Ettore Majorana (Catane, Sicile, – disparu en 1938 et présumé mort en 1938 ou après 1959.) est un physicien italien. Il est surtout connu pour ses travaux en physique des particules, avec des applications particulières de la théorie des neutrinos. Sa disparition soudaine et mystérieuse, au printemps de 1938, a suscité de nombreuses spéculations sur un possible suicide en mer Tyrrhénienne, ou sur une disparition volontaire.
Biographie
Enfance et jeunesse vignette|Photo de famille des Majorana, montrant les grands-parents, le père, les oncles et les enfants. Le troisième à partir de la droite est Fabio, futur père d’Ettore. Ettore Majorana est né le dans l’appartement familial situé au 251 à Catane en Sicile.. Issu d’une riche et prestigieuse famille sicilienne, il est le quatrième enfant (d’une fratrie de cinq) de (1875-1934) et Dorina (Salvatrice) Majorana-Corso (1876-1965).
Le grand-père d’Ettore, (1825-1897), fut député, ministre de l’Agriculture, de l’Industrie et du Commerce dans les premier et troisième gouvernements Depretis (1876-1879), et sénateur en 1879. Son oncle, Quirino, fut professeur de physique expérimentale à l’université de Bologne.
Son père, Fabio, le plus jeune de cinq frères, fut diplômé en ingénierie à dix-neuf ans, puis en physique et mathématiques, et responsable de la Compagnie des télégraphes et télécommunications de la ville. Les quatre autres frères sont , juriste, recteur d’université et député ; , homme d’État ; Quirino, physicien ; , juriste et recteur d’université. Sa mère, quant à elle, descend d’une ancienne dynastie sicilienne possédant d’importants terrains..
Les frères et sœurs d’Ettore sont Rosina ; , docteur en droit et philosophe ; Luciano, ingénieur civil spécialisé dans la construction aéronautique (conception et construction d’instruments pour l’optique d’astronomie) ; et Maria, la benjamine, musicienne enseignant le piano.
Ses parents le mettent en scène dès l’âge de quatre ans en lui soumettant des problèmes d’arithmétique qu’il résout de tête et caché sous la table, ce qui témoigne déjà de son introversion et de sa future répugnance à se mettre en avant, ainsi que ses découvertes scientifiques.. Fasciné par la physique, il l’étudie. Son père se charge de sa formation jusqu’à l’âge de 9 ans environ. À l’âge de 12 ans, conduisant la voiture familiale, il a un accident induisant des cicatrices à la cuisse et à la main qu’il conserve tout au long de sa vie..
Après ces classes élémentaires à la maison, où il est soumis à un programme d’études extrêmement exigeantJoao Magueijo : A brillant darkness (2010) Ed. Basic Books., selon une tradition familiale instaurée par le grand-père, il est élève des jésuites à Rome (en 1921) à l’ puis au lycée Torquato Tasso jusqu’en 1923, année où il obtient brillamment son baccalauréat à l’âge de . Il s’inscrit ensuite en faculté d’ingénierie à l’université de Rome. en même temps que son frère Luciano, d’un an son aîné, et se lie d’amitié en particulier avec Gastone Piqué, Giovanni Gentile (fils du philosophe du même nom), Emilio Segrè (futur prix Nobel) et Enrico Volterra (fils du mathématicien Vito Volterra). Au cours de ces quatre années, Majorana acquiert une réputation de mathématicien exceptionnel auprès de ses condisciples. Il suit les cours du mathématicien Tullio Levi-Civita pour lequel il a un profond respect., ce qui n’était pas le cas pour tous ses enseignants.
Travaux de physique théorique
En 1926, le professeur Corbino, désireux de promouvoir à Rome une physique moderne, fait nommer Enrico Fermi à la chaire de physique théorique de l'université la Sapienza, via Panisperna ; Edoardo Amaldi et Emilio Segrè rejoignent le groupe dès l’automne 1927. Segrè réussit à convaincre Majorana que la physique correspond à ses aspirations et à ses capacités, et à lui faire rejoindre lui aussi l'institut de physique théorique que vient de créer Fermi. Ce transfert se fait en , après une réunion avec Fermi.
