Giuliano Preparata è a tutt’oggi un fisico poco conosciuto, benché fin dai suoi primi anni universitari in molti già scommettevano su una sua fiorente carriera scientifica. Nel suo periodo di formazione brucia infatti tutte le tappe: si laurea con un grande fisico teorico italiano, Raoul Gatto, e come racconta nel suo libro “Dai quark ai cristalli” [1] già dopo un mese e mezzo dal loro primo incontro risolve un problema degno di pubblicazione e praticamente finisce la tesi. Anche la sua carriera accademica successiva procede a tappe forzate: dopo la laurea pubblica più di quindici articoli scientifici l’anno e dopo due anni, all’età di venticinque, è chiamato a Princeton come research associate. Si butta con passione nella ricerca in quel campo della fisica che durante gli anni ’60 e ’70 attraversa un periodo d’oro, quello che tratta direttamente i costituenti ultimi della materia: la fisica delle particelle.

Figura 1 – Giuliano Preparata (in primo piano) con Emilio Del Giudice (sullo sfondo). Da membri.miglioriamo.it.

Già a trent’anni è uno scienziato molto stimato nel suo campo, ma gli scontri con molti colleghi fanno ben presto scendere le sue quotazioni nell’ambito della comunità scientifica. Propone teorie alternative a quelle che iniziano a prendere piede nella maggioranza della comunità scientifica e a queste ultime si oppone con forza, con veemenza, con la stessa passione, quasi ossessione come viene spesso ricordato, che guida tutta la sua ricerca scientifica. Nonostante abbia contribuito notevolmente alla costruzione del Modello Standard, la teoria comunemente accettata dalla comunità scientifica per descrivere le particelle e le interazioni fondamentali della natura, ne critica aspramente alcune incongruenze fino a considerarlo un approccio utile tutt’al più a salvare i fenomeni, più che ad avvicinarsi a una comprensione ultima della Natura, a quella che nella sua visione profondamente realista del mondo si può chiamare la verità.

A partire dal Modello Standard i suoi interessi cambiano con gli anni: una volta considerata conclusa la comprensione dei mattoncini della materia, inizia a lavorare per ricostruirla nella sua interezza. Anche in questo campo della fisica, che generalmente viene chiamato della Materia Condensata, apporta notevoli elementi di assoluta originalità, utilizzando gli strumenti acquisiti durante il suo studio delle interazioni e particelle fondamentali per descrivere il comportamento delle molte particelle che compongono la materia che osserviamo.

La fine della sua carriera scientifica è strettamente legata a una vicenda che negli anni ’80 ha avuto un forte impatto sulla ricerca scientifica internazionale: quella della fusione fredda, la promessa/illusione di un futuro dove la produzione di energia è di fatto infinita e a costo quasi nullo. Anche in questa controversa vicenda si butta con grande passione, provocando ancora una volta grandi attriti con molti colleghi a causa del suo carattere difficile e il suo definitivo isolamento dalla comunità scientifica.

Un personaggio “difficile”

Già da una così breve panoramica appare chiaro come non sia certo semplice riuscire a inquadrare oggettivamente quanto di quello che Giuliano Preparata racconta o che viene raccontato su Giuliano Preparata corrisponda al vero. Si va dalle posizioni più nette, quelle di chi lo considera un genio, l’unico depositario di una comprensione profonda della natura, a quelle di chi lo giudica solo un arrogante presuntuoso. Tra i due estremi rimane comunque un personaggio dal carattere difficile, ma con una sincera passione per la fisica, e rimangono molti lavori originali, soprattutto in fisica delle particelle e nella fisica dei laser, che sono unanimamente riconosciuti come importanti.

