Lucy Mensing, fisica teorica. Una meteora nel firmamento di Gottinga

Numero 374, Scienza e Tecnica Lascia un commento

Nella Gottinga dei primi anni venti del secolo scorso, il fisico Max Born aveva dato inizio allo sviluppo della formulazione quantistica della meccanica. In effetti, quella che oggi consideriamo la “vecchia” teoria dei quanti, nata circa venti anni prima a opera di Bohr, Planck ed Einstein, aveva un approccio semiclassico: introduceva la quantizzazione dell’energia in particolari condizioni, ma era ancora basata sulle leggi della meccanica newtoniana. Era una teoria non molto coerente, applicabile solo a sistemi semplici, come l’atomo di idrogeno, e si limitava a introdurre delle correzioni alla meccanica classica, che tuttavia permettevano di comprendere alcuni fatti sperimentali altrimenti inspiegabili. 

Fu un giovanissimo allievo di Born che, durante un soggiorno solitario sull’isoletta di Helgoland, nel mare del Nord, dove si era recato per curare una grave allergia, ebbe un’intuizione geniale: capì che la nuova teoria poteva nascere solo sulla base di grandezze osservabili, le uniche ad avere un significato fisico, e quindi che non ha alcun senso domandarsi quale sia la traiettoria di una particella in moto — ad esempio uno degli elettroni di un atomo — ma solo quali sono i valori misurabili della luce emessa o assorbita da questo sistema fisico mentre lo osserviamo.
Il 29 luglio del 1925 Heisenberg diede alle stampe un articolo intitolato Sulla reinterpretazione quantistica delle relazioni cinematiche e meccaniche. Subito dopo, insieme a lui, Born e un altro suo allievo, Pascual Jordan, completarono e svilupparono il formalismo necessario per costruire la meccanica quantistica.
Nel 1926 i tre fisici pubblicarono la formulazione completa della teoria estesa a sistemi con molti gradi di libertà. Questo articolo è passato alla storia come il “lavoro dei tre uomini”. Gottinga divenne così la patria della fisica del tempo, la culla di una vera e propria rivoluzione scientifica.

Fra le persone di scienza che furono protagoniste di quella rivoluzione troviamo una figura di donna — oggi quasi dimenticata — che appare come una fugace meteora molto luminosa in quel firmamento ricco di stelle. Il suo nome era Lucy Mensing e fu lei a studiare per prima, nell’ambito della nuova teoria, la grandezza che in meccanica classica è legata al moto di rotazione, cioè il momento angolare. Applicando a questa osservabile il formalismo introdotto dai “tre uomini”, fu dunque una donna a dimostrare che il momento angolare quantistico poteva assumere solo valori interi e seminteri. Era un fatto di importanza fondamentale, perfettamente coerente col risultato degli esperimenti di spettroscopia atomica e molecolare. 

Ritratto informale di Lucy Mensing

Lucy Mensing era nata ad Amburgo l’11 marzo 1901 ed era la prima delle cinque figlie di Hermann Mensing, un uomo d’affari, e di sua moglie Martha Luise Beer. Frequentò la scuola del monastero di San Giovanni, la stessa dove aveva studiato sua madre, dove si attuava un programma di formazione per insegnanti donne, detto Lehrerinnenseminar, ma nel 1920, dopo il suo diploma, decise di iscriversi all’Università di Amburgo, nata solo un anno prima, per studiare fisica, chimica e matematica. All’epoca si trattava ancora di una scelta decisamente coraggiosa. La sua passione si rivelò la fisica teorica. Nel marzo del 1925 Mensing discusse la sua tesi di dottorato sull’effetto Stark, che consiste nella scissione delle righe spettrali che si osserva quando gli atomi posti in un campo elettrico esterno emettono luce. Mensing spiegò questo fenomeno utilizzando la “vecchia teoria quantistica”, dovuta a Bohr e Sommerfeld, che supponeva che gli elettroni fossero particelle in orbita intorno al nucleo, sulle particolari orbite previste da quella teoria.
Il suo relatore era il docente di fisica teorica di Amburgo, Wilhelm Lenz, ma in realtà Mensing aveva lavorato con un giovane assistente, più anziano di lei di un solo anno: il grande fisico Wolfgang Pauli, che nel 1945 avrebbe ricevuto il premio Nobel per la scoperta del cosiddetto Principio di esclusione del Pauli. Nel mese di settembre del 1925 la tesi fu pubblicata sulla rivista Zeitschrift für Physik. Quel lavoro ottenne, su richiesta di Lenz, il primo pieno e la valutazione “molto buono”.

L’anno in cui Lucy Mensing conseguì il dottorato, il 1925, è proprio l’anno di pubblicazione dell’articolo in cui Werner Heisenberg dava l’avvio alla meccanica quantistica, e il successivo, il 1926, avrebbe visto l’uscita del “lavoro dei tre uomini”. Il suo brillante lavoro di tesi fruttò a Lucy l’opportunità — pare su sollecitazione di Pauli — di andare a Gottinga e collaborare con loro.
Fu così che questa brillante e promettente fisica teorica, esperta di spettroscopia, si trovò al centro di una vera e propria rivoluzione scientifica, paragonabile a quella operata più di due secoli prima a opera di Galileo e Newton.

Werner Heisenberg (a sinistra) parla con Lucy Mensing (al centro)

Nel frattempo, era stato proprio Pauli a trovare il primo importante risultato della meccanica delle matrici, risolvendo il problema della determinazione dello spettro energetico dell’atomo di idrogeno. Fu un grande successo, per Pauli e per la nuova teoria, e Lucy Mensing fu la prima a fare la stessa cosa per le molecole formate da due atomi, come l’ossigeno, l’azoto e l’ossido di carbonio. 
Pauli apprezzava enormemente il lavoro di Lucy Mensing e la loro collaborazione nel campo della spettroscopia quantistica continuò proficuamente. A quel tempo Tubinga era la roccaforte della spettroscopia in Germania e Lucy vi si recò su invito di Alfred Landé, che le offrì un posto come assistente. La sua carriera accademica era ormai brillantemente avviata. Ma a Tubinga avvenne l’incontro col fisico sperimentale Wilhelm Schütz, che aveva studiato con molto interesse i risultati della tesi di dottorato di Mensing e ne discusse con lei. Fra i due nacque un’intesa scientifica che si trasformò in qualcosa di più profondo. Nel settembre del 1928 decisero di sposarsi. L’anno successivo Schütz ottenne una cattedra a Monaco e lei lo seguì in quella città.

Fu così che a febbraio del 1930 Lucy Mensing, a soli 29 anni, pubblicò il suo ultimo articolo su una rivista, il Zeitschrift für Physik, firmato come Schütz-Mensing: era un lavoro sull’ampliamento delle linee spettrali. Probabilmente Lucy si trovò costretta a fare una scelta fra la propria carriera e la cura della famiglia. A Monaco non aveva un lavoro e a novembre del 1930 nacque il suo primo bambino, al quale seguirono due figlie e poi un altro maschio. A quell’epoca si dava per scontato che una madre di famiglia dovesse rinunciare alla propria carriera per dedicarsi alla casa e ai figli. Le poche grandi figure femminili della scienza della prima metà del secolo scorso hanno condotto una vita quasi monacale, tutta dedicata alla ricerca, come Lise Meitner, Emmy Noether, Hertha Sponer, Marietta Blau e in Italia Nella Mortara e Rita Brunetti. 

Lucy Mensing, Lise Meitner e altri durante un’escursione

Negli ultimi mesi della prima guerra mondiale tutta la famiglia si rifugiò a Jena, dove Wilhelm Schütz aveva fondato una filiale del suo istituto, ma le difficoltà economiche erano enormi, al punto che Lucy faceva di tutto per contribuire a sfamare la famiglia: dalla raccolta delle stoppie a lavori come donna delle pulizie. Nel 1946 arrivò un posto “assistente volontaria” presso l’istituto di matematica, che le procurò un piccolo reddito.
Ma nel mese di ottobre del 1946 le truppe americane si ritirarono dalla Turingia, che passò sotto il controllo dei sovietici. Questi, il 22 ottobre, diedero il via alla cosiddetta operazione Osoaviachim: la deportazione di circa 2.000 tecnici e scienziati e le loro famiglie in Unione Sovietica costretti ad aiutare a ricostruire l’industria e la ricerca come riparazione dei danni di guerra. Fra loro c’erano Wilhelm Schütz e la sua famiglia, che furono condotti su un’isola nel lago Seliger vicino alla città di Ostaškov, dove Lucy fu impegnata come insegnante di tedesco e di storia per i figli dei deportati. Vi restarono per ben sei anni, fino al giugno del 1952, quando fu loro permesso di tornare a Jena, che ormai apparteneva alla Ddr, cioè alla Germania Est, dove Wilhelm Schütz riprese la sua carriera accademica come docente di fisica sperimentale fino al 1965, anno del suo pensionamento.

Recentemente gli storici della fisica si sono interrogati sulle reali motivazioni che spinsero Lucy a rinunciare alla sua carriera accademica. Oltre ai doveri familiari, la sua corrispondenza e gli appunti di lavoro suggeriscono anche altre possibili motivazioni. Si tratta di difficoltà in parte legate agli esiti delle sue ricerche, ma soprattutto a una forte competitività e a una rigida struttura gerarchica tutta al maschile. Nella Germania degli anni ’20, prima la crisi economica e la conseguente scarsità dei posti di lavoro a tutti i livelli, e in seguito le politiche razziste e misogine da parte del regime nazista avevano creato un ambiente pesantemente avverso alla presenza delle donne nel mondo della scienza. 
Gernot Münster, il fisico ed epistemologo tedesco al quale dobbiamo la riscoperta di questa figura di fisica, racconta che la figlia di Lucy, Dorothea Roloff, intenta a esaminare il patrimonio di appunti e documenti lasciati da sua madre, gli ha scritto con una punta di amarezza: «Mi sta diventando sempre più chiaro che non ha abbandonato la scienza principalmente per il desiderio di avere una famiglia, ma piuttosto che ha messo su famiglia perché non riusciva a sopportare le battaglie di qualsiasi genere all’interno dell’ambiente scientifico». 
Tuttavia la passione per la fisica rimase in lei per tutta la vita, come dimostra il fatto che continuò a studiarla e a tenersi informata: fu lei a scrivere le parti relative alla teoria quantistica dell’effetto Faraday nel Manuale di fisica sperimentale di suo marito, pubblicato nel 1936; collaborava con lui alla preparazione delle sue lezioni e per tutta la sua vita mantenne contatti epistolari con alcuni suoi prestigiosi colleghi degli anni dedicati alla ricerca. In particolare Münster ricorda la sua grande amicizia col fisico tedesco Ernst Ising, che era dovuto scappare dalla Germania nel 1939 per sfuggire alle persecuzioni razziali e che si era stabilito negli Stati Uniti nel 1947, dove, nel 1981 lei andò a trovarlo. 
Lucy manifestava grande ammirazione per le grandi scienziate del suo tempo, come Marie Curie, Emmy Noether e Lise Meitner. È ancora sua figlia Dorothea a testimoniare del suo interesse per la questione femminile: «…ma lei non era un’attivista per i diritti delle donne; per lei l’uguaglianza di genere e il diritto all’istruzione erano una cosa ovvia e soffriva molto per una realtà che non vi corrispondeva affatto». 
Lucy Mensing morì a Meiningen, in Germania, il 28 aprile 1995, all’età di 94 anni. 

Per saperne di più:

In copertina: Lucy Mensing in 1928. AIP Emilio Segrè Visual Archives, Mensing Collection, Gift of Dr. Dorothea Roloff. In Michel Janssen and Gernot Münster, “Lucy Mensing,” American Institute of Physics, 2025.

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Articolo di Maria Grazia Vitale

Laureata in fisica, ha insegnato per oltre trent’anni nelle scuole superiori. Dal 2015 è dirigente scolastica. Dal 2008 è iscritta all’Associazione per l’Insegnamento della Fisica (AIF) e componente del gruppo di Storia della Fisica. Particolarmente interessata alla promozione della cultura scientifica, ritiene importanti le metodologie della didattica laboratoriale e del “problem solving” nell’insegnamento della fisica.

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