Aspetti della formazione scientifica del giovane Fermi:
il ruolo di Filippo Eredia e dell’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica

Giovanni Battimelli (Dipartimento di Fisica, Università “La Sapienza”, Roma)

In questo anno 2001 si sono tenute numerose iniziative volte a ricordare la figura e l’opera di Enrico Fermi, a causa della ricorrenza del centesimo anniversario della sua nascita. Può peraltro apparire strano che se ne parli in questa circostanza; certamente la celebrità di Fermi non è legata a suoi particolari contributi all’ecologia agraria, né si può dire che, tra le istituzioni scientifiche con cui il grande fisico ebbe modo di interagire nel corso della sua carriera, l’Ufficio di via del Caravita abbia svolto un ruolo particolarmente significativo. Esiste tuttavia una ragione per cui parlare qui di Fermi non è del tutto fuori luogo: per quanto si tratti di una connessione relativamente labile, legata ad alcuni episodi giovanili dall’apparenza tutto sommato marginale, uno sguardo più attento a questa vicenda permette di gettare ulteriore luce su una fase importante della formazione scientifica e culturale del giovane Fermi, attraverso cui si possono comprendere meglio le radici di alcune caratteristiche del suo rapporto con la fisica e delle sue peculiari qualità di ricercatore.

 

E’ un tratto distintivo di Fermi, sempre ricordato e giustamente enfatizzato nelle varie biografie, quello di essere stato, in fisica e più in generale in campo scientifico, sostanzialmente un autodidatta. In un’Italia in cui le nuove teorie prodotte oltralpe sulla struttura della materia alla scala microscopica stentavano a penetrare ed erano praticamente sconosciute, Fermi si costruì da solo una solida competenza in matematica e fisica studiando autonomamente queste materie. E’ noto che un ruolo importante, nell’indirizzarlo verso questi studi e nel suggerirgli i testi da approfondire, fu svolto dall’ingegnere Adolfo Amidei, un amico di famiglia che aveva evidentemente saputo riconoscere ed apprezzare le eccezionali qualità del ragazzo. Un ruolo analogo fu certamente quello giocato dal suo insegnante di fisica durante gli anni trascorsi al liceo Umberto (ora Pilo Albertelli); proprio negli anni in cui Enrico Fermi (e con lui l’amico, e futuro collega Enrico Persico) transitò come studente per il liceo, vi insegnò fisica il direttore della sezione presagi dell’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica, Filippo Eredia. Le tracce dell’influenza esercitata da Eredia sulla formazione di Fermi sono documentate grazie alla fortunata circostanza che Enrico Persico conservò sia la corrispondenza scambiata con il compagno di studi durante quegli anni che gli appunti delle esercitazioni di laboratorio che essi svolsero (probabilmente su iniziativa autonoma, ma certamente sostenuti dalle indicazioni e dai consigli del loro insegnante) in quello stesso periodo, verso il termine dei loro studi liceali. Parte della corrispondenza scambiata tra i due giovani è pubblicata in appendice alla biografia di Fermi scritta da Emilio Segrè[1]. Egli ricorda come i due si dedicassero, negli ultimi anni di liceo, a misure di precisione di cose come l’accelerazione di gravità a Roma, la densità dell’acqua marcia, il campo magnetico terrestre. In particolare, intorno all’estate del 1917 i due amici costruirono un barometro ad acqua e se ne servirono per  effettuare misure dopo avere determinato le procedure per la calibrazione dello strumento e calcolato con accuratezza i termini correttivi da apportare alle letture.

 

Il barometro era simile a un normale barometro di Torricelli, ma faceva uso di acqua anziché di mercurio; la parte superiore del cannello (in genere vuoto) era sostituita da un recipiente contenente dell’aria satura di vapor d’acqua. Questo strumento poteva perciò essere usato solo se si misuravano con accuratezza sia l’altezza della colonna d’acqua, che la temperatura; la calibrazione non era affatto semplice. I due ragazzi avevano calcolato una formula che permetteva di ottenere la pressione in funzione della temperatura e dell’altezza della colonna d’acqua.[2] 

 

Una menzione diretta di questa attività (e del ruolo attivo di consulente scientifico svolto da Eredia) si trova nel seguente passo di una lettera inviata da Fermi a Persico verso il termine delle vacanze estive:

 

Io vado tutte le mattine alla Vittorio Emanuele. Qualche giorno fa sono stato dal prof. Eredia per fare graduare il barometro ma non l’ho ancora graduato perché, dietro consiglio del professore, farò sette o otto letture che poi confronterò con le pressioni che si sono avute, in modo da ottenere una media più esatta.[3]