A dieci anni dalla morte di Giuliano Preparata, avvenuta il 24 Aprile del 2000, vogliamo quindi ricordare questa sua peculiare carriera scientifica attraverso le testimonianze di quanti hanno collaborato o si sono confrontati con lui, proponendo una serie di interviste che offrono uno spaccato completo dei suoi numerosi interessi scientifici. Lo scopo di questo lavoro è quello di fornire un quadro storico-cronologico degli interessi di Preparata, come ausilio necessario alla lettura e all’ascolto delle interviste integrali e degli altri materiali liberamente consultabili on-line . Sono state realizzate anche due videointerviste con Guido Altarelli, incentrata sui primi anni della vita di Giuliano e il suo lavoro in fisica delle particelle, e con Antonella De Ninno, collaboratrice di Preparata negli ultimi anni della sua vita riguardante la vicenda della fusione fredda. Nella pagine che seguono entreremo più in dettaglio nei meandri delle sue scoperte e teorie scientifiche, cercando di mantenere il più possibile un approccio non specialistico accessibile a tutti, anche se alcuni passaggi richiederanno un minimo di approfondimento per essere compresi appieno. In questi casi abbiamo inserito link utili per orientarsi, così da fornire a tutti la possibilità di farsi un’idea del significato generale delle teorie citate.

Il giovane studente

La formazione di Giuliano Preparata (Padova, 1942 – Frascati, 2000) inizia a Roma, dove nel 1960 si iscrive alla facoltà di fisica della Sapienza, stimolato dal fratello Franco, ingegnere, e da un compagno di studi d’eccezione, Nicola Cabibbo. Il lavoro di tesi lo svolge a Firenze con Raoul Gatto, che poco più che trentenne è già considerato un fisico teorico di punta. Per dare un’idea dell’impatto che la scuola di Gatto ha avuto sulla fisica teorica italiana basti ricordare i nomi di alcuni dei suoi allievi, contemporanei di Preparata: Guido Altarelli e Luciano Maiani (oggi direttore del CNR), già compagni di Giuliano alla Sapienza, e Gabriele Veneziano (tra i padri fondatori della teoria delle stringhe).

Il lavoro svolto a Firenze tra il 1965 e il 1967, prevalentemente in collaborazione con Maiani e Gatto, è intensissimo e porta alla pubblicazione di decine di articoli nell’ambito della fisica delle alte energie, quella in cui si studiano le interazioni e le particelle fondamentali. Il contesto storico in cui si sviluppano questi studi è fervido: da una parte vi è una grande mole di dati dai primi grandi esperimenti ad alte energie del CERN in Europa (con il protosincrotone) e del Brookhaven Laboratory negli Stati Uniti (con l’Alternating Gradient Synchrotron mostrato nella Figura 2); dall’altra vi è la necessità di collocare questi risultati in un ambito teorico fondamentale. In quei primi anni ’60 sta emergendo rapidamente un nuovo mondo di particelle e un quadro interpretativo coerente della realtà: il modello a quark di Murray Gell-Mann.

Il periodo americano

Figura 2 – Foto aerea dell’Alternating Gradient Synchrotron (1968). Dal ’60 al ’68 l’AGS è stato l’acceleratore di protoni più potente del mondo. Oggi è usato come iniettore per l’acceleratore di ioni pesanti relativistici di Brookhaven. Da flickr.com.

È del 1967 la partenza di Giuliano per Princeton, la prestigiosa università dove si trova in visita anche lo stesso Gell-Mann. Negli Stati Uniti esistono in questo momento due scuole principali nella fisica delle alte energie: quella della West Coast, di Geoffrey Chew, basata sull’utilizzo del formalismo della matrice S1, a cui tra gli italiani contribuirono in modo importante Tullio Regge e Veneziano, e quella della East Coast, basata sull’utilizzo della teoria quantistica dei campi. Giuliano si schiera fin dall’inizio con quest’ultima, che risulterà poi quella vincente. È di questo periodo la pubblicazione di un importante articolo con Weisberger sulle divergenze ultraviolette nelle correzioni radiative ai decadimenti deboli [3]. Questo risultato viene ricordato da Luciano Maiani in una lettera di opinione al Nuovo Saggiatore del 12 Febbraio 2009, parlando del contestato premio Nobel 2008, quello attribuito ai soli Kobayashi e Maskawa per un risultato a cui anche Nicola Cabibbo aveva contribuito in modo fondamentale: mancava infine il punto importante della non-rinormalizzazione, che nella Teoria di Cabibbo è garantita nel limite di esatta simmetria SU(3) e che, mi piace ricordare, sarebbe stato risolto nel caso generale diversi anni dopo, da G. Preparata e W. Weisberger. È usuale in letteratura parlare di matrice CKM in onore dei tre fisici che la introdussero: Cabibbo, Kobayashi e Maskawa, appunto.

