La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. La guerra e i fisici
La seconda rivoluzione scientifica: fisica e chimica. La guerra e i fisici
La guerra e i fisici
Gli scienziati del fronte degli Alleati vittoriosi amavano ripetere, con una metafora che andava per la maggiore, che la guerra combattuta 'per porre fine a tutte le guerre' aveva collocato a forza la scienza to the front: sul campo di battaglia ma anche, con un gioco di parole, 'in cima all'agenda'. I fisici avevano svolto particolarmente bene il loro compito e il contributo apportato a numerose nuove macchine e tecnologie che avevano trovato impiego nel conflitto ‒ aeroplani, telecomunicazioni, artiglieria di precisione, sottomarini e sonar, per citarne solamente alcuni ‒ avevano provato che la difesa, il governo e l'industria non avrebbero potuto fare a meno della loro attività.
L'impegno profuso dai fisici nell'attività bellica si dimostrò particolarmente efficace nel campo dell'artiglieria. Sul fronte occidentale la guerra di trincea si era trasformata ben presto in scontro tra artiglierie e, di conseguenza, gli stati maggiori e gli uffici che provvedevano a mobilitare gli scienziati riservavano importanza prioritaria al miglioramento dei sistemi di puntamento delle armi, con la finalità di renderne sempre più preciso il tiro. Molte azioni di ricognizione, condotte dalle forze aeree di entrambe le parti coinvolte nel conflitto, rispondevano a esigenze dell'artiglieria; in particolare, la necessità di comunicare la posizione delle postazioni nemiche accelerò notevolmente lo sviluppo della radio. I fisici contribuirono dunque in maniera significativa alla guerra che si combatteva nei cieli e nell'etere e furono in prima fila nella guerra per mare, impegnati nello sforzo di progettare il più rapidamente possibile un sistema che permettesse di individuare e distruggere i sottomarini.
Tuttavia, all'inizio del conflitto, i fisici non erano stati destinati a questo genere di mansioni, cui furono indirizzati allorquando i comandanti militari e i funzionari del governo, a causa dello scarseggiare di attrezzature strategiche e dello stallo nel quale versava la guerra di trincea, si risolsero a ricorrere alla loro competenza.
Avanti e indietro dal campo di battaglia
In Austria, in Francia e in Germania numerosi giovani fisici, appena prima della dichiarazione di guerra o subito dopo, furono mobilitati nelle unità effettive o di riserva cui appartenevano; molti, pur non essendo stati richiamati per motivi di età o di salute, aderirono come volontari: gli istituti di fisica delle università rimasero vuoti. In Francia l'École Normale Supérieure, il più grande 'vivaio' di fisici di tutta la nazione, fu trasformato in ospedale e nei primi anni di guerra il numero totale delle iscrizioni alle università francesi diminuì del 75% circa. Se si focalizza l'attenzione sul caso dei fisici già in ruolo e sulla carneficina alla quale, come è documentato, andarono incontro è necessario concludere che dovettero dirigersi ai campi di battaglia in massa: assumendo che il rapporto tra quanti tra loro caddero vittime e il numero totale di fisici francesi al fronte fosse lo stesso di quello dei loro colleghi della Germania, essi dovevano essere almeno 200, ossia un numero superiore a quello dei fisici presenti nel 1900 in tutte le università della Francia.
Tedeschi e austriaci, meglio organizzati, all'inizio seppero sfruttare i loro giovani con maggiore efficacia; la metà circa dei 160 membri degli istituti universitari di fisica che, stando alla rivista "Physikalische Zeitschrift", prestarono servizio sul campo, entrò nei reparti che si occupavano del combattimento tecnologico (l'artiglieria prima di tutto ma anche le comunicazioni e l'avvistamento); un numero compreso tra un quarto e un terzo del totale si arruolò invece nella fanteria.
La Gran Bretagna, pur essendosi mobilitata dopo le potenze continentali, si comportò in maniera altrettanto sconsiderata nel dissipare la risorsa rappresentata dai suoi scienziati. Furono assegnati alle truppe i due più valenti fisici sperimentali del paese, William Lawrence Bragg (1870-1971) e Henry G.J. Moseley (1887-1915): il primo stava per essere insignito del premio Nobel che sarebbe stato senz'altro assegnato anche al secondo, se fosse sopravvissuto. Il Trinity College di Cambridge, che vantava una grande tradizione in campo scientifico per i suoi fisici e i suoi matematici, fu trasformato in un ospedale mentre i ricercatori del Cavendish, il più importante laboratorio britannico (anch'esso con sede a Cambridge), all'inizio del 1915 erano già arruolati o si stavano addestrando per partire.
La morte di Moseley, ucciso mentre era intento ad azionare un telefono durante una battaglia presso Gallipoli, in Turchia, divenne l'emblema dell'incapacità, da parte alleata, di impiegare in maniera vantaggiosa coloro che avevano competenze scientifiche. Per gli imperi centrali si annoveravano altri esempi: Karl Schwarzschild (1873-1916), consigliere segreto, direttore dell'importante Osservatorio di Potsdam, era uno degli scienziati che avevano maggiormente contribuito alle ricerche sulla relatività generale e alla teoria quantistica dell'atomo: morì per una malattia contratta durante il servizio in un'unità di artiglieria presso il fronte russo; Friedrich Hasenöhrl (1874-1915), il miglior fisico teorico di tutta l'Austria, cadde in combattimento colpito da una granata; Otto Sackur (1880-1914), professore presso l'Università di Breslavia, uno tra i teorici di spicco a livello mondiale per quanto riguardava la termodinamica chimica, rimase ucciso mentre maneggiava esplosivi nel corso di alcuni esperimenti: la rivista "Nature" osservò con cinismo che egli non si era mai particolarmente distinto nell'attività pratica.
