmann nel 1902) e a Berlino (per succedere a Paul Drude nel 1906). 

Nel 1911, Wilhelm Wien fu insignito del Premio Nobel per la Fisica "per le sue scoperte riguardo le leggi che governano la radiazione del calore". Nel suo discorso di presentazione, il presidente dell'Accademia Reale Svedese delle Scienze, E.W. Dahlgren, riconobbe l'importanza cruciale della legge dello spostamento di Wien e il suo ruolo nel far progredire "uno dei più difficili e spettacolari problemi della fisica". Nonostante il premio fosse stato assegnato a Wien in solitudine, all'epoca molti ritenevano che il riconoscimento dovesse essere condiviso con Max Planck, data la stretta interconnessione dei loro lavori. La decisione di premiare Wien prima di Planck riflette una certa cautela istituzionale nei confronti delle nuove teorie. Il premio fu assegnato a Wien per aver portato a compimento un problema all'interno del quadro della fisica classica, prima di premiare Planck, la cui soluzione implicava una rottura radicale del paradigma.

Wien con i colleghi dell'Institute of Physics all'Università di Wurzburg. Crediti Uniarchiv Wurzburg

Wien ricoprì anche ruoli amministrativi, servendo come presidente dell'Università di Würzburg (1913-1914) e di Monaco (1925-1926). La sua influenza si estese anche alla successiva generazione di fisici. Un aneddoto rivelatore del suo rigore è il suo ruolo come esaminatore del dottorato di Werner Heisenberg a Monaco nel 1923. Wien diede a Heisenberg un voto basso, spingendo il giovane fisico a lasciare Monaco per Göttingen, dove avrebbe lavorato con Max Born. Questa interazione, seppur difficile, fu cruciale per lo sviluppo della meccanica quantistica.

Wien morì a Monaco il 30 agosto 1928, lasciando un'eredità scientifica duratura. Il suo lavoro sulla radiazione ha fornito un punto di partenza per la rivoluzione quantistica, mentre i suoi studi sui raggi canale hanno dato il via alla spettrometria di massa, una tecnica fondamentale nella fisica e nella chimica moderne. Il suo approccio, che combinava rigore teorico e ingegnosità sperimentale, rimane un modello per i fisici contemporanei.

Wilhelm Wien alla conferenza di Solvay del 1911. Wien è in primo piano, con la testa che spunta tra Jean Baptiste Perrin e Marie Curie. Più a destra, in piedi, Albert Einstein.

Il contributo più celebre di Wilhelm Wien riguarda la sua ricerca sulla radiazione del corpo nero, un problema centrale della fisica di fine Ottocento.

L'obiettivo era descrivere la distribuzione di energia di questa radiazione in funzione della temperatura e della lunghezza d'onda, un compito che la fisica classica non era riuscita a risolvere in modo soddisfacente.

Legge dello Spostamento e di Distribuzione

La prima grande scoperta di Wien, pubblicata in un articolo teorico del 1893, fu la sua celebre Legge dello Spostamento. Questa legge stabilisce una relazione di proporzionalità inversa tra la temperatura assoluta (T) di un corpo nero e la lunghezza d'onda (λmax​) alla quale l'emissione di radiazione è massima.

Il significato fisico di questa legge è profondo e intuitivo: spiega perché gli oggetti incandescenti cambiano colore all'aumentare della temperatura, passando dal rosso al giallo, poi al bianco e all'azzurro. Un'applicazione cruciale di questo principio si trova in astrofisica, dove la legge di Wien è utilizzata per stimare la temperatura superficiale di stelle e altri corpi celesti, un metodo ancora oggi fondamentale.

Successivamente, nel 1896, Wien formulò la sua Legge di Distribuzione, un'espressione matematica per lo spettro di emissione del corpo nero, derivata da considerazioni termodinamiche. La sua formula si dimostrò estremamente accurata per le lunghezze d'onda corte e fu confermata dagli esperimenti, rappresentando un significativo progresso. Tuttavia, la teoria falliva nel descrivere il comportamento della radiazione a lunghezze d'onda lunghe (infrarosse), dove i dati sperimentali non combaciavano.

L'interazione con Max Planck fu cruciale in questa fase. La limitazione della legge di Wien fornì a Planck il quadro sperimentale e teorico per un nuovo modello. La storia della radiazione del corpo nero è un esempio perfetto di come la scienza avanzi attraverso la coesistenza di competizione e collaborazione. Il discorso di Planck al Nobel del 1918 riconobbe esplicitamente che il suo lavoro fu costruito sul successo di Wien, ma Wien stesso espresse "seri dubbi" sulla teoria di Planck durante il suo discorso di accettazione del Nobel nel 1911. Questo episodio mostra che la rivoluzione quantistica non fu accettata immediatamente da tutti, nemmeno da coloro che, come Wien, avevano fornito le basi per essa. Il lavoro di Wien, sebbene incompleto, ha agito come un catalizzatore per la nuova fisica, rendendo evidente il fallimento dei modelli classici e spingendo la comunità scientifica verso una soluzione che avrebbe infranto i principi consolidati.

Gli altri contributi

Oltre ai suoi studi sulla radiazione, Wien ha dato contributi significativi e duraturi ad altri rami della fisica, dimostrando la sua versatilità e la sua rara capacità di eccellere sia in ambito teorico che sperimentale. La sua esperienza al Physikalisch-Technische Reichsanstalt gli permise di sviluppare un approccio olistico alla ricerca, una sinergia che è la chiave del suo genio.

Un'area di ricerca cruciale fu il suo lavoro sui raggi canale, scoperti da Eugen Goldstein nel 1886. Wien studiò questi raggi e dimostrò che erano composti da particelle cariche positivamente, descrivendole come il "complemento" dei raggi catodici, che erano già noti per essere carichi negativamente. Misurò la loro deviazione in campi magnetici ed elettrici per determinarne il rapporto massa/carica. Questo lavoro fu fondamentale e gettò le basi per la successiva scoperta degli isotopi da parte di Joseph John Thomson e Francis William Aston, segnando la nascita della spettrometria di massa, una tecnica che ha permesso la misurazione precisa della massa degli atomi e dei loro isotopi. Sebbene una fonte riporti erroneamente che Wien "scoprì il protone", questo è inesatto. Il suo lavoro ha identificato particelle positive con una massa paragonabile a quella dell'atomo di idrogeno, ma la scoperta e la denominazione del protone spettano a Ernest Rutherford nel 1919.

Un altro contributo pratico e di grande impatto fu lo sviluppo del Filtro di Wien, noto anche come selettore di velocità. Si tratta di un dispositivo che utilizza campi elettrici e magnetici perpendicolari per selezionare particelle cariche in base a una velocità specifica. Questo strumento è ancora oggi ampiamente utilizzato in spettroscopia, microscopia elettronica e spettrometria di massa per isolare particelle con una velocità desiderata.

La sua ampiezza di interessi è ulteriormente testimoniata da altre sue opere. Nel 1900, pubblicò il suo Lehrbuch der Hydrodynamik (Manuale di idrodinamica), un testo che copre un'area della fisica apparentemente distante dal suo lavoro sulla radiazione. Nello stesso anno, scrisse un documento teorico sulla possibilità di un fondamento elettromagnetico della meccanica, esplorando idee che erano al centro del dibattito scientifico dell'epoca.