Heike Kamerlingh Onnes

Il padre Harm, era proprietario di una fabbrica di laterizi e la madre Anna Coers era figlia di un architetto di Arnhem. Frequentò nella città natale una scuola secondaria senza lo studio delle lettere classiche, che non permetteva allora l’accesso all’università, perciò prese lezioni private di latino e greco. Nel 1870 entrò all’Università di Groningen dove si diplomò e nel 1871 si trasferì ad Heidelberg dove studiò con Kirchhoff e Bunsen.

Dimostrò subito grandi abilità nel risolvere problemi, nel 1871 vinse la medaglia d’oro ad un concorso dell’Università di Utrecht e l’anno dopo la medaglia d’argento all’Università di Groningen, mentre ad Heidelberg vinse il ‘Seminarpreis’ che gli diede il diritto di diventare uno dei due assistenti di Kirchhoff.

Ritornato a Groningen ottenne il Dottorato nel 1879 con la tesi “Nuove prove della rotazione della Terra”, dove sono sviluppati, per la prima volta, i calcoli relativi alla spiegazione dell’esperimento del pendolo di Focault.

Nel 1881 pubblicò un lavoro, “Teoria generale dei liquidi”, dove sviluppa una teoria cinetica dei liquidi, affrontando la legge degli stati corrispondenti di van der Waals dal punto di vista della meccanica. Con questo iniziò ad occuparsi delle proprietà della materia a basse temperature, che diventò il suo campo di lavoro per il resto della vita.

Nel 1878, intanto, era diventato assistente al Politecnico di Delft, dove lavorò col prof. Bosscha, che sostituiva spesso nelle lezioni, e nel 1882 fu nominato Professore di Fisica Sperimentale e Meteorologia all’Università di Leida, posto che tenne per 42 anni.

Nella sua lezione inaugurale, “L’importanza della ricerca quantitativa in fisica”, espose il suo motto “Doormeten tot weten” (la conoscenza attraverso la misura).

A Leida riorganizzò i laboratori di fisica (ora Laboratorio Kamerlingh Onnes) con programmi di ricerca ispirati dalle teorie di due grandi compatrioti, J. D. van der Waals e H. A. Lorentz, suo quasi contemporaneo e collega, professore di fisica teorica, a Leida.

In particolare fondò un laboratorio criogenico per verificare le leggi di van der Waals in un ampio intervallo di temperature. I suoi sforzi per raggiungere basse temperature culminarono con la liquefazione dell’elio, raggiunta nel 1908.

Con 0,9 K raggiunse la temperatura allora più vicina allo zero assoluto, facendo affermare che Leida era il luogo più freddo al mondo!

Nel suo laboratorio, presto assurto a fama internazionale e visitato da tanti ospiti, si facevano anche ricerche su fenomeni ottici, elettrici e magnetici, come la rotazione del piano di polarizzazione dovuta a campi magnetici, l’effetto Hall, le costanti dielettriche e specialmente la resistività dei metalli.

In questo campo una scoperta fondamentale fu quella della superconduttività, osservata nel 1911. Comunicò il 28 aprile all’Accademia Reale delle Scienze che un campione di mercurio e uno d’oro purissimo, alla temperatura dell’elio liquido (4,2 K), non presentavano una resistenza misurabile.

Si rese poi conto che la resistività non calava gradualmente, ma di colpo si annullava, e dopo aver chiamato inizialmente il fenomeno supraconduttività, nel 1913 coniò il termine superconduttività, anche se impiegò molto tempo a rendersi conto che non si trattava di un caso limite della conduzione, ma di un fenomeno interamente nuovo.

Per capire se la resistenza si annullasse veramente, si chiese quanto potesse durare una corrente superconduttrice e realizzò una corrente persistente per alcune ore, stimando una resistenza, se pure c’era, 1011 volte più piccola che a temperatura ambiente. Più tardi furono realizzate correnti persistenti per alcuni anni.

Nel 1913, per "his investigations on the properties of matter at low temperatures which led, inter alia, to the production of liquid helium" gli fu assegnato il Premio Nobel.

Tentò anche la realizzazione di bobine superconduttrici per raggiungere elevati campi magnetici mediante intense correnti, ma la superconduttività cessava a valori anche non alti del campo magnetico. Il problema fu superato, quando ci si rese conto che dipendeva dal materiale usato, solo nel 1963, ed ora bobine superconduttrici si usano comunemente, ad es. nei nuovi acceleratori.

La comprensione teorica della superconduttività richiese un lungo cammino, a partire dai lavori di Meissner e London fino alla teoria BCS (Bardeen, Cooper e Schrieffer) del 1956 e alla superconduttività alle alte temperature (Müller e Bednorz) del 1986.

Nel 1911 Kamerlingh Onnes aveva anche notato che la densità dell’elio liquido raggiungeva un massimo a 2,2 K per poi diminuire ancora e ne aveva fatto cenno nella conferenza del Nobel per poi accantonare il problema fino al 1924 quando, con J. D. Boks, confermò questi risultati.

Come è noto, un fenomeno simile si ha per l’acqua che ha un massimo di densità a 4 °C, ma mentre in quel caso si spiega con la struttura peculiare della molecola dell’acqua, la simmetria dell’atomo di elio non giustifica tale comportamento.

Decise quindi di investigare, insieme all’americano Leo Dana allora ospite a Leida, le proprietà del calore specifico dell’elio liquido trovando valori altissimi in corrispondenza del massimo di densità. Ritenendo questi strani risultati un effetto di difetti strumentali abbandonò le ricerche, che furono riprese sei anni dopo dall’allievo e suo successore alla direzione dei laboratori, Willem H. Keesom, che dimostrò che si aveva una vera transizione di fase tra due fasi liquide dell’elio, da lui chiamate He I e He II.

Queste ricerche aprirono la strada verso la scoperta e lo studio della superfluidità (Kapica, Landau ecc.).

Nel 1914 Kamerlingh Onnes collaborò per un breve periodo col fisico teorico Paul Ehrenfest ad un articolo sulla formula di Planck per la radiazione del corpo nero, del 1900, in particolare discutendo sul ruolo essenziale, in quel risultato, dell’assunzione dell’indistinguibilità degli elementi di energia.

Tale lavoro costituisce la prima esposizione della statistica quantistica e precorre di molto il fondamentale lavoro di Bose, del 1924, che molto probabilmente lo ignorava, così come Einstein nel 1925.

Ottenne numerose onorificenze in patria e all’estero, oltre alle medaglie Rumford, Franklin e Matteucci, e fu tra i fondatori dell’Institut International du Froid. Fu membro dell’Accademia Reale Olandese delle Scienze a 30 anni, oltre che delle Accademie di Torino, Vienna, Stoccolma, Parigi, dell’Accademia dei Lincei e della Royal Society e membro onorario della Royal Institution di Londra e del Franklin Institute di Filadelfia.

A parte il lavoro scientifico, che considerava il suo hobby, si dedicava alla famiglia e all’aiuto ai bisognosi; in particolare si distinse nel soccorso ai bambini sofferenti la fame nel periodo della Prima Guerra mondiale. La moglie Maria Adriana Bijleveld, sposata nel 1887, gli fu di grande aiuto nelle attività umanitarie e la loro casa divenne nota per l’ospitalità e l’accoglienza.

Di salute da sempre molto delicata, morì dopo una breve malatttia.

Le strumentazioni dei suoi esperimenti fondamentali sono state raccolte al Museo Boerhave di Leida, mentre il suo laboratorio criogenico è stato, da subito, intitolato al suo nome.