Da parte alleata, a cominciare dalla seconda metà del 1915 gli scienziati si ritirarono gradualmente dal fronte, essenzialmente per due motivi: l'esaurimento delle scorte di munizioni e di materiali strategici ad alta tecnologia, importati in precedenza quasi esclusivamente dalla Germania e dall'Austria, e un gas asfissiante di colore giallo che avvolse il campo di battaglia di Ypres durante l'aprile del 1915. Gli strateghi militari si accorsero d'un tratto dell'importanza della collaborazione di chimici e fisici.
A una conclusione analoga era giunto l'alto comando tedesco dopo aver constatato la supremazia dell'artiglieria francese. Quasi tutte le perdite riportate sulla "Physikalische Zeitschrift" risalgono al 1914 e al 1915, un solo caduto è registrato per il 1916 e nessuno per il 1917 e per il 1918. La deduzione ovvia che si può trarre trova conferma nelle informazioni biografiche a disposizione: Max Born, James Franck, Gustav Hertz, Alfred Landé, Carl Ramsauer, assieme a molti altri, nel 1915 e nel 1916 furono dirottati dal campo di battaglia ad altre destinazioni.
Nel dicembre del 1915 il primo ministro inglese riferì in parlamento che il governo si stava prodigando per sfruttare il più efficacemente possibile il contributo degli scienziati. L'encomio riservato ai fisici dal comandante in capo dei reparti britannici in Francia contribuì a superare l'opposizione delle forze armate ad avvalersi di consulenze esterne e, un anno prima della fine delle ostilità, nemmeno l'esigente direttore di "Nature" trovò più alcuna controindicazione al fatto che fossero impiegati i suoi collaboratori.
La Gran Bretagna, dal momento che importava dalla Germania i magneti necessari ad avviare le proprie automobili e gli aeroplani, il tritolo con cui rifornire l'artiglieria e i coloranti per le uniformi dell'Esercito e della Marina, con l'inizio della guerra si venne a trovare in una situazione avvilente e rischiosa. Per porre termine a questa forma di dipendenza, fu costretta a emulare proprio quelli che la propaganda dipingeva come gli aspetti peggiori della vita e della scienza germaniche: l'organizzazione e la disciplina. Una retorica simile riecheggiava in Francia, dove la scarsità di attrezzature tecnologiche pesava probabilmente in modo persino più drammatico che non in Inghilterra; per farvi fronte, dunque, sarebbe stato necessario dotarsi di una disciplina di stampo tedesco e rinunciare all'individualismo, che esaltava negli animi lo spirito della patrie ma aveva anche condotto alla rovina della sua industria.
Gli effetti dell'adozione di un'organizzazione di stampo tedesco si evidenziarono in modo palese nell'ambito dello sviluppo degli apparati ottici delle munizioni: nonostante nel 1914 gli Alleati disponessero di scarse attrezzature per la fabbricazione del vetro ottico e la lavorazione necessaria per consentirne l'uso bellico, al rinnovato esercito della Gran Bretagna composto da 1 milione di uomini occorrevano 70.000 binocoli da campo, 15.000 telescopi, 10.000 telemetri ottici, oltre ai periscopi con cui scrutare dalle trincee, le lenti per le fotografie aeree e per i proiettori e così via. Il ministero della Guerra, non avendo altra possibilità, progettò di rivolgersi al suo vecchio fornitore, elaborando un piano in base al quale, tramite intermediari svizzeri, i tedeschi avrebbero garantito la consegna di 30.000 binocoli entro la fine del 1915 e di altri 15.000 entro il mese successivo, in cambio di una determinata quantità di gomma. Alla fine, però, gli inglesi non ebbero bisogno di fare affidamento sull'ottica per armamenti di provenienza tedesca, poiché i chimici e i fisici da poco mobilitati seppero riottenere le formule e i procedimenti adottati da Zeiss, persino migliorandone l'efficienza, oltre a sovrintendere alla loro messa in opera in fabbriche di nuova costruzione. Nel frattempo, i loro colleghi nelle università si esercitavano in qualità di dilutees (come erano chiamati coloro che erano dediti a un lavoro nuovo e non specializzato) nell'assemblaggio di strumentazioni ottiche; le donne si dimostrarono peraltro particolarmente abili nel molare le lenti. Prima ancora della fine del conflitto, gli inglesi riuscirono a realizzare lenti di qualità, in quantità doppia rispetto all'intero consumo mondiale del 1914.
