Arnold Sommerfeld

Figlio di Franz Sommerfeld, medico, discendente di una rinomata famiglia di Königsberg, e di Cecile Matthias, più giovane del marito di 20 anni, Arnold Johannes Wilhelm si appassionò fin da bambino alle scienze naturali grazie alla passione del padre di collezionare minerali, conchiglie, insetti, fiori.

Frequentò lo Altstädtisches Gymnasium nel 1875, insieme a Minkowski e Wien, leggermente più anziani, eccellendo in tutte le materie, sia umanistiche che scientifiche.

Indeciso su quale materia scegliere per proseguire negli studi, dopo l’esame finale nel 1886 si iscrisse a matematica all’Università di Königsberg, frequentando tuttavia anche le lezioni di scienze, filosofia ed economia politica.

Il dipartimento di matematica aveva eccellenti insegnanti, tra cui Hilbert, e si convinse che la matematica pura sarebbe stata la sua strada, sebbene anche il dipartimento di fisica teorica, fondato da Franz Neumann, fosse di ottimo livello.

Partecipava attivamente anche alla ‘Burschenschaft’, un’associazione studentesca, con le loro feste e tradizionali duelli alla spada, uno dei quali gli lasciò per sempre una cicatrice alla fronte, per cui nei primi anni fu alquanto distratto dagli studi.

Nel 1891 conseguì il dottorato con una tesi sulle Funzioni arbitrarie in fisica matematica, seguita dal prof. Ferdinand von Lindemann (colui che dimostrò che π è un numero trascendente).

Dopo il dottorato rimase all’università per conseguire l’abilitazione all’insegnamento di matematica e fisica nel Gymnasium, ottenuta nel 1892.

Si arruolò quindi per l’anno di servizio militare obbligatorio, che non subì rassegnato, ma che anzi trovò così interessante da frequentare, per i successivi otto anni, due mesi all’anno di servizio volontario.

Nel 1893 si recò a Göttingen, che sapeva essere il centro degli studi matematici per eccellenza, dove fu conquistato dalle lezioni e da discussioni con Felix Klein e divenne un suo assistente.

Tra le sue mansioni vi era quella di copiare le lezioni di Klein per gli studenti (non esistevano le fotocopiatrici!) così le studiò a fondo e fu attratto dalla applicazione della teoria delle funzioni complesse a svariati problemi di fisica, dalla diffrazione alla propagazione di onde elettromagnetiche in fili, al campo prodotto da un elettrone in movimento che furono i suoi primi lavori.

Nel 1895 conseguì la libera docenza con una dissertazione sulla teoria matematica della diffrazione e iniziò a tenere corsi di matematica.

Con Klein iniziò un progetto di un trattato sui giroscopi, a seguito delle lezioni degli anni 1895-96 sulle trottole, che fu alla fine pubblicato in quattro volumi nel 1909-10, i primi due trattanti la teoria matematica e gli altri due le applicazioni alla geofisica, astronomia e tecnologia.

A Göttingen aveva nel frattempo conosciuto Johanna Höpfner, ma non avendo sufficienti mezzi economici per potere mantenere una famiglia si trasferì a Clausthal, come professore di matematica all’Accademia Mineraria, e con uno stipendio adeguato potersi finalmente sposare. Dal matrimonio nacquero tre figli e una figlia.

Era anche abbastanza vicino a Göttingen per continuare la collaborazione con Klein che gli affidò la redazione del volume V dell’Enciclopedia Matematica (Encyklopädie der mathematischen Wissenschaften) sulla fisica matematica, un’opera che lo occupò per molti anni.

Si trasferì quindi nel 1900 alla Technische Hochschule di Aachen come Professore di meccanica, convinto che anche l’ingegneria dovesse fondarsi su rigorosi metodi matematici, ma fu accolto inizialmente con molta diffidenza.

Nel 1906 divenne professore di Fisica teorica a Monaco, dove gli venne allestito un nuovo istituto, con aule, studi per gli assistenti e laboratori sperimentali.

