Dietro le quinte Il mio (mancato) apparato di Stern-Gerlach

Quando ho scelto l’argomento di questa tesi, nel 1999, non ero né un fisico sperimentale né un fisico teorico (a dire il vero, non lo sono nemmeno oggi). All’epoca non avevo neanche ancora studiato il celebre Volume III di Feynman.

Ero però armato di una colossale ingenuità: ero genuinamente convinto di poter costruire fisicamente un apparato di Stern-Gerlach nel mio budget, per portare i dati in sede di laurea.

Mi sono scontrato quasi subito con un muro fatto di termodinamica e ingegneria. Creare un raggio di atomi d’argento richiede un forno a 1000 °C. Farli viaggiare in linea retta esige un vuoto spinto difficilissimo da mantenere. Allinearli in un campo magnetico asimmetrico alla cieca è un incubo. Insomma, realizzarlo con i miei mezzi si rivelò impossibile.

Per questo “fallimento” pratico, per 27 anni non ho mai diffuso questa tesi su Internet. Mi sembrava un lavoro incompleto, con il primo esperimento mai eseguito: per me è rimasto un esperimento mentale.

Perché alla fine ho deciso di diffonderla su Internet nel 2026?

Perché, a quasi trent’anni di distanza dalla sua stesura, ho capito che l’impossibilità di replicarlo in garage è esattamente ciò che rende leggendario l’esperimento originale.

Nel 1922, all’Università di Francoforte, Otto Stern e Walther Gerlach lavoravano in condizioni disperate. La Germania era in piena iperinflazione, i soldi per l’elettricità non c’erano e l’apparato si fondeva un giorno sì e l’altro pure. Furono salvati letteralmente in extremis da un assegno in dollari inviato da Henry Goldman — proprio uno dei fondatori della celebre banca d’affari Goldman Sachs — allertato dai fisici Max Born e Albert Einstein.

Ma l’ostacolo più grande era alla fine del tubo. Non esistevano i moderni rilevatori elettronici. Per capire se il campo magnetico avesse diviso il raggio di atomi (dimostrando la meccanica quantistica) o lo avesse solo sparpagliato (come voleva la fisica classica), usarono il metodo più grezzo possibile: misero una banale lastrina di vetro fredda come bersaglio, sperando che l’argento ci si condensasse sopra formando un disegno visibile.

Dopo ore di fatica, estrassero la lastrina. Sembrava completamente vuota. Il deposito di argento c’era, ma era spesso solo pochi atomi, totalmente trasparente a occhio nudo. Convinti di aver fallito, smontarono l’apparato.

Qui entrò in gioco il sigaro. Otto Stern era un accanito fumatore di sigari scadenti, famosi per essere carichi di zolfo. Deluso, prese in mano il vetrino e lo portò vicino al viso per esaminarlo controluce, alitandoci sopra con il sigaro in bocca.

Senza saperlo, stava innescando lo stesso processo chimico che fa annerire l’argenteria vecchia: lo zolfo del fumo reagì istantaneamente con l’argento invisibile sul vetro, trasformandolo in solfuro d’argento, che è nero e opaco.

Sotto lo sguardo incredulo dei due fisici, sulla lastrina apparvero dal nulla due nette linee nere separate. Il raggio si era diviso. La quantizzazione dello spin era stata appena dimostrata grazie all’alito di uno scienziato che fumava male.

Io non avevo i fondi per il vuoto spinto, ma almeno mi sono risparmiato i sigari al sapore di zolfo.

Concettuale, ma non teorico

In questa tesi l’esperimento resta sulla carta — e quello del capitolo successivo, gli apparati di Stern-Gerlach in serie, è ancora più difficile da costruire. Ma attenzione: non sono semplici esperimenti mentali. La loro forza è prima di tutto logica — smontano l’intuizione classica pezzo per pezzo — eppure sono anche fisicamente realizzabili. Non nel mio garage, certo: servono un laboratorio ben attrezzato e un budget di qualche milione. Ma è stato fatto sul serio: attorno al 2019 il gruppo di Ron Folman, alla Ben-Gurion University, ha realizzato su un chip atomico un interferometro di Stern-Gerlach a ciclo completo, separando e poi ricombinando i fasci. Insomma: quello che stai per leggere non è pura astrazione, ma la descrizione di qualcosa che si può davvero toccare — se si hanno i mezzi.

Un’ultima cosa, se ti va di andare a fondo: nella quarta scheda l’equazione di Schrödinger non è calata dall’alto come un postulato, ma ricavata partendo da principi più semplici. È la parte più originale di questo lavoro ed è anche indipendente dal resto: si può leggere da sola, senza aver letto le altre schede. È “un pochino” densa, lo ammetto, ma secondo me vale comunque la lettura: fa capire dei fondamenti che — partendo dalle formulazioni standard della meccanica quantistica, dove l’equazione è semplicemente postulata — restano oscuri. Buona lettura.