I progressi compiuti dalla Francia nell'organizzare la produzione di materiale tecnico si manifestarono pubblicamente nel giugno del 1916, quando la Société d'Encouragement pour l'Industrie Nationale tenne un'esposizione di articoli prodotti all'interno del paese, per i quali la Francia in passato aveva dovuto dipendere dalle importazioni da Germania e Austria; particolare attenzione fu riservata agli oggetti di vetro per esperimenti chimici. Mostre analoghe furono organizzate dagli inglesi; nel luglio del 1916 a Manchester, sotto gli auspici della Society of Chemical Industry, furono esposti anche vetro per laboratori, ampolle per sieri, attrezzatura radiologica e lenti ottiche; due anni dopo, fu la British Science Guild a celebrare i progressi compiuti a partire dal 1914 nella produzione autarchica di prodotti tecnologici. Fu messo in mostra ciò che per l'epoca erano ordinari congegni di vetro ma anche alcune interessanti innovazioni, tra le quali mattoni refrattari, leghe di tungsteno, termometri, coloranti e rivelatori per la fotografia, isolanti elettrici per alte tensioni, reticoli per strumenti ottici e borracce termiche, la cui produzione era stata in precedenza monopolio della Germania.
Al seguito dell'artiglieria
Rilevamento topografico e mappe
La rappresentazione del campo di battaglia su mappa mise i topografi al cospetto di difficoltà eccezionali: non solamente dovevano stabilire distanze con una precisione mai raggiunta prima, per di più mentre erano esposti al fuoco nemico, ma l'operazione andava ripetuta di continuo a mano a mano che le linee della battaglia mutavano, le postazioni dei pezzi d'artiglieria venivano trasferite e il filo spinato fuoriusciva o spariva nella fanghiglia. Nel 1914 non esistevano carte topografiche della scala richiesta: lo Stato Maggiore francese faceva uso di mappe in scala 1:84.000 e i tedeschi di Kriegskarten 1:100.000, ma per la battaglia combattuta in trincea erano necessarie mappe più dettagliate, in scala 1:25.000 o, per scopi specifici, persino 1:10.000, vale a dire un centimetro per ogni cento metri.
L'esercito tedesco, ritenendo che sulla sconfitta subita ad Arras nel 1914-1915 avesse pesato l'inadeguatezza delle proprie mappe, istituì un Kriegsvermessungswesen (corpo di rilevamento militare), incontrando però difficoltà nel reclutare il personale, in quanto la maggior parte dei dipendenti dell'Ufficio prussiano per il rilevamento ‒ che era un'organizzazione militare ‒ era partita per il fronte perché non più in grado di sostentarsi. Proprio l'Esercito che faceva della sua organizzazione un vanto non era preparato ad affrontare una guerra combattuta anche con l'impiego di mappe; poco a poco, tuttavia, tutti gli addetti al rilevamento in servizio e i geografi, i cartografi e i matematici disponibili furono coinvolti nell'impresa di rappresentare su mappa il campo di battaglia. La fotografia aerea, grazie al miglioramento delle tecniche di scatto e di decifrazione delle immagini, divenne un importante ausilio per l'aggiornamento del materiale cartografico: alla fine la Germania riuscì a disporre di mappe del fronte occidentale in scala 1:25.000. Gli inglesi non lo considerarono un gran risultato, perché le mappe sottratte alla Germania ‒ ed esibite quali trofei al cospetto della Royal Geographycal Society ‒ andavano bene esclusivamente per le aree situate dietro al fronte e, in particolare, erano ottime soltanto per la linea Hindenburg. Ci si chiede come sia possibile che i tedeschi, giustamente fieri della propria tecnologia e dei propri cartografi, fossero ancora tanto lontani dal loro obiettivo. Secondo "Nature" ciò era dovuto al fatto che lo Stato Maggiore tedesco non era organizzato per quanto riguardava l'aspetto scientifico.
Nell'inverno 1914-1915 i francesi e gli inglesi istituirono rispettivamente le Brigades du Service Géographique e i Field Survey Battalions, in modo analogo a quanto stavano facendo i tedeschi ma con il vantaggio di disporre dell'intera dotazione di mappe militari francesi basate su rilevamenti effettuati ai tempi della Rivoluzione e di buone carte inglesi del Belgio. Gli Alleati verificarono le triangolazioni delle vecchie mappe, aggiunsero nuovi riferimenti trigonometrici, annotarono nuove strade e villaggi e tennero aggiornate tali informazioni con la fotografia aerea. Questi presupposti permisero di realizzare mappe atte a individuare le postazioni strategiche con un errore di meno di 20 m su distanze di 15 km.
Localizzazione e determinazione della distanza
Un metodo ovvio per determinare la posizione di una bocca da fuoco consiste nell'osservare il bagliore dello sparo da due postazioni separate, delle quali siano note le coordinate geografiche, in modo tale da ricavare direzione e distanza per semplice triangolazione. Per questo alcune vedette appostate su mongolfiere ancorate al suolo scrutavano oltre le linee nemiche mediante telescopi e riferivano a terra le loro osservazioni con un telefono. Com'è evidente, un simile metodo perdeva ogni efficacia se le condizioni meteorologiche erano avverse, se si era in presenza di fumo denso o se le batterie nemiche erano nascoste oppure si trovavano molto distanti.