Qui, sotto la sua diretta supervisione, studiarono e ottennero il dottorato molti futuri famosi scienziati, come Peter Debye (1908), Alfred Landé (1914), Gregor Wentzel (1921), Wolfgang Pauli (1921), Werner Heisenberg (1923), Walter Heitler (1926) e Hans Bethe (1928).

Einstein scrisse che uno dei principali contributi alla scienza di Sommerfeld fu il trovare ed allevare tanti talenti, tra cui ben quattro Premi Nobel.

Si prendeva cura dei più brillanti allievi, spesso attratti alla fisica teorica dalle loro inclinazioni filosofiche, guidandoli all’acquisizione di un metodo rigoroso, di basi matematiche solide e anche di abilità sperimentali. Il suo approccio era informale e spesso comprendeva inviti alla sua baita sulle Alpi bavaresi, per sciare e alla sera discutere dei problemi di fisica matematica.

A Monaco si occupò di perfezionare il modello atomico di Bohr, che non spiegava la struttura fine delle righe spettrali, introducendo la quantizzazione di più gradi di libertà, in particolare del momento angolare (quantizzazione ‘spaziale’) con correzioni relativistiche. In questo modo veniva descritta la struttura fine, legandola ad una costante (costante di struttura fine) di cui Sommerfeld calcolò l’ordine di grandezza (1/137).

Le condizioni di quantizzazione apparivano introdotte ‘ad hoc’ finché Paul Ehrenfest le inquadrò in un principio più generale: il principio adiabatico.

Questa teoria, poi denominata ‘vecchia teoria dei quanti’ formò la base dei successivi sviluppi della meccanica quantistica propriamente detta e la necessità di introdurre ulteriori numeri quantici aprì la strada all’introduzione dello spin dell’elettrone.

Il testo che raccoglieva questa teoria fu pubblicato da Sommerfeld nel 1919, Atombau und Spektrallinien (Struttura Atomica e righe spettrali) e costituì, nelle sua varie edizioni, la bibbia sulla quale si formarono tutti i giovani fisici atomici negli anni venti.

Nel 1918 fu eletto Presidente della Società Tedesca di Fisica, il primo non berlinese.

Dopo la Prima Guerra Mondiale si occupò anche della teoria elettronica dei metalli, elaborando un modello basato su un gas di elettroni liberi, con statistica di Fermi-Dirac, che dava eccellenti spiegazioni di molte proprietà fondamentali dei metalli.

Durante il nazismo si oppose al piano di ristrutturazione accademica voluto da Stark e Lenard, che metteva in secondo piano i meriti scientifici rispetto alla militanza politica, e continuò ad insegnare la relatività einsteiniana invisa al regime.

Scrisse ad Einstein, poco dopo la presa del potere di Hitler, che l’abuso della parola ‘nazionale’ da parte dei nostri governanti mi ha tolto quei sentimenti nazionali che sentivo così profondi tanto da desiderare di vedere la Germania scomparire e fondersi in una Europa pacifica.

Prima e durante la guerra usò le sue conoscenze oltreoceano per trovare una sistemazione ai rifugiati tedeschi, il suo istituto fu colpito dalla perdita di tanti validi scienziati per cui dovette continuare il suo insegnamento sino al 1947, ben oltre l’età del pensionamento.

Iniziò anche la stesura delle sue Lezioni di Fisica Teorica, ma morì mentre stava completando il sesto ed ultimo volume, a causa delle conseguenze di un investimento da parte di un camion mentre passeggiava col nipote (Le lezioni sono state pubblicate in lingua inglese dalla Academic Press nel 1964 in 6 voll., in italiano il volume I, Meccanica, Zanichelli, Bologna, 1984).

Pur meritandolo, al pari di altri ‘padri’ della teoria quantistica, non ebbe il Nobel, anche se ottenne numerose e prestigiose onorificenze, tra cui le medaglie Lorentz, Planck e Oersted. Era membro delle Accademie di Berlino, Monaco, Vienna, Budapest, dell’Accademia Nazionale delle Scienze di Washington, della Royal Society, dell’Accademia dell’URSS e dell’Accademia dei Lincei.