Dopo Princeton, l’esperienza americana di Giuliano prosegue all’università di Harvard, dove ha modo di confrontarsi con il futuro premio Nobel Shaldon Glashow, e poi al fianco di Altarelli alla Rockefeller University diretta da Abraham Pais. Sono anni di intensa attività: pubblica numerosi articoli sul deep inelastic scattering e la fisica adronica. È possibile vedere la video-intervista a Guido Altarelli qui.

L’esperienza al CERN e la critica alla Cromodinamica Quantistica

Nel 1974, a soli trentadue anni, Giuliano Preparata viene invitato dal CERN di Ginevra a far parte della direzione teorica del Centro. È il momento in cui Giuliano inizia ad assumere posizioni apertamente critiche nei confronti dei suoi colleghi, in particolare riguardo le teorie che trovano maggiore consenso nella comunità, come la teoria quantistica delle interazioni forti2, la cromodinamica quantistica (QCD)3 e il modello detto a partoni, appena proposto da Richard Feynman. Giuliano critica con toni spesso aspramente polemici quello che definisce il convenzionalismo dei suoi colleghi, cioè l’adesione quasi acritica a un paradigma, secondo lui basato su ipotesi strumentali, in quanto capace solo di salvare i fenomeni e fornire una teoria meramente predittiva e non esplicativa. Per avere un’idea dei toni polemici e originali di Preparata si può leggere “Un’altra rivoluzione tradita: la fisica dei quanti”.

Memorabile in questo contesto è l’episodio dello scontro di Giuliano con Richard Feynman nell’estate del 1976 durante una conferenza in Alsazia. Per capire il clima di tensione tra i due è sufficiente leggere la poesia di Tomek Ferbelski pubblicata sugli atti ufficiali della conferenza [1]4.

Father Feynman

Figura 3 – Il fisico americano Richard Feynman in una foto di Christopher Sykes. Da caltech.edu.

‘You are old, Father Feynman’, Preparata declared,
‘and your hair has turned visibly grey;
and yet you keep tossing ideas around.
At your age, a disgraceful display!’
‘In my youth’, said the master, as he shook his long locks,
‘I took a great fancy to sketching;
I drew many diagrams, which most thought profound
while others thought just merely fetching.’
‘Yes, I know’, said the youth, interrupting the sage,
‘that you once were so awfully clever;
but now is the time for quark sausage with chrome
do you think you can last on forever?’
‘In your words, my young fellow’, the crone did retort,
as his face turned perceptibly redder;
‘in your words I detect an impatience, I’m sure,
which makes me decidedly madder’.
‘You are old’, quoth the youth,
in his accented speech,
while eyeing the throne of the Master;
‘let me help you relinquish your sceptre next day.
Or would you prefer that much faster?’
‘No, thanks, Giuliano’, the sage did rebuff,
‘enough of your own brand of sass:
Do you think I can listen all day to such stuff?
Be off. Or I’ll kick-in you ass!’
(Tomek Ferbelski, 1976)

È in questo periodo che Preparata inizia a elaborare i suoi modelli alternativi: dapprima la geometrodinamica dei quark (QGD) [4] e poi la cromodinamica anisotropa (ACD). Molti dettagli su quest’attività sono contenuti nella video-intervista a Guido Altarelli qui.

Il periodo barese

Conclusa secondo contratto l’esperienza al CERN, Giuliano viene chiamato a ricoprire la cattedra di fisica teorica dell’università di Bari nel 1976. Pur assolvendo compiti didattici e organizzativi a Bari, continua comunque a lavorare anche in Svizzera, dove collabora nel 1984 con Maurizio Consoli sull’applicazione di metodi variazionali in teoria quantistica dei campi. A proposito di questa collaborazione, Consoli ci racconta che il calcolo fatto con Preparata, i cui risultati essenziali sono pubblicati su Physics Letters, rappresenta di gran lunga il conto più complesso che io abbia mai fatto nella mia vita… e ne ho fatti alcuni realmente difficili!. Questo lavoro fornisce nuovi argomenti critici nei confronti della teoria perturbativa in voga allora: l’idea che la differenza di energia tra vuoto fisico e vuoto perturbativo potesse non scalare con la funzione beta perturbativa gli diede un argomento molto forte per dedurre l’inconsistenza dell’usuale interpretazione con il confinamento, visto come conseguenza dello stato di vuoto vero, ci racconta lo stesso Consoli5. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Figura 4 – Un laser a elettroni liberi (FEL) produce luce laser accelerando elettroni attraverso dei crio-moduli e un wiggler, elemento che li costringe su una traiettoria a zig-zag e li porta a emettere fotoni. Nella foto il FEL installato presso i Jefferson Laboratory, in Virginia, USA. Da jlab.org.