Il metodo sonoro per stabilire la posizione di un cannone consisteva invece nel rilevare il rumore dello sparo con numerosi microfoni connessi elettricamente tra loro. Era possibile infatti risalire alla direzione e alla distanza della bocca misurando il ritardo con cui il rumore raggiungeva microfoni differenti e conoscendo la velocità del suono alle condizioni locali: per ciascuna delle possibili coppie di microfoni, il cannone apparteneva a uno dei due rami dell'iperbole che aveva per fuochi i microfoni stessi; dai segnali che giungevano a due coppie di microfoni, il fonotelemetrista poteva ricavare la posizione del suo bersaglio come intersezione tra due iperboli.
Il sistema doveva distinguere tra il rumore del proietto in volo e l'onda di pressione proveniente dal pezzo che lo esplodeva, misurare in modo affidabile intervalli dell'ordine del centesimo di secondo, fornire rapidamente risultati utili e, in tutto ciò, resistere alla battaglia. A primeggiare nel campo erano i francesi, che nel settembre del 1914 avevano iniziato a sperimentare un metodo suggerito da Lucien Bull, professore dell'Observatoire di Parigi; tale metodo dopo molti adattamenti consentì di registrare elettricamente la risposta dei microfoni su una pellicola mobile o su carta e di distinguere il rumore del proietto da quello della bocca da fuoco. Metodi grafici ingegnosi contribuirono a ridurre, per chi ascoltava, le differenze temporali nella registrazione del rumore dello sparo. Un buon analista era in grado di dirigere con estrema precisione una batteria nell'arco di uno o due minuti dalla ricezione dei dati per l'individuazione acustica. L'errore principale nell'utilizzazione di questo metodo era rappresentato dall'incerta conoscenza delle temperature e delle correnti di vento prevalenti tra il cannone e gli strumenti; in ogni caso, misurazioni ripetute, relative a un'unica postazione, permettevano di determinarne la distanza, in condizioni di tempo sereno, tra meno di 20 m su 4 km.
Le prime unità entrarono in azione nel 1915; i fisici progettarono considerevoli miglioramenti nel corso del 1916 e, entro l'inverno tra il 1916 e il 1917, gli Alleati avevano disseminato lungo il fronte occidentale efficaci unità di fonotelemetristi, comandate da ufficiali molto versati in fisica e matematica. Dietro le linee, vennero attivate una scuola e persino un'accademia, nelle quali gli ufficiali potevano scambiarsi informazioni relative a quanto apprendevano sul campo; esistevano inoltre attrezzature sperimentali, con validi laboratori e personale destinati al perfezionamento del metodo. I fonotelemetristi, insieme ai cartografi, trasformarono la pratica dell'artiglieria: se inizialmente i grandi cannoni venivano puntati principalmente verso le trincee e le loro fortificazioni di filo spinato, dopo il punto di svolta di Cambrai (nel 1917) gli stessi cannoni cominciarono a scaricare i loro colpi senza spari di prova, gettando il nemico nello sgomento. Gli americani, che erano stati addestrati al sistema inglese grazie all'aiuto dei fisici Bragg e Charles G. Darwin (1887-1962), ottennero immediatamente successo nel distruggere i cannoni che i francesi non erano riusciti a localizzare.
Per quanto riguarda la Germania, a partire dal 1915 l'Artillerieprüfungskommission (Commissione per il controllo dell'artiglieria) aveva raggruppato alcuni tra i migliori fisici tedeschi per affrontare la questione della localizzazione sonora; Born, Landé, Max Wien, Rudolf Ladenburg, Erwin Madelung, Ferdinand Kurlbaum avevano progettato un sistema di oscillografi che visualizzavano e analizzavano i dati provenienti dai microfoni. Il Comando supremo, tuttavia, non si convinse a stanziare i fondi necessari per installare il sistema e, ancora nel 1918, le sentinelle tedesche, per misurare gli intervalli temporali necessari alla localizzazione acustica, usavano semplici cronometri. L'impossibilità di eliminare l'arbitrarietà nel modo di premere il pulsante per azionare il cronometro, sebbene questo compito fosse affidato a uomini scelti e addestrati per avere uguali tempi di reazione, rendeva il metodo non soltanto meno preciso rispetto alla registrazione elettrica ma anche molto più lento; gli americani arrivarono a stimare che ciò che essi erano in grado di fare in due minuti ai tedeschi avrebbe richiesto un'ora. Secondo il direttore del Kriegsvermessungswesen, l'istituto che si occupava della geodesia bellica, tale arretratezza era dovuta alla riluttanza, da parte degli ufficiali d'artiglieria, a tenersi aggiornati sul piano tecnico.
Il fronte meteorologico
A partire dal 1914 tutte le nazioni civilizzate disponevano di stazioni e di istituti centrali di meteorologia distribuiti capillarmente, connessi mediante telegrafi. Tra i sistemi nazionali vi era libera collaborazione, al punto che buona parte dei dati e delle immagini era ottenuta grazie a un'organizzazione sovranazionale. Nel settembre di quello stesso anno, tuttavia, il British Meteorological Office smise di divulgare informazioni sul tempo e in seguito, in conseguenza dell'attacco condotto con i gas a Ypres, interruppe le previsioni pubbliche; durante gli ultimi quattro mesi di guerra il governo britannico non permise di pubblicare sui quotidiani alcun accenno all'andamento meteorologico.
