Edward Mills Purcell: Il fisico che ha sentito cantare l'idrogeno

In un pomeriggio di dicembre del 1945, in un laboratorio di Harvard risalente alla guerra che odorava ancora di saldatura e parti di radar, Edward Mills Purcell e due colleghi puntarono un campione di paraffina verso un ricevitore radio e colsero, per la prima volta, il debole segnale di assorbimento dei nuclei atomici che si capovolgevano in un campo magnetico. Ci vollero settimane per convincersi che il segnale fosse reale. La medicina avrebbe impiegato altri tre decenni per trasformarlo nello scanner per risonanza magnetica (MRI).

Un ingegnere della cintura agricola scopre la fisica

Purcell nacque il 30 agosto 1912 a Taylorville, in Illinois, da Edward A. Purcell e Mary Elizabeth Mills, e crebbe frequentando le scuole pubbliche locali e della vicina Mattoon. Entrò alla Purdue University con l'intenzione di diventare ingegnere elettrico, laureandosi nel 1933, ma un periodo da studente universitario dedicato alla ricerca sulla diffrazione elettronica sotto la guida del professor K. Lark-Horovitz lo reindirizzò verso la fisica. Un anno come studente di scambio presso la Technische Hochschule di Karlsruhe, in Germania, a studiare con il professor W. Weizel, ha ulteriormente acuito questo interesse. Tornò negli Stati Uniti per gli studi di specializzazione a Harvard, conseguendo il dottorato nel 1938 e rimanendo brevemente come istruttore di fisica prima che la Seconda Guerra Mondiale rimodellasse la sua carriera, come accadde per quasi tutti i fisici della sua generazione.

Il radar al MIT

Nel 1940 Purcell entrò a far parte del MIT Radiation Laboratory, il programma intensivo che costruì il radar a microonde per lo sforzo bellico degli Alleati, e arrivò a dirigere il suo gruppo di sviluppi fondamentali. Il lavoro lo mise a stretto contatto con I. I. Rabi e altri fisici che sondavano le proprietà molecolari e nucleari mediante metodi radiofonici, e rese Purcell esperto nell'elettronica a microonde di cui avrebbe avuto bisogno per la sua scoperta nel dopoguerra. La ricerca sul radar è stata, in un certo senso, un apprendistato di cinque anni nella strumentazione della risonanza, anche se nessuno nel progetto pensava all'imaging medico.

La scoperta della risonanza magnetica nucleare

Tornato a Harvard come professore associato dopo la guerra, Purcell lavorò con Robert Pound e Henry Torrey per rilevare l'assorbimento per risonanza magnetica nucleare nella materia condensata: il fenomeno per cui i nuclei atomici in un campo magnetico assorbono e riemettono energia a radiofrequenza a una frequenza che dipende dal loro ambiente chimico locale. Felix Bloch e il suo gruppo a Stanford trovarono lo stesso effetto indipendentemente e quasi simultaneamente, utilizzando un metodo di rilevamento diverso, e i due team condivisero il Premio Nobel per la Fisica nel 1952 "per lo sviluppo di nuovi metodi per misurazioni magnetiche nucleari di precisione e scoperte correlate". Il linguaggio del comitato Nobel era asciutto; la conseguenza non lo era. La RMN ha dato ai chimici un modo esatto e non distruttivo per leggere la struttura delle molecole e, decenni dopo, è diventata la base fisica della risonanza magnetica, permettendo ai medici di vedere all'interno di un corpo vivo senza bisturi o dosi di raggi X. Purcell stesso si è rapidamente spostato verso gli aspetti più sottili del fenomeno: il rilassamento dell'eco di spin, i tempi di rilassamento magnetico nucleare e lo strano ma reale concetto di temperatura di spin negativa, un risultato che in seguito si sarebbe rivelato rilevante per la teoria del laser.