A Bari Giuliano svolge un ruolo da vero e proprio catalizzatore, contribuendo all’apertura della scuola di dottorato in fisica. Uno dei suoi collaboratori, Leonardo Angelini, ci ricorda il ruolo di Preparata nella formazione della scuola teorica di Bari: la sua attività scientifica diventa rapidamente un attrattore irresistibile, in particolare per i più giovani. Essa infatti consentiva alla Fisica Teorica barese di entrare in contatto con le correnti internazionali principali della Fisica delle Particelle. Dei fisici teorici baresi, una decina (quasi tutti) collaborò direttamente con lui. Gli argomenti di ricerca sono sempre concentrati sullo sviluppo della QGD e dell’ACD, un indirizzo di ricerca che non ha poi trovato alcuno sviluppo dopo la morte di Preparata. È lo stesso Angelini che ci spiega le ragioni di questo insuccesso: la ACD non era una risposta del tipo che i fisici preferiscono. Essa infatti dava luogo a grandi difficoltà di calcolo e l’appeal di una teoria fisica sta anche nella capacità di calcolarne le conseguenze in maniera non estremamente complicata. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Giuliano inizia anche a lavorare con il gruppo di bioinformatica e biologia molecolare di Cecilia Saccone, collaborazione che durerà fino alla fine della sua carriera. Uno dei membri del gruppo di Saccone, Graziano Pesole, ce ne racconta l’importanza: l’incontro con il professor Preparata fu particolarmente felice e portò all’ideazione del “modello markoviano reversibile” per lo studio dell’evoluzione molecolare. Questo modello, molto avanzato per i tempi, fu il primo a tenere conto della composizione in basi delle sequenze omologhe in esame (ovvero la “stazionarietà”), senza fare assunzioni “a priori” sulla dinamica evolutiva delle sostituzioni tra le basi, i nucleotidi del DNA. Ci dice inoltre che il modello sviluppato con Giuliano è stato il capostipite dei modelli stocastici per lo studio dell’evoluzione molecolare e ha costituito le basi dei modelli apparsi successivamente. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Sono i segni della vastità di interessi e della versatilità di Preparata che si avvicina ad altre branche della fisica e della biologia5, spaziando dalle applicazioni dei processi markoviani per lo studio dell’evoluzione molecolare alla materia condensata.

Il periodo milanese e la coerenza elettrodinamica

Nel 1985, dopo dieci anni, finisce la permanenza all’università di Bari e Giuliano viene chiamato all’Università Statale di Milano per tenere il corso di Fisica Nucleare delle Alte Energie. È un momento di svolta per i suoi interessi di ricerca: dopo aver lavorato intensamente nel campo della fisica adronica è l’inizio di un nuovo, ambizioso programma di ricerca che comincia alla fine degli anni ’80 e continua ininterrottamente fino alla fine della sua carriera con l’insostituibile collaborazione di Emilio del Giudice: l’applicazione della coerenza elettrodinamica (CQED, Coherent Quantum Electrodynamics)6 ai problemi della fisica della materia condensata [5].

Quelli che Giuliano chiama i {prodigi della coerenza sono fenomeni dei più disparati che, secondo il suo programma, possono trovare un’interpretazione semplice e consistente nell’ambito della CQED. Con i suoi collaboratori pubblica decine di lavori in cui utilizza i risultati della CQED per la spiegazione di fenomeni legati alla superfluidità e alla superconduttività, alle caratteristiche dell’acqua e al laser ad elettroni liberi (FEL, free electron laser, vedi Figura 4).

