L’ultimo dono di Fermi all’Italia

Dopo la guerra Fermi si interessa al rilancio della scienza e della tecnologia in Italia. Nel 1948 scrive al Presidente del Consiglio Alcide De Gasperi a sostegno di un aumento dei fondi per la ricerca. Nel 1949 partecipa a una conferenza a Como e visita gli stabilimenti di Ivrea della Olivetti, richiamando l’attenzione sull’emergente tecnologia elettronica. Nel 1950 tiene una serie di seminari a Roma e Milano. Le sue memorabili lezioni alla Scuola di Varenna della Società Italiana di Fisica nel 1954, solo pochi mesi prima della sua morte, fanno parte dell’ultimo dono scientifico di Fermi all’Italia. Sono le parole del fisico Giulio Racah, in un seminario a Pisa nel 1958, per ricordare il suggerimento di Enrico Fermi su come utilizzare un notevole finanziamento destinato all’Università di Pisa: “Fate una calcolatrice elettronica”. Si deve dunque anche a Fermi la nascita delle scienze informatiche in Italia. Pur privilegiando la fisica, Fermi non sottovalutò mai l’importanza del calcolo numerico. Fu un pioniere nell’uso dei calcolatori elettronici e uno degli ideatori dei metodi di simulazioni numeriche.

 

 

Fermi suggerisce di costruire a Pisa il primo calcolatore elettronico italiano

“L’ultimo dono di Fermi all’Italia” sono le parole usate da Giulio Racah, noto fisico fiorentino, in un seminario tenuto nel 1958 all’Istituto di Fisica dell’Università di Pisa per ricordare il suggerimento dato da Enrico Fermi a un gruppo di illustri fisici italiani – Gilberto Bernardini, Marcello Conversi e Giorgio Salvini – che gli avevano chiesto consigli su come utilizzare un grosso finanziamento pari a circa 150 milioni di lire (quasi 2.2 milioni di euro attuali), destinato all’Università di Pisa.

“Fate una calcolatrice elettronica” fu la risposta di Fermi.

Diagramma a blocchi fatto da Fermi per la programmazione di MANIAC

Fermi partecipa alla Scuola di Varenna del 1954

Nel 1953 la Società Italiana di Fisica (SIF) organizza a Varenna il primo corso della Scuola Internazionale di Fisica, una Scuola estiva post universitaria per giovani ricercatori. L’iniziativa si deve all’allora Presidente della SIF, Giovanni Polvani, che diventerà in seguito Presidente del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR). Inizia così un’attività che prosegue tuttora con grande successo.

L’anno successivo, il 1954, la SIF organizza il secondo corso, diretto da Giampietro (Gianni) Puppi, che aveva già diretto il primo corso del 1953. Quel secondo corso, dedicato allo studio delle particelle elementari e delle loro interazioni, vide la partecipazione di Enrico Fermi e, a memoria di tutti, rimase come un “evento memorabile” – sono le stesse parole di Puppi – “per una serie di congiunzioni planetarie […] che ne fecero una summa teologica della fisica dei pioni …”. Ma soprattutto perché la morte di Fermi, avvenuta pochi mesi dopo, “[…] riverberò su di esso una luce particolare”.

La partecipazione di Fermi al corso del 1954 non fu significativa soltanto per le sue mirabili lezioni ma anche per l’impronta da lui lasciata nelle discussioni e analisi conseguenti sulle prospettive della fisica italiana.

Durante il corso un gruppo di eminenti fisici italiani, Gilberto Bernardini, Marcello Conversi e Giorgio Salvini (questi ultimi due dell’Università di Pisa), discutendo con Fermi, gli chiesero consiglio su come investire al meglio, ai fini della ricerca, una cospicua somma (150 milioni di lire, quasi 2.2 milioni di euro attuali) che si era resa disponibile all’Ateneo pisano dopo che era stata persa la gara per la costruzione di un elettrosincrotrone. La gara era stata vinta dagli allora nascenti Laboratori Nazionali di Frascati dell’Istituto Nazionale di Fisica Nuleare (INFN).

Scambio di lettere tra Fermi e il rettore dell’Università di Pisa

Lettera di Enrico Fermi a Enrico Avanzi

In risposta alla domanda dei colleghi a Varenna, Fermi non ha dubbi: grazie alla sua diretta esperienza sui primi calcolatori sviluppati in America suggerisce di progettare e costruire un calcolatore elettronico per eseguire i complessi ma necessari calcoli che avrebbero permesso di trovare la soluzione di problemi lineari e non lineari non affrontabili analiticamente.

Poco dopo, nell’agosto 1954, appena tre mesi prima della sua morte, mentre si trova in vacanza in Trentino, Fermi ufficializza il suo suggerimento scrivendo al Rettore dell’Università di Pisa, Enrico Avanzi.

Avanzi non risponde immediatamente perché anche lui è in vacanza in Trentino e la lettera gli viene reindirizzata da Pisa, ma si dice grato a Fermi per l’indicazione “che sarà tenuta nel massimo conto”.

Inizia così l’attività che porterà alla costruzione del primo calcolatore elettronico italiano: la CEP – Calcolatrice Elettronica Pisana.

     Inaugurazione della CEP alla presenza del Presidente Gronchi (13 novembre 1961)

La CEP – calcolatrice elettronica pisana

I primi calcolatori elettronici moderni risalgono alla fine degli anni ’40, frutto della ricerca inglese e statunitense. In Italia solo nel 1954 furono acquistati i primi due calcolatori di produzione estera: a Milano dal Politecnico e a Roma dall’Istituto Nazionale per le Applicazioni del Calcolo (INAC).

Fu in quell’anno che a Pisa, data la disponibilità di un rilevante contributo finanziario da parte delle province e i comuni di Pisa, Livorno e Lucca, e sentito il parere di Fermi, iniziò l’impresa di progettare e costruire una macchina calcolatrice.

In realtà l’Università di Pisa aveva anche considerato l’acquisto di una moderna calcolatrice elettronica per ricerche scientifiche, ma risultò che la spesa per l’acquisto di una tale macchina sarebbe stata troppo elevata. Si decise pertanto di costruirla. A questo scopo fu richiesta anche la collaborazione di enti di ricerca e di aziende, trovando il supporto dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e della Società Olivetti.

 Calcolatore FINAC (Ferranti) installato a Roma presso l’Istituto Nazionale per le Applicazioni del Calcolo (INAC), allora    diretto da Mauro Picone. L’installazione avvenne nel dicembre 1954 e l’inaugurazione ufficiale il 22 dicembre 1955 dopo una lunga serie di test

Calcolatori elettronici: un’occasione perduta dall’Italia negli anni ’60?

A seguito del suggerimento di Fermi e del supporto di INFN e Olivetti, nel marzo 1955 l’Università di Pisa fondò il Centro Studi sulle Calcolatrici Elettroniche (CSCE), la cui direzione fu affidata a tre professori: Marcello Conversi, Sandro Faedo e Ugo Tiberio. I primi due anni di lavoro furono dedicati al progetto e allo sviluppo di un prototipo con prestazioni ridotte rispetto agli obiettivi originali: questa fu la Macchina Ridotta (MR), realizzata nel 1957 e messa a disposizione della ricerca italiana nei primi mesi del 1958.

        La Macchina Ridotta (MR)

La Calcolatrice Elettronica Pisana (CEP) fu completata nell’aprile 1961 e inaugurata ufficialmente il 13 novembre 1961 alla presenza dell’allora Presidente della Repubblica Giovanni Gronchi.

Allo sviluppo della CEP avevano contribuito anche ingegneri messi a disposizione dalla Olivetti e la Olivetti stessa aveva aperto un proprio laboratorio a Barbaricina, un sobborgo di Pisa, diretto da Mario Tchou, che portò allo sviluppo, nel 1958, dell’Elaboratore Elettronico Automatico (ELEA), in cui le valvole termoioniche usate nella CEP erano state sostituite dai transistor.

Nonostante il successo dell’ELEA (ne furono vendute oltre 200 unità), nel 1964 la Olivetti, a seguito di una crisi finanziaria, decise di vendere tutte le attività relative ai calcolatori alla General Electric. Ebbe così termine l’attività italiana di produzione di calcolatori elettronici medio-grandi.

Cartolina postale del 2001, stampata a Chicago nel centenario della nascita di Enrico FERMI

Fermi e il calcolo numerico: il suo regolo calcolatore

Fermi era un fisico puro e preferiva sempre usare la fisica e non la matematica per arrivare ai risultati. Tuttavia, Fermi era anche abilissimo nel fare buoni calcoli approssimati con pochi o nessun dato effettivo. In questi casi, iniziava facendo delle ipotesi ragionevoli sui limiti inferiori e superiori delle grandezze, che poi utilizzava in espressioni matematiche semplici per arrivare a una stima dell’ordine di grandezza (cioè la potenza di dieci del numero che esprime la risposta cercata). Fermi era anche noto per i quesiti che poneva a tale scopo, poi divenuti famosi come “problemi di Fermi”. Un tipico problema di Fermi era, per esempio: “Quanti sono gli accordatori di pianoforte a Chicago?”

Nel suo periodo romano, ma anche negli Stati Uniti, Fermi non si separò mai dal suo regolo calcolatore ed era così fiero della sua abilità da sfidare i suoi colleghi che usavano una calcolatrice meccanica (Ettore Majorana a Roma) o anche una calcolatrice elettronica (John von Neumann a Los Alamos).

Quando l’approccio fisico non è possibile, o quando i calcoli sono troppo complessi per il suo regolo calcolatore, Fermi non disdegna affatto di ricorrere al calcolo numerico che alla fine degli anni ’20 comincia a implementarsi sulle prime calcolatrici. Del resto, Fermi è sempre stato interessato agli sviluppi della tecnologia: nel 1949 visita gli stabilimenti di Ivrea della Olivetti e già in quella occasione richiama l’attenzione della Olivetti sull’emergente tecnologia elettronica.

Il suo interesse si estende anche ad altre tecnologie, come quelle moticiclistiche, e nel 1954 approfitta della partecipazione alla Scuola di Varenna per andare a visitare la fabbrica della Moto Guzzi a Mandello del Lario, poco più a sud di Varenna sulla stessa riva del lago di Como, dove gli viene presentato l’ultimo modello di “Galletto”, il primo scooter moderno.

Enrico Fermi con la moglie Laura mentre maneggia il suo regolo calcolatore

Dalla calcolatrice meccanica Brunsviga al calcolatore elettronico MANIAC

Nel 1923 il Regio Istituto Fisico di via Panisperna acquisisce una serie di vari strumenti, provenienti dalla Germania, come riparazione ai danni di guerra. Tra questi è registrata anche una calcolatrice meccanica Brunsviga. Non è chiaro se proprio quella sia stata la calcolatrice usata da Fermi, ma è certo che egli ne aveva una da cui non si separava facilmente. Fermi continuò a usare la Brunsviga anche negli Stati Uniti. Stando a un suo collega, Herbert Anderson, era proprio la macchina romana che Fermi si era portato dietro nel 1939, nel suo viaggio attraverso Stoccolma.

La calcolatrice meccanica Brunsviga acquisita nel 1923 dal Regio Istituto Fisico di via Panisperna

Fermi è sempre attratto da strumenti nuovi e, oltre tutto, vuole sempre primeggiare. Così quando Anderson comincia a usare una calcolatrice Marchant, che si dimostra nettamente più veloce della Brunsviga, anche Fermi ne prende una!

Nel frattempo cominciano a essere sviluppati i primi rudimentali ma già rivoluzionari calcolatori elettronici. Il calcolatore ENIAC (Electronic Numerical Integrator And Computer) viene completato nel 1946. Grazie all’opera di Nicholas Metropolis e John von Neumann, a partire dal 1948 a Los Alamos viene sviluppato il calcolatore MANIAC (Mathematical Analyzer, Numerical Integrator, and Computer), che viene completato nel 1952. Fermi è fra i primi a voler utilizzare la nuova macchina, così veloce, e subito prende confidenza con i programmi di calcolo.

L’attenzione agli ordini di grandezza, agli intervalli e limiti di validità, all’analisi di sensibilità e a quella parametrica fece di Fermi, assieme a Stanislaw (Stan) Ulam e John von Neumann, uno dei principali studiosi e sostenitori del metodo probabilistico di simulazioni numeriche, detto “metodo Monte Carlo”, e dell’importanza pratica dei calcolatori per il calcolo numerico.

Due esempi particolarmente rilevanti dell’uso del calcolo numerico e di MANIAC da parte di Fermi sono:

– l’analisi degli sfasamenti degli eventi di diffusione pione-protone
– l’analisi di oscillatori non linearmente accoppiati (problema di Fermi- Pasta-Ulam).

 Le grandi tettoie della stazione di Milano progettate intorno al 1926 grazie ai calcoli effettuati con una   Brunsviga

FERMIAC: la calcolatrice analogica inventata da Fermi

Dopo la fine della guerra e il trasferimento all’Università di Chicago (anche se tutte le estati Fermi tornava a Los Alamos), Fermi continuava a studiare i problemi legati al trasporto di neutroni e alle reazioni nucleari indotte, che lo avevano portato alla realizzazione della prima reazione nucleare controllata e alla pila atomica. I calcoli delle traiettorie dei neutroni erano fatti usando metodi probabilistici (il metodo Monte Carlo). Per rendere i calcoli più veloci, Fermi aveva iniziato a usare il calcolatore elettronico ENIAC. Ma nel 1947 fu deciso di spostare ENIAC, che era stato sviluppato all’Università della Pennsylvania, a Filadelfia, nella sua sede definitiva, il Ballistics Research Laboratory, nel Maryland. Il calcolatore risultò così inutilizzabile per un certo periodo di tempo.

Informato del problema dai colleghi di Los Alamos, Fermi ideò una calcolatrice analogica che potesse generare la “genealogia” di un neutrone, cioè descrivere il percorso di un neutrone in un piano determinando il punto della prossima collisione con gli atomi dei materiali componenti il reattore.

In pratica, questa calcolatrice analogica, poi chiamata da tutti FERMIAC (per analogia con ENIAC e MANIAC, ma anche come acronimo di Fermi Analog Computer), era un carrello con una penna che poteva tracciare linee su un foglio che recava disegnati i contorni dei vari materiali che i neutroni potevano attraversare. Ogni tratto del percorso del carrello avveniva dopo aver impostato alcuni parametri principali, come la scelta fra neutroni “lenti” e neutroni “veloci”, o le caratteristiche del materiale da attraversare. L’impostazione avveniva selezionando la posizione di puntatori su cilindri di diverso diametro.

La fabbricazione del carrello, in ottone, richiedeva una notevole precisione, in particolare per i diametri dei 10 cilindri. Fermi riteneva necessaria una precisione di almeno 1 mil (un millesimo di pollice, cioè 0,0254 mm ovvero 25,4 micrometri). Perciò decise di non fabbricare lui stesso il carrello ma chiese a un collega, Percy King, di costruirlo e gli fece ripetere il lavoro perché il primo prototipo non era stato di qualità sufficiente.

Il FERMIAC assolse benissimo il suo compito per un paio di anni, finché tornò a essere disponibile ENIAC e iniziò a essere utilizzabile anche MANIAC.