 

Nelle carte di Enrico Persico sono ancora conservati alcuni fogli di appunti e alcune tabelle di dati relativi a quelle osservazioni. Anche dalle poche tracce documentarie che ne sono rimaste, quello che sorprende in questa attività dei due giovani non è tanto il fatto che si dilettassero in ricerche non strettamente richieste dal curriculum scolastico, quanto il livello relativamente sofisticato dell’attrezzatura sperimentale da essi realizzata e delle esperienze svolte con essa; i due futuri professori di fisica teorica stavano acquisendo una confidenza con la manualità sperimentale e con la pratica di laboratorio che, in particolare nel caso di Fermi, avrebbero poi costituito un tratto distintivo della loro personalità scientifica matura. Certamente, il fatto che queste tabelle di dati e foglietti di appunti, piuttosto insignificanti come valore scientifico intrinseco, siano stati gelosamente conservati da Persico fino alla morte è un buon indicatore dell’importanza che soggettivamente i due ragazzi attribuivano a quelle esperienze nel proprio percorso formativo di fisici in erba.

 

Nell’estate del 1918, terminati gli studi liceali, Fermi studiò intensamente per prepararsi agli esami di ammissione alla Scuola Normale Superiore di Pisa. Un passaggio fondamentale nella sua preparazione fu lo studio del trattato di fisica di O. D. Chwolson, professore dell’Università Imperiale di San Pietroburgo, nell’edizione francese pubblicata, in nove volumi, tra il 1906 e il 1914. E’ verosimile che a Roma esistessero solamente due copie dell’opera; la prima, nella biblioteca dell’Istituto di Fisica di via Panisperna diretto da Pietro Blaserna, era inaccessibile al giovane liceale, ma una seconda copia si trovava (e si trova tuttora) nella biblioteca dell’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica, e fu messa a disposizione di Fermi dal suo insegnante Eredia (non è da escludere, anzi appare altamente probabile, che sia stato lo stesso Eredia, una volta saputo dell’intenzione di Fermi di concorrere all’esame per la Normale, a suggerirgli di prepararsi sul testo dello Chwolson). Fermi trascorse buona parte dell’estate nella sede dell’Ufficio in via del Caravita immerso nella lettura dell’imponente trattato. Verso la metà di agosto scriveva in merito all’amico Enrico Persico:

 

La lettura dello Chwolson procede rapidamente e prevedo che fra tre o quattro giorni sarà finita; è uno studio che sono molto contento di aver fatto perché ha approfondito molto le cognizioni di fisica che già avevo e mi ha insegnato molte cose di cui non avevo nemmeno un’idea. Con queste basi credo che potrò concorrere a Pisa con una certa probabilità di riuscita[4]

 

E’ un eccellente indicatore delle qualità del tutto particolari del giovane Fermi il fatto che sia riuscito nel giro di un mese o poco più ad assimilare a fondo un trattato di quelle dimensioni (e che non si sia trattato semplicemente di una lettura superficiale è ampiamente provato dal livello di competenza nei più vari settori della fisica dimostrato da Fermi già nei mesi immediatamente successivi, a cominciare dal celebre saggio sui caratteri distintivi del suono prodotto per l’ammissione alla Normale). A parte la stazza considerevole, una caratteristica del trattato dello Chwolson è l’accoppiamento di completezza e modernità; sono discussi esaurientemente, con un attento equilibrio tra gli aspetti matematici e formali e la presentazione della fenomenologia rilevante, tutti i vari capitoli canonici della fisica classica, ma a questo si accompagna (e la cosa non è usuale per un trattato di quell’epoca) una singolare attenzione agli sviluppi più recenti, sia sul piano teorico che sperimentale. Le “molte cose di cui non avevo nemmeno un’idea” sono con grande probabilità le basi della teoria della relatività e delle recenti concezioni sulla struttura della materia che Fermi apprese dalla lettura dello Chwolson, che segna quindi una tappa fondamentale della sua formazione scientifica. E va ascritto a credito di Filippo Eredia l’aver intuito le potenzialità del suo giovane allievo, e averlo indirizzato allo studio di un trattato così avanzato e così particolare. Del ruolo svolto dallo studio dello Chwolson nel formare alcuni tratti distintivi del modo di fare fisica del Fermi maturo ha scritto Carlo Bernardini:

 