I tedeschi consideravano le previsioni del tempo talmente importanti per i propri scopi militari che, quando invasero il Belgio, portarono al seguito i meteorologi e sostituirono prontamente il personale locale presso l'Osservatorio di Liegi, assunsero il comando del Quartier Generale del servizio meteorologico belga a Bruxelles e ordinarono a una fabbrica di produrre l'idrogeno necessario a un pallone da usare per sondare le condizioni dell'alta atmosfera. In seguito elaborarono previsioni del tempo per il grande attacco su Anversa e per le incursioni aeree sulla Gran Bretagna.
Allo scoppio della guerra le forze armate francesi, nonostante gli sforzi intrapresi a partire dal 1911, non disponevano ancora di un proprio servizio meteorologico, né si trovavano in migliori condizioni gli Stati Uniti o il Regno Unito. L'andamento del conflitto mostrò nel 1915 quanto questa mancanza fosse controproducente: l'uso dei gas su Ypres, in condizioni di tempo inaspettatamente propizio, rese manifesto il vantaggio di conoscere in anticipo la direzione dei venti sopra il campo di battaglia. Gli inglesi e i francesi reagirono istituendo all'interno delle proprie forze armate corpi addetti alla meteorologia, nei quali fecero confluire esperti provenienti dalle università e dalle già esistenti agenzie civili; questo stesso personale fornì anche le informazioni necessarie a correggere le tabelle usate per il fuoco d'artiglieria.
Le informazioni che giungevano da palloni riempiti di idrogeno, dotati spesso di una strumentazione che registrava in modo automatico i dati, erano utilizzate nel bombardamento di precisione, nell'attacco con gas velenosi, nella difesa da quegli stessi gas e come guida per gli aviatori. Prima che la guerra finisse, dalle stazioni di campo erano inviati ogni quatto ore ai comandi dell'artiglieria alleata ragguagli su temperatura, densità e velocità dell'aria osservate a svariate altezze. Gli inglesi, che nel 1913 e nel 1914 avevano lanciato un numero talmente ridotto di palloni da non essersi nemmeno preoccupati di contarli, effettuarono oltre 13.000 lanci ogni mese nel 1918, e anche i meteorologi austriaci e tedeschi ottennero analoghe quantità di dati in modo simile.
L'interruzione nella trasmissione di informazioni costrinse i norvegesi, rimasti neutrali nel conflitto, a occuparsi di teoria piuttosto che di dati osservativi; mentre riflettevano sulle immense armate che si fronteggiavano lungo i territori del Belgio e della Francia, ebbero l'intuizione di uno scontro a livello globale tra masse d'aria polare ed equatoriale. Consapevole dell'analogia con la guerra che si combatteva a terra, un gruppo con a capo il fisico Vilhelm F.K. Bjerknes (1862-1951) elaborò il concetto e la definizione di 'fronte meteorologico'. Il comandante del servizio meteorologico della Marina francese, Jules Rouche, colse la stessa, inevitabile immagine: "Facendo ricorso a un'analogia con le circostanze attuali, la mappa sinottica [del tempo], che mostra come sono disposte le forze meteorologiche, è l'analogo di una mappa sulla quale sia riportata l'esatta posizione di forze nemiche".
Altri 'campi di battaglia'
Nei cieli
Nel 1914 le forze armate di Germania, Francia e Gran Bretagna disponevano complessivamente di meno di 500 aeroplani, utilizzati prevalentemente per l'addestramento. All'atto dell'armistizio invece la sola Gran Bretagna aveva 22.000 aerei e 290.000 uomini in servizio nell'aviazione. In conseguenza di una competizione di portata eccezionale, oltre che di uno scambio di informazioni, sia pure non intenzionale, dovuto alla cattura di aerei nemici equipaggiati con le più recenti invenzioni, i paesi belligeranti migliorarono le prestazioni del biplano del 1914, trasformandolo, entro il 1919, da apparecchio fragile, instabile e non affidabile in un mezzo robusto e sicuro. Nell'arco di tre anni, dal 1914 al 1917, la velocità media dei velivoli da caccia quasi raddoppiò, passando da 120 a 200 km/h, e le altezze che essi erano in grado di raggiungere divennero esattamente due volte quelle iniziali, da 3000 a 6000 m. L'urgenza di disporre di aeroplani migliori costrinse le forze belligeranti a investire risorse in ricerche di aerodinamica.