Inizia in questi anni anche a collaborare con Renzo Alzetta e Giuseppe Liberti dell’Università di Calabria. È lo stesso Renzo Alzetta a raccontarci l’indirizzo di ricerca sviluppato con Preparata: dal 1990 la mia ricerca fu indirizzata allo studio delle dinamiche coerenti in materia condensata e in particolare all’applicazione della teoria del Nucleo Coerente di Giuliano Preparata allo studio dei nuclei atomici con alone, degli ipernuclei e delle collisioni fra ioni pesanti nonrelativistici e relativistici. È possibile leggere l’intervista completa qui.

È invece dalle parole di Liberti che emerge un’immagine del modo di lavorare intenso ed entusiasta di Giuliano: non era facile confrontarsi con lui, ma le ore passate a seguire lo sviluppo dei suoi modelli […] oppure seduti a guardarlo costruire universi di formule alla lavagna, senza risparmiarsi mai, senza risparmiarti nulla, sono le ore migliori che ho speso nella mia breve e insignificante vita di ricercatore. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Gravità e coerenza

Figura 5 – Immagine di ciò che resta della supernova SN1987A nella Grande Nube di Magellano. Da link2universe.

Nel 1988 un suo vecchio compagno della Sapienza, Remo Ruffini, lo invita a partecipare al congresso di La Thuile dove Guido Pizzella annuncia i primi entusiasmanti risultati delle misure svolte a Roma dal gruppo di ricerca sulle onde gravitazionali di Edoardo Amaldi. Il clima è di stupore, sembrano essere le prime evidenze sperimentali delle onde gravitazionali, ma resta un problema teorico: secondo le teorie note la sensibilità delle antenne non è tale da consentire la rivelazione di un segnale come quello misurato dal gruppo di Roma, emesso dall’esplosione della supernova SN 1987A mostrata in Figura 5, una stella grande circa venti volte il sole. Lasciamo alle parole dello stesso Guido Pizzella, storico collaboratore di Edoardo Amaldi, il ricordo di questo importante episodio: ricordo che quando Edoardo Amaldi ed io informammo dei nostri risultati, prima della nostra presentazione, Masatoshi Koshiba, direttore dell’esperimento giapponese Kamiokande (e futuro premio Nobel), egli rimase colpito e un po’ stravolto. Sottolinea infatti che ancora oggi i nostri dati sperimentali non sono accettati da una gran parte della comunità scientifica, perché disturbano quella che è la teoria ufficiale delle supernovae (un’unica, grande esplosione) e per la difficoltà di accettare la teoria di Preparata sulla sezione d’urto. Infatti, anche se in un primo momento Giuliano critica la spiegazione proposta da Joe Weber, membro del gruppo di Pizzella, nel 1990 pubblica un articolo in cui giustifica il risultato del gruppo di Roma sulla scorta della coerenza elettrodinamica [6]. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Gli interessi di Preparata non si esauriscono nella CQED, ma si rivolgono anche ad altri problemi fondamentali: dapprima con She-Sheng Xue e poi con i suoi laureandi di Milano, Stefano Rovelli e Sergio Cacciatori, scrive alcuni articoli sullo stato fondamentale in gravità quantistica. Inizia poi una collaborazione con Remo Ruffini per lo studio dei jet giganti di raggi gamma (gamma ray bursts) [7]. Sergio Cacciatori, uno dei suoi ultimi laureandi, oggi ricercatore in gravità quantistica all’università dell’Insubria, ci fornisce un affresco di Giuliano nella veste di professore alla Statale di Milano del corso di Fisica Subnucleare delle Alte Energie: aveva una notevole capacità di interessare gli studenti, a lezione si poteva parlare con lui di qualunque argomento di fisica. Mostrava una grandissima passione e mentre spiegava talvolta ci presentava uno dei problemi su cui stava lavorando e ci confidava quale idea gli fosse venuta per cercare di risolverlo. […] Penso che faccia bene ai giovani leggere buona parte dei suoi lavori, benché spesso vengano considerati eretici. È possibile leggere l’intervista completa qui.

Figura 6 – Copertina del Time dell’8 Maggio 1989, dedicata al sensazionale annuncio di Fleischmann e Pons.

