Cerchi, cerchie e Pi Day

Il 14 marzo (3/14 nel calendario anglosassone) è Pi Day, la giornata mondiale del pi greco. Durante questa buffa festività, i nerd della scienza di tutto il mondo fanno operazioni inutilmente complicate e mangiano torte (in inglese, si legge “pài” sia il numero che pie, torta) per festeggiare che il rapporto tra circonferenza e diametro di ogni cerchio è 3.14152653… Da fuori può lasciare disorientati, ma è un po’ quello il punto.

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Banchi di robot seguono la corrente e svelano i misteri dell’oceano

Il 70% della superficie terrestre è coperta dagli oceani. Eppure, rimangono un mistero: abbiamo mappe più dettagliate della superficie di altri pianeti che del fondo del mare, e sappiamo ancora meno dei meccanismi in moto nell’intricato sistema oceanico.

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Il suono del silenzio

Pensate al posto più silenzioso dove siate mai stati. Ora pensate ad uno ancora più silenzioso. Che rumore fa? Difficile da immaginare, ma fortunatamente la fisica ci può aiutare, ma dobbiamo iniziare da come funziona il suono.

Altoparlanti, corde vocali e strumenti funzionano tutti con lo stesso principio: spingere e tirare l’aria ritmicamente. Le molecole di aria, poi, spingono e tirano le loro vicine, che spingono sulle loro vicine, e così via. L’aria quindi si stira in alcuni punti e si comprime in altri, creando un’onda di pressione. Così nasce un’onda sonora.

Molecules of air

Molecole d’aria che se ne stanno buone, in realtà, si muovono un sacco. CC-BY-SA Greg L, via Commons

Ma se non c’è nulla a muovere l’aria e produrre i suoni? Che rumore fa il silenzio? Esiste o è come chiedersi il colore di una cosa invisibile?

Le molecole d’aria si scontrano tra loro e vibrano di continuo. Semplicemente perché ha una temperatura, l’aria crea per forza microscopiche variazioni di pressione qua e là. Anche il posto più desolato, remoto e tranquillo ha un suono: il suono del silenzio.

Queste collisioni tra molecole sono piuttosto casuali ed indipendenti tra loro. Il suono che producono—il silenzio—è rumore bianco, quello che alcuni usano per rilassarsi o concentrarsi.

L’intensità del silenzio dipende da che finestra di frequenze consideriamo: più è sottile, meno tipi di scontri tra molecole troviamo, e più silenzioso apparirà il silenzio.

Secondo alcuni calcoli, nella fascia in cui gli umani sono più sensibili (attorno all’altezza della nostra voce), l’aria che se ne sta lì fa -20 decibel di rumore. Piuttosto silenzioso. Troppo per noi: è appena udibile per un gufo, un predatore super-specializzato nel silenzio, con un orecchio grande letteralmente quanto la