In ascolto della galassia

La curiosità scientifica di Purcell non si fermò al banco di laboratorio. Predisse e poi aiutò a confermare il rilevamento della riga di emissione radio a 21 centimetri degli atomi di idrogeno neutro sparsi nello spazio interstellare: un segnale così debole che trovarlo richiese l'estensione delle stesse tecniche di risonanza che avevano prodotto la RMN a distanze astronomiche. La riga a 21 centimetri permise agli astronomi di mappare per la prima volta la struttura a spirale della Via Lattea e fondò effettivamente il campo della radioastronomia come disciplina sistematica. È stato un caso raro in cui la tecnica di laboratorio di un fisico ha rimodellato sia la medicina che la cosmologia nel corso di un'unica carriera.

Professore, autore di libri di testo, consigliere presidenziale

Tornato a Harvard, Purcell divenne professore ordinario nel 1949 e alla fine ottenne il titolo di Gerhard Gade University Professor. Fu presidente dell'American Physical Society e membro della National Academy of Sciences e dell'American Academy of Arts and Sciences. La sua posizione scientifica lo portò al servizio del governo: fece parte del comitato consultivo scientifico del presidente dal 1957 sotto Dwight Eisenhower e continuò a consigliare John F. Kennedy e Lyndon Johnson, parte della generazione di fisici-statisti che la Guerra Fredda chiamò a Washington. Ha anche lasciato un segno nella pedagogia della fisica ben oltre le sue scoperte, scrivendo il libro di testo Electricity and Magnetism come parte del Berkeley Physics Course, un progetto finanziato dalla NSF nell'era dello Sputnik, degno di nota per aver integrato la relatività speciale direttamente nella presentazione dell'elettromagnetismo: una scelta pedagogica ancora ammirata dagli insegnanti di fisica. È ricordato anche per una lezione ampiamente citata del 1976, "Life at Low Reynolds Number", che spiegava con sorprendente chiarezza perché il nuoto a scala microscopica - per un batterio, per esempio - obbedisce a regole fisiche completamente diverse rispetto al nuoto a scala umana, e ha introdotto quello che è stato chiamato il teorema della capasanta per il movimento reciproco nei fluidi viscosi. Tra i successivi riconoscimenti figurano la medaglia Oersted nel 1967 e la National Medal of Science nel 1979.

Perché Edward è chiamato un genio

La tesi per definire Purcell un genio poggia meno su un singolo lampo di intuizione che su una rara coerenza nell'intuizione della costruzione di strumenti, applicata su scale molto diverse. La stessa tecnica (eccitare gli spin nucleari con onde radio e leggere il debole segnale che rimandano) gli ha permesso di trovare un fenomeno di laboratorio con immediato ritorno chimico e medico e, pochi anni dopo, di rilevare un sussurro proveniente da atomi di idrogeno sparsi per la galassia. I colleghi e i successivi storici della scienza hanno indicato tale portata, unita alla sua capacità di spiegare la fisica difficile in un linguaggio semplice, come il segno di un'intuizione fisica insolitamente profonda piuttosto che di una semplice facilità tecnica. Il controargomento onesto è che Purcell non ha scoperto la RMN da solo o in isolamento: il team di Felix Bloch ha raggiunto la stessa fisica indipendentemente in poche settimane utilizzando un metodo diverso, e Purcell ha costruito direttamente sull'elettronica radar bellica sviluppata da centinaia di ingegneri presso il MIT Radiation Laboratory. Il suo genio, per quanto tale, risiedeva nel riconoscere ciò che un familiare pezzo di hardware radar poteva rivelare sull'interno invisibile della materia, e poi nello spiegare quella rivelazione, in libri di testo e lezioni, in modo così chiaro da diventare conoscenza comune per la prossima generazione di fisici.

Eredità

Purcell morì il 7 marzo 1997 a Cambridge, nel Massachusetts, all'età di ottantaquattro anni. La tecnica che ha contribuito a scoprire in un laboratorio radar riconvertito ora si trova all'interno delle suite di risonanza magnetica degli ospedali e nei dipartimenti di chimica di tutto il mondo, e il metodo di mappatura del cielo di cui è stato pioniere rimane uno strumento di lavoro della radioastronomia: un raro caso in cui l'intuizione di un fisico rimodella la medicina e la cosmologia allo stesso tempo.