Credo con gran convinzione che questo vecchio e sapiente librone di Chwolson racchiuda il segreto della formazione del Fermi “fenomenologo”, che abbiamo imparato a conoscere attraverso le sue ricerche e il suo peculiare modo di intuire le spiegazioni dei problemi: né assiomatico né totalmente empirico, ma molto plausibilmente fondato su rappresentazioni mentali assai potenti dei fenomeni… Nel vecchio Traité russo nulla è pregiudizialmente accantonato, di ciò che può aiutare a capire: né le descrizioni accurate degli apparati né le sottigliezze della matematica avanzata dell’epoca e nemmeno certe proposizioni suggestivamente sagge, da epistemologo divulgatore… Ed è proprio questa profonda commistione di ogni argomento “buono per capire”  che mi sembra determinante nella formazione di Fermi come fenomenologo autodidatta.[5]

 

Le misure termo-barometriche effettuate da Fermi e Persico in una casa Persico nel mese di settembre 1917 (Archivio Istituto di Fisica, Università La Sapienza, Roma)

 

Fermi sostenne le prove del concorso di ammissione alla Scuola Normale Superiore di Pisa presso l’università di Roma, tra il 12 e il 15 novembre del 1918. E’ stato questo, almeno per quanto è dato accertare dalla documentazione disponibile, il suo ultimo incontro con Filippo Eredia, che era uno dei tre membri della commissione giudicatrice, presieduta da Giulio Pittarelli, professore a Roma di Geometria descrittiva. Dai verbali dei lavori della commissione apprendiamo che la parte di fisica dell’interrogazione di Fermi fu svolta essenzialmente dal suo professore di liceo; certamente la memoria delle esperienze fatte col barometro poco più di un anno prima suggerì ad Eredia una parte delle domande, e contribuì al brillante successo del candidato:

 

Il prof. Eredia interroga il candidato sui seguenti argomenti: formula caratteristica dei gas, formula delle lenti, formule del prisma, correnti alternate – trasformatori, riduzione della pressione barometrica a 0° e al mare, teoria della pila.[6]

 

Si comprende quindi come due almeno delle caratteristiche che unanimemente verranno riconosciute dai colleghi e dai biografi al Fermi maturo prendano forma proprio nel corso di queste vicende giovanili direttamente collegate all’influenza del professor Filippo Eredia e, per suo tramite, dell’Ufficio Centrale di Meteorologia e Geodinamica: la peculiare convivenza, in Fermi, di eccelse capacità di teorico con spiccate attitudini sperimentali (al punto che egli viene sovente indicato come l’ultimo esemplare di fisico ancora in grado di eccellere contemporaneamente nei due campi), e la padronanza completa di tutti i settori della fisica, dalle regioni più avanzate della ricerca di frontiera ai più tradizionali capitoli della fisica classica (e può essere interessante notare, per quest’ultimo aspetto, che, oltre al corso di Fisica Teorica di cui era titolare, Fermi ebbe per quattro anni a via Panisperna,  a partire dall’anno accademico 1928-29, l’incarico dell’insegnamento di Fisica Terrestre).

 

Un ulteriore legame, sia pure molto indiretto, tra Fermi e l’UCEA può essere rintracciato attraverso l’influenza scientifica da lui verosimilmente esercitata, come professore all’Istituto di via Panisperna, sulla formazione di giovani studiosi che in seguito svilupparono la loro carriera scientifica nei settori di competenza dell’Ufficio, e vi svolsero parte della propria attività. In un caso significativo, questo legame è documentato: tra gli studenti che seguirono il corso di Fisica Teorica di Fermi intorno alla metà degli anni Trenta c’era Ezio Rosini, che, laureatosi in Matematica e Fisica nel 1937, diede un importante contributo allo sviluppo della climatologia italiana operando inizialmente presso il Servizio Meteorologico dell’Aeronautica Militare, e a cui si deve un successivo impulso agli studi e alle attività di agrometeorologia, in particolare negli anni in cui ricoprì la carica di direttore dell’UCEA, tra il 1970 e il 1979.[7] Tuttavia, a parte queste influenze indirette, dopo l’incontro con Eredia in occasione dell’esame di ammissione alla Normale di Pisa non ci sono più tracce di un rapporto successivo di Fermi con l’ambiente scientifico che gravitava intorno a via del Caravita. Chi invece ebbe ancora contatti con Filippo Eredia fu il suo compagno di studi liceali Enrico Persico, che, mentre Fermi faceva i suoi studi universitari a Pisa, seguì il corso di laurea in fisica all’università di Roma. Qui Eredia – che a Roma aveva ottenuto la libera docenza nel 1912 - tenne corsi liberi di Meteorologia negli anni accademici dal 1913-14 al 1916-17 e poi nel 1920-21 e 1921-22. Persico frequentò uno di questi ultimi due corsi tenuti dal suo ex professore di liceo, e prese accurati appunti che sono ancora custoditi tra le sue carte personali. In quegli anni, Eredia – che si occupava, ricordiamo, di climatologia e in particolare delle questioni legate alle previsioni atmosferiche - stava studiando le idee della meteorologia dinamica sviluppate dalla scuola norvegese, che poi avrebbe contribuito a diffondere negli ambienti scientifici italiani. Dello stato dell’arte nel campo delle previsioni del tempo troviamo indicazione negli appunti presi da Persico durante le lezioni di Eredia:

 

Allo stato attuale della scienza si può indicare, due o tre giorni prima, la direzione e la forza del vento in un luogo, con buona approssimazione e quasi assoluta certezza, e con una certa probabilità si può prevedere lo stato del cielo e le precipitazioni. Presagi a lunga scadenza non sembrano, per ora, possibili.[8]

 

Gli sviluppi successivi della meteorologia come scienza di previsione costituiscono un’affascinante storia, nella quale né Fermi né Persico prenderanno parte. Un ruolo decisivo sarà svolto, in questa vicenda, dalla possibilità, offerta dalle macchine calcolatrici a partire dalla fine della seconda guerra mondiale, di effettuare in tempi rapidi calcoli altrimenti proibitivi e di simulare il comportamento e l’evoluzione di modelli matematici della dinamica dell’atmosfera. Può essere allora interessante ricordare, come nota di chiusura di queste osservazioni sul rapporto di Fermi con il mondo della meteorologia, che un contributo determinante all’utilizzo del calcolatore come strumento di simulazione è stato dato proprio da Fermi in uno dei suoi ultimi lavori, svolto in collaborazione con i matematici J. Pasta e S. Ulam nel corso degli anni 1952-53, e pubblicato come rapporto interno dei laboratori di Los Alamos solo nel maggio 1955 (dopo la scomparsa di Fermi).[9] L’importanza di questo lavoro è stata  lungamente trascurata, fino ad essere rivalutata pienamente in tempi più recenti grazie alla rinascita dell’interesse per il comportamento dei sistemi non lineari e all’utilizzo della simulazione al computer come strumento chiave per lo studio e la comprensione di questi processi. Un ruolo determinante per questa rinascita è stato svolto dal lavoro di un meteorologo, Edward Lorenz, che nel 1961 ha “lanciato” l’idea del caos deterministico; si può essere allora tentati di vedere nell’ultimo lavoro di Fermi (che peraltro si occupa del comportamento su tempi lunghi di catene di oscillatori non lineari, riprendendo con i nuovi mezzi offerti dai calcolatori un antico interesse per alcune questioni di meccanica statistica, e che quindi nulla ha a che fare direttamente con la meteorologia) la possibilità di istituire un collegamento, seppure indiretto, con gli sviluppi successivi , e, operando una piccola forzatura, leggervi un lascito e un  contributo involontario all’ambiente che aveva fatto da brodo di coltura della  sua prima formazione scientifica.



[1] E. Segrè, Enrico Fermi, fisico, Zanichelli, Bologna 1971; la seconda edizione, del 1986, contiene in appendice numerosi documenti inediti non riprodotti nella prima.

[2] E. Segrè, op. cit. p. 247.

[3] E. Fermi a E. Persico, 7 settembre 1917; la lettera è in E. Segrè, op. cit., p. 191.

[4] E. Fermi a E. Persico, 18 agosto 1918; la lettera è in E. Segrè, op. cit., p. 191.

[5] C. Bernardini, “Fisico matematico o sperimentale?”, Lettera Matematica Pristem 39-40 (Marzo-Giugno 2001), pp.69-71.

[6] Parte dei verbali della commissione è riprodotta nella Appendice documentaria, curata da Roberto Vergara Caffarelli,, del volume, a cura di S. D’Agostino e A. Rossi, Enrico Fermi e l’Enciclopedia Italiana, Istituto della Enciclopedia Italiana, Roma 2001. Il passo citato è a p. 167.

[7] Devo le informazioni su Rosini alla cortesia della Dr.ssa Maria Carmen Beltrano dell’UCEA e del direttore dell’Ufficio, Dr. Domenico Vento, che ringrazio per la segnalazione.

[8] E. Persico, Appunti di Meteorologia dalle lezioni del prof. F. Eredia, 1921(?), Archivio Persico, Dipartimento di Fisica, Università “La Sapienza”, Roma.

[9] E. Fermi, J. Pasta, S. Ulam, “Studies of non Linear Problems”, Los Alamos Sci. Lab. Rep. LA-1940 (1955), ripubblicato in  E. Fermi, Note e Memorie (Collected Papers), vol. II, Accademia Nazionale dei Lincei e University of Chicago Press, 1965.