Amaldi raconte :
La réunion donne lieu à une anecdote significative : Majorana s’enquiert de la recherche actuelle à l’Institut. Fermi travaille alors au modèle statistique de l’atome : il fait l’hypothèse que le potentiel électrostatique auquel est soumis un électron est approximativement égal au potentiel « moyen » créé par le noyau et les autres électrons, ce qui permet de déterminer une valeur approchée du niveau d’énergie de l’électron. Fermi expose à Majorana les lignes générales de ce « potentiel universel de Fermi » , puis lui montre un tableau où il a réuni quelques-unes des valeurs numériques de ce potentiel moyen, qu’il avait calculées en une semaine à l’aide d’une machine à calculer mécanique. Majorana écoute avec intérêt, et après avoir demandé quelques précisions, s’en va. Le lendemain, en fin de matinée, Majorana revient à l’institut, entre dans le bureau de Fermi et sans préambule demande à revoir le tableau qu’il a vu la veille. Tirant alors de sa poche un papier sur lequel en une nuit il a fait un tableau similaire, mais complet, il conclut que les résultats de Fermi sont justes. Puis il sort du bureau..
Dans ce groupe connu sous le nom des Garçons de la rue Panisperna, des surnoms parodiques sont attribués, la plupart issus de la hiérarchie catholique : Fermi est « le pape » ; Rasetti, qui remplace souvent Fermi dans des tâches importantes, est le « cardinal vicaire » ; Corbino est surnommé le « Père éternel » ; Segrè le « Basilic » (créature mythologique) à cause de son caractère mordant ; Amaldi, en raison de ses traits physiques délicats, est appelé « Joues rouges » ou « Adonis », surnom qu’il n'aime pas du tout ; Majorana, lui, est le « Grand Inquisiteur » : en effet, la vivacité de son intelligence, l’étendue de ses connaissances et son esprit critique sans concession le rendent redoutable. Il commence à fréquenter régulièrement l’Institut, mais seulement jusqu’à l’obtention de son doctorat d’université le , où il obtient la note de 110/110 avec toutes les félicitations possibles ; il y présente, sous la supervision de Fermi, un mémoire sur la théorie quantique des noyaux radioactifs. S’il est ensuite peu présent physiquement à l’institut, et aussi peu disposé à s’exposer, son rôle a été crucial dans beaucoup de recherches.
En 1929 et 1930, il travaille sur l’effet tunnel ; sa thèse est le travail de pointe en Italie sur la physique nucléaire théorique. Il a un rôle d’ (il « laboure le terrain »). En , il obtient son doctorat d’État (Libera Docenza) en physique théorique.
Les travaux de Majorana ont apporté une contribution fondamentale au développement de la physique moderne, abordant de nombreuses questions d’une manière originale. Dans un premier temps il publie six articles concernant essentiellement la physique atomique : chimie, spectroscopie atomique, une théorie de la liaison chimique (où il montre sa compréhension du mécanisme d’échange des électrons de valence), le calcul de la probabilité de renversement du spin (inversion du moment cinétique) des atomes d’un faisceau de gaz polarisé quand celui-ci se déplace dans un champ magnétique rapidement variable. Edoardo Amaldi note , qu’il attribue à ses .
En , prenant connaissance des notes des époux Joliot-Curie sur ce qu’on nommait le « rayonnement pénétrant de Bothe-Becker », il suggère aussitôt qu’ils ont sûrement découvert un « proton neutre », le neutron, dont l’existence sera démontrée par Chadwick peu de temps après. Il ébauche ensuite une théorie où les protons et les neutrons seraient les seuls constituants du noyau et émet l’idée que ces particules interagiraient par les forces d’échange des seules coordonnées spatiales. Malgré l’insistance de Fermi, il refuse de publier, de sorte que c’est Werner Heisenberg qui publie en la première ébauche d’une théorie du noyau très proche de son modèle, ce qui désole Fermi.