Il più importante teorico di dinamica del volo era, a livello mondiale, Ludwig Prandtl (1875-1953), direttore dell'Istituto di fisica tecnica all'Università di Gottinga. Egli aveva adattato ai problemi del volo le sue intuizioni in materia di flussi viscosi e di resistenza nei fluidi; aveva scoperto lo strato limite del flusso viscoso su una superficie aerodinamica, uno dei contributi più importanti in assoluto nel campo della termodinamica; aveva fatto costruire una galleria del vento per verificare le proprie ipotesi e concepito correzioni per rapportare i risultati ottenuti in laboratorio a quelli sul campo; aveva inoltre suscitato l'interesse di molti nuovi studenti. I finanziamenti di cui usufruiva e l'influenza da lui esercitata rimasero tuttavia limitati fino all'inizio della guerra, quando se ne riconobbe l'importanza strategica; nel 1917 la Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft inaugurò la Aerodynamische Versuchsanstalt affidandone la direzione a Prandtl, il quale affrontò questioni capitali come la resistenza indotta dai vortici che si distaccano dal profilo alare. Theodore von Kármán (1881-1963), il più brillante studente di Prandtl, durante la guerra fu a capo della divisione sperimentale del corpo aereo austroungarico e migliorò la potenza di fuoco e le protezioni degli aeroplani imperiali; il matematico Richard von Mises (1883-1953) prestò servizio nel medesimo corpo aereo, in qualità di istruttore del personale tecnico. Un altro degli studenti di Prandtl, Max Munk (1890-1986), si distinse talmente per le ricerche di aerodinamica rilevanti dal punto di vista militare che, immediatamente dopo la guerra, il Presidente degli Stati Uniti Woodrow Wilson emise una disposizione in base alla quale egli perdeva la qualifica di nemico che gli derivava dalla sua nazionalità d'origine e veniva nominato scienziato al servizio del governo americano.
Da parte alleata, nelle gallerie del vento create da Gustav Eiffel (1832-1923), sotto la sua torre agli Champs de Mars a Parigi, e da Leonard Bairstow (1880-1963) ‒ laureato presso il Royal College of Science a Londra e membro della Royal Society dal 1917 ‒ presso il National Physical Laboratory si effettuavano su modelli di aeromobili e superfici aerodinamiche test che influirono sulla progettazione di velivoli da guerra. Eiffel scoprì il notevole decremento della resistenza conseguente al passaggio dalla corrente laminare alla corrente turbolenta nello strato limite. Gli esperimenti di Bairstow sulle dimensioni e sulla posizione della coda, sulle forme delle ali e così via vennero tenuti in considerazione nella fase di progettazione di alcuni dei più importanti velivoli bellici britannici presso la Royal Aircraft Factory; essa, allo scopo di sviluppare ulteriormente tali progetti, assunse alcuni dei fisici più importanti della Gran Bretagna: Frederick Alexander Lindemann (il futuro lord Cherwell) assieme al suo principale antagonista Henry T. Tizard, Francis Aston, Geoffrey I. Taylor e George Paget Thomson. In Francia il duca Maurice de Broglie e il fratello, il principe Louis, e altri ancora tra futuri professori e premi Nobel, lavorarono al perfezionamento degli aerei e alle apparecchiature che essi avevano in dotazione.
Gli Stati Uniti istituirono un ente centralizzato, il National Advisory Council on Aeronautics, al quale, nel 1915, fu affidato il compito di coordinare la ricerca aeronautica e, dal 1920 in poi, anche quello di ottenere fondi federali. Una delle prime raccomandazioni che questa organizzazione fece all'aeronautica militare fu di smantellare i 55 aerei di cui era in possesso al momento dell'ingresso in guerra. Rimasto indietro rispetto ai suoi alleati, lo US Army Air Corps, l'aviazione statunitense, decise di adattare le cellule che già si erano dimostrate valide e di sfruttare piuttosto l'abilità degli ingegneri e scienziati statunitensi per la creazione di un nuovo gruppo motore. Il lavoro di adattamento comportò l'elaborazione di decine di migliaia di disegni tecnici, con lo scopo di ridurre l'impiego, in Europa ancora diffuso, di componenti realizzate manualmente o adattate a mano su misura, per adeguarsi ai metodi di produzione in serie americana. Molte parti venivano testate nelle gallerie del vento o sotto tensione statica controllata dalla supervisione del professor Alexander Klemin, laureato del Massachussets Institute of Technology (MIT). Il contributo americano più significativo all'aeronautica della fase bellica fu il famoso motore Liberty a 12 cilindri.
Queste iniziative contribuirono in misura rilevante alla trasformazione degli aeroplani da velivoli prodotti in maniera casalinga a macchine progettate correttamente. Benché la sua forza effettiva non fosse percepita prima della fine del conflitto, la potenza americana in termini di uomini e di equipaggiamento era tutt'altro che irrisoria: essa era costituita da oltre 10.000 aerei, 16.000 motori, 8600 piloti, con 200.000 effettivi nell'Aviazione.
Attraverso l'etere
Gli eserciti e le marine delle potenze belligeranti, non adeguatamente attrezzati per la battaglia nei cieli, erano altrettanto scarsamente preparati per lo scontro attraverso l'etere; tuttavia, come l'aeroplano, nel 1914 la radio aveva raggiunto uno stadio di sviluppo tale da renderne possibile un miglioramento assai rapido, non appena se ne comprese l'importanza strategica. A testimonianza della situazione immediatamente precedente la guerra si possono considerare le due diverse scelte di fronte alle quali si trovò la Marina statunitense nel 1913, quando decise di inaugurare un sistema privo di cavi per comunicare a grande distanza. Una possibilità era basata sulla rapida ripetizione di scintille che, sebbene generasse una scomoda banda larga, si era dimostrata affidabile su distanze di circa 1000 miglia. L'altra possibile scelta sfruttava una scarica periodica ad arco in un vuoto parziale e forniva una banda più stretta, ma ricorreva a una tecnologia meno familiare. In seguito a prove in mare, la preferenza ricadde su questa seconda opzione e la Marina ordinò una serie di impianti ad arco, che andavano dai 30 kV usati in prova a unità di 500 kV, non ancora collaudate, per le basi costiere.
Nel 1918 la Marina ordinò quattro generatori di arco da 1000 kW ognuno, con i quali collegare Washington e Bordeaux; dal lato francese l'antenna si sarebbe estesa per 48.000 m2 e avrebbe poggiato su otto supporti, ciascuno alto quasi quanto la torre Eiffel. La guerra terminò prima che le torri fossero ultimate, tuttavia il governo francese decise di proseguire nella costruzione della cosiddetta 'stazione Lafayette' e la Marina degli Stati Uniti accelerò i tempi per evitare (come riferiscono i rapporti ufficiali) che i suoi uomini cedessero al vino buono e alle cattive donne di Bordeaux. Quando l'apparato entrò in funzione nel dicembre del 1919, a San Francisco fu ricevuto un segnale da quattro a otto volte più potente che dagli altri principali trasmettitori europei. Dei due rimanenti convertitori ad arco che rimasero ad arrugginire in un deposito, nel 1931 uno fu consegnato a Ernest O. Lawrence, che lo riconvertì in una delle più singolari eredità della Grande guerra: il ciclotrone da 27 pollici di Berkeley.
Il sistema ad arco e il generatore di scintille erano tecnologie ormai superate quando la Marina degli Stati Uniti scelse tra le due. Nel 1912, infatti, fisici e ingegneri elettrici avevano compreso che il triodo inventato nel 1904 da Lee De Forest (1873-1961), che aveva trovato applicazione quale amplificatore in ricevitori senza fili, poteva essere utilizzato per produrre un'onda costante a frequenze radio e, come si ebbe occasione di verificare, con elevata potenza; al contempo, i Bell Laboratories perfezionavano l'uso di quel medesimo tipo di valvole come amplificatori nella telegrafia a grande distanza. La prima linea telefonica transcontinentale fu completata nel 1915. Le esigenze militari accrebbero enormemente la domanda di valvole resistenti, da usare nella telefonia e nelle trasmissioni radio: gli Stati Uniti, che prima di entrare in guerra producevano 400 valvole ogni settimana, arrivarono a produrne 80.000 a settimana nel 1919; per aiutare a installarle e 'schierarle' per la guerra, i Bell Laboratories inviarono in Europa 4500 tecnici e ingegneri, suddivisi in quattordici battaglioni. I tedeschi si adeguarono: nel 1914 il loro esercito aveva, in totale, nelle unità di telecomunicazioni 6350 uomini che, alla fine della guerra, erano diventati 190.000.
Nel corso del conflitto i fisici e gli ingegneri si sforzarono di produrre radio aviotrasportabili che si dimostrassero affidabili, perché la ricognizione aerea era fortemente penalizzata dall'impossibilità di trasmettere in modo rapido ed efficace le informazioni a terra o verso un velivolo amico; in mancanza della radio, un pilota che avesse scoperto una batteria nemica era costretto a segnalarne la posizione mediante specchi o fumo e piloti appartenenti a un medesimo squadrone non potevano comunicare tra loro durante il volo. Prima della fine di ottobre del 1914 i francesi avevano equipaggiato alcuni aerei con piccole unità a scintilla alimentate a batteria, ma il frastuono del motore, per non parlare delle loro notevoli dimensioni e del pericolo di incendi causati dalle scintille, ne limitarono l'efficacia. Ad alcuni di questi punti deboli si ovviò gradualmente, migliorando la qualità dei magneti, delle protezioni e del casco all'interno dell'aereo e, a terra, quella del ricevitore. Maurice de Broglie, Henri Abraham, Léon Brillouin, Eugène Bloch e altri fisici ancora contribuirono alla soluzione, lavorando al Laboratoire de Radiotélégraphie Militaire diretto da Gustav-Auguste Ferrié; oscillatori con tubi a vuoto furono installati dagli inglesi su alcuni bombardieri verso la fine del 1915, ma la mancanza di valvole adeguate ne ostacolò lo sviluppo e l'impiego in battaglia; gli americani fecero invece della radiotelefonia aviotrasportata e della produzione di valvole su larga scala una priorità assoluta, tanto che all'armistizio disponevano di efficienti impianti a due vie per la comunicazione tra aerei e tra aereo e terra. L'ufficiale in capo per le telecomunicazioni dell'esercito degli Stati Uniti giudicava la radiotelefonia aviotrasportata una tra le più spettacolari novità applicative introdotte nel corso dell'intera guerra ‒ ed era effettivamente così ‒ di inestimabile valore industriale e scientifico.
In mare
Il blocco alleato ebbe l'effetto di rafforzare nelle forze armate tedesche i sostenitori della guerra totale, dell'impiego di gas velenosi e della necessità di silurare qualsiasi nave in alto mare. Questa politica comportava il rischio, poi concretizzatosi, di trascinare nel conflitto gli Stati Uniti. I tedeschi, travolti dall'entusiasmo per i propri sottomarini, arrivarono a prospettare che, se fossero riusciti ad affondare mezzi navali alleati al ritmo di 600.000 t di stazza al mese, nell'arco di sei mesi avrebbero potuto costringere la Gran Bretagna alla resa. La quota preventivata fu raggiunta ma non bastò allo scopo: a perdite per 3,9 milioni di t in sei mesi supplirono infatti i cantieri navali degli Stati Uniti e la confisca e il sequestro di altre navi; gli affondamenti comunque continuarono e altri 4,5 milioni di t colarono a picco prima della fine del conflitto. Gli Alleati elaborarono un programma accelerato che consentisse loro di arrivare a individuare la presenza di sottomarini in immersione e un'apposita delegazione, composta dai più importanti scienziati, tenne aggiornati gli Stati Uniti sui progressi ottenuti fino al maggio del 1917 da francesi e inglesi (e su molti nuovi strumenti di guerra).
Alla guida del contingente inglese era Ernest Rutherford (1871-1937) che per due anni circa aveva svolto ‒ in cisterne che aveva fatto disporre nei sotterranei del suo laboratorio a Manchester ‒ ricerche sulla trasmissione del suono in acqua; quando l'attività di ricerca fu trasferita in una base della Marina, a curarsi dell'aspetto scientifico fu William Henry Bragg (1862-1942). Il metodo che svilupparono consisteva semplicemente nell'accrescere le capacità uditive dell'uomo mediante 'idrofoni', allo scopo di percepire i suoni in mare. Una nave pattuglia trasportava oppure rimorchiava due idrofoni, posti simmetricamente sui due lati della chiglia e collegati, mediante tubi riempiti d'aria, alle orecchie dell'ascoltatore; quest'ultimo, per riconoscere la direzione di provenienza, ruotava gli idrofoni fino a quando giudicava che il suono sottomarino giungesse con uguale intensità a entrambe le orecchie: la sorgente del rumore era lungo la perpendicolare al segmento che univa i due idrofoni stessi. Rutherford e i suoi colleghi dovettero però affrontare numerosi problemi pratici prima che questo sistema diventasse operativo, soprattutto riguardo alla progettazione delle varie parti, in modo tale che i suoni sottomarini deboli fossero amplificati e, allo stesso tempo, non si captassero i rumori provenienti dalle parti meccaniche della stessa nave pattuglia.
Un sistema attivo di rilevamento ‒ consistente nell'inviare onde sonore e verificarne l'eventuale riflessione da parte dell'oggetto cercato ‒ era di gran lunga preferibile; esso funzionava anche quando il nemico non emetteva rumori e sfruttava una frequenza speciale che si distingueva dalle vibrazioni della nave che conduceva le ricerche. Solamente suoni di frequenza elevatissima, ben al di sopra della soglia di udibilità, potevano propagarsi in acqua senza perdere eccessiva energia. Paul Langevin (1872-1946) e numerosi fisici francesi avevano iniziato a sviluppare un sistema di rilevamento attivo che sfruttava un 'ultrasuono', usando come generatore un dispositivo il cui funzionamento si basava sull'effetto piezoelettrico. Sia i fisici francesi, sia quelli del gruppo che lavorava con Rutherford, sia i loro colleghi statunitensi tentarono di realizzare un sistema di rilevamento attivo basato sugli ultrasuoni, ma un apparato che fosse sufficientemente pratico arrivò troppo tardi per trovare impiego nel corso della guerra. In seguito esso sarebbe divenuto la base di sviluppo per il sonar, uno strumento che è tornato utile in tempo di pace per individuare iceberg e depositi di petrolio.
Un commentatore dell'epoca sostenne che la guerra aveva accelerato l'applicazione della scienza a uso dell'uomo di 50 o 100 anni. In seguito alla smobilitazione, le industrie civili poterono contare su manodopera specializzata nel funzionamento e nella manutenzione di impianti elettrici di potenza, di motori a combustione interna, di aeroplani, di telefoni e dispositivi senza fili, in quantità assai maggiore di quanta se ne sarebbe potuta addestrare in tempo di pace. Un esempio tratto da uno dei teatri di guerra più ristretti rende forse l'idea della portata del fenomeno. Nel giugno del 1917 l'unità dell'esercito austroungarico addetta alle tecnologie elettriche contava almeno 12.000 tra ufficiali e soldati; il numero era superiore a quello di tutti coloro che nei precedenti dieci anni si erano laureati in fisica o in ingegneria elettrica oppure diplomati come tecnici in tutte le università e gli istituti superiori dell'Austria e dell'Ungheria.
I dispositivi e la forza lavoro lasciati in eredità dai fisici che avevano partecipato alla guerra furono riconvertiti con grande sollecitudine a usi civili: all'inizio del 1920 personale esperto in apparati elettrici di alto potenziale lavorava per dotare di alimentazione elettrica le ferrovie dell'Europa e degli Stati Uniti; i miglioramenti delle tecniche di comunicazione senza fili furono sfruttati per le trasmissioni radiofoniche; i bombardieri con i loro piloti furono destinati in tempi brevi a voli passeggeri e postali; le compagnie aeree di Europa e Stati Uniti, del tutto inesistenti prima del 1914, durante il 1924 percorsero con i loro aerei gli oltre 10 milioni di km programmati, l'equivalente di quindici viaggi di andata e ritorno per la Luna.