Dalla metà dagli anni ’80 Preparata si allontana quindi dal campo in cui era specializzato, la fisica adronica, e si interessa a molti problemi diversi, visti sempre attraverso la lente della teoria dei campi. Ma non finisce qui. Nel 1989 viene annuciata la scoperta di un fenomeno rivoluzionario e privo di spiegazione teorica: si tratta della fusione fredda, che non può che catturare l’attenzione di Giuliano così come di tutta la comunità scientifica mondiale.

L’enigma della fusione fredda

È il 24 marzo del 1989. Due elettrochimici americani dell’università dello Utah, Martin Fleischmann e Stanley Pons, annunciano al mondo di essere riusciti a sviluppare un processo di fusione a freddo (cold fusion): sembra cioè possibile ottenere l’energia delle stelle senza condizioni estreme di pressione e temperatura [8], ma semplicemente in provetta. Date anche le conseguenze economiche di una simile scoperta, l’effetto dell’annuncio è esplosivo: molti laboratori cercano di riprodurre il fenomeno, si cerca di capire se si tratta di una bufala giornalistica, se i due stimati chimici americani abbiano imprudentemente affrettato delle conclusioni su osservazioni parziali o se si stia davvero aprendo un nuovo campo di ricerca, la cui fisica è tutt’altro che chiara.

Giuliano cerca subito di capire se è possibile dare una spiegazione teorica del fenomeno ed è convinto che gli strumenti per la comprensione di un processo simile vengano ancora una volta dalla CQED. Già nel 1989, insieme a Emilio Del Giudice e Tullio Bressani, pubblica un articolo in cui avanza alcune ipotesi interpretative nell’ambito dei fenomeni di coerenza [9]8.

Già pochi mesi dopo l’annuncio di Fleischmann e Pons, però, iniziano ad arrivare le smentite dai vari laboratori: il fenomeno non è riproducibile e incontra il netto scetticismo della comunità scientifica. Scetticismo che verrà poi interpretato da molti membri della comunità di ricerca sulla fusione fredda come vero e proprio ostracismo e censura. Dunque, da una parte l’annuncio affrettato e sensazionalistico alimenta una naturale diffidenza della comunità scientifica nei confronti del fenomeno, dall’altra la rapidità con cui viene liquidato l’intero indirizzo di ricerca insospettisce quanti credono necessario proseguire gli studi in un settore che, muovendo i primi passi, ha ancora bisogno di formarsi un minimo bagaglio di conoscenze per giungere a dare una spiegazione dei fenomeni osservati. Da una parte la maggioranza della comunità scientifica che definisce il lavoro di Fleischmann e Pons un abbaglio, dall’altra un gruppo di ricercatori eretici che continua a cercare di studiare il fenomeno nei laboratori.

Giuliano Preparata, di formazione fisico teorico, dapprima lavora per dare una spiegazione del processo con la coerenza elettrodinamica, ma poi non si tira indietro davanti alla sfida di svolgere un lavoro di natura sperimentale sulla fusione fredda. A Milano viene aperto con fondi privati un laboratorio di ricerca dedicato (cfr. Video), dove si mette al lavoro con l’ormai inseparabile collaboratore Del Giudice. Questa attività prosegue ai laboratori di Frascati, dove in collaborazione con Antonella De Ninno e Antonio Frattolillo sviluppa un programma di ricerca sulla fusione fredda approvato dall’allora presidente dell’ENEA Carlo Rubbia, premio Nobel per la fisica. L’accoglienza dei lavori sulla fusione fredda è sempre più glaciale e anche il laboratorio di Frascati è destinato a chiudere come quello di Milano. È possibile vedere la video-intervista ad Antonella De Ninno qui.

Giuliano, da infaticabile difensore del proprio lavoro e acceso polemista, condanna il peso della diffidenza e dell’emarginazione da quella stessa comunità che nei primi anni della sua carriera l’aveva stimato e riconosciuto. Con l’esperienza nella ricerca sulla fusione fredda il lungo percorso di Giuliano nella fisica si esaurisce, ancora una volta in una direzione originale e controcorrente.

Giuliano Preparata muore a Frascati il 24 aprile del 2000, a soli 58 anni, lasciando dietro di sé più di 400 articoli scientifici su almeno una decina di ambiti diversi della fisica, della biologia, della chimica e della medicina.