La contribution scientifique majeure de Majorana est constituée de ses trois derniers articles. Le premier, d’une très grande importance pour lui et publié (cette fois, Fermi a réussi à l’en convaincre) en décembre avant son départ pour Leipzig, est une théorie relativiste des particules de moment intrinsèque arbitraire : Majorana cherche à construire une théorie alternative à celle de Dirac, qui permettrait d’éliminer complètement les solutions à énergie négative. Cette vision en avance sur la recherche de l’époque fournit un spectre des masses des particules. La découverte du positon aurait presque pu faire oublier ce travail, pourtant il contenait une découverte mathématique importante : le développement et l’utilisation des représentations unitaires de dimension infinie du groupe de Lorentz. Cet article extrêmement difficile n’a pratiquement pas été lu (ni compris) de son vivant. On a pu reconstituer en partie l’évolution de ces études à partir d’une série de manuscrits, les Quaderni e i Volumetti conservés à la Domus Galilaeana de Pise et publiés en 2006Zanichelli : Appunti inediti di Fisica teorica, édit. Esposito e E. Recami, 2006..
Séjour à l’étranger Fermi réussit à convaincre Majorana d’aller rencontrer Heisenberg à Leipzig, et lui fait attribuer une subvention par le Conseil national de la recherche pour ce séjour qui débute fin et dure environ six mois. Les premiers mois semblent s’être bien passés, il apprécie la personnalité de Heisenberg, et publie même un nouvel article (en allemand) sur la théorie du noyau. Nous possédons quelques lettres de la période allemande. Le , il écrit à sa mère :
Dans une lettre à son père du , il écrit :
Il conseille Gleb Wataghin. (peut-être sur une suggestion de Fermi) sur l’hypothèse que la désintégration bêta consiste en la création d’un couple électron-positron, par l’éjection d’un électron et la capture du positron par un neutron, qui est ainsi transformé en un proton.
Par la suite, du au , Majorana se rend à l’Institut de physique théoriqueL’institut se nomme maintenant « Institut Niels-Bohr ». à Copenhague., où il rencontre Niels Bohr. La fréquentation de Bohr lui permet de connaître d’autres grands physiciens de l’époque, y compris Christian Møller et , et de fréquenter Georges Placzek, qu’il connaît déjà depuis un certain temps..
Majorana, séduit par la courtoisie de Heisenberg, est aussi impressionné par la rigueur et l’organisation allemande. , et paraît ne prendre aucunement conscience du danger que représente l'Allemagne nazie. Si pour Fermi, Majorana a des dons de virtuose que personne d’autre ne possède, notamment dans la compréhension des phénomènes physiques, en y décelant des symétries ou des structures mathématiques nouvelles, Fermi ajoute aussi qu’il manque à Majorana ce qu’il est commun de trouver chez les autres hommes : le simple bon sens.. Si tout d’abord, dans la deuxième lettre. à sa mère, de Copenhague, en date du , il se contente de faire cette appréciation :
et rapporte cette anecdote :
Il écrit fin mars, toujours de Copenhague :
Le , soit cinq jours après que des étudiants nazis ont brûlé vingt mille livres d’auteurs juifs sur le parvis de l'université de Berlin, Majorana écrit à sa mère, de LeipzigRecami, p.107. :
Enfin, le , il adresse à Emilio Segrè cette lettre qui fait :
À partir du mois d’avril, ses lettres à sa famille et à ses amis se raréfient et il semble que son état de santé physique et morale se soit dégradé à ce moment. En mars, la mise en évidence par Carl David Anderson de positrons (antimatière) vient conforter l’hypothèse de Dirac, entraînant l’adhésion de la communauté scientifique jusque-là réticente, notamment celle d’Heisenberg. Hypothèse que Majorana trouve .
Le , il revient définitivement à Rome..
Retour en Italie Laura Fermi a dressé ce portrait psychologique de Majorana Leonardo Sciascia : La scomparsa di Majorana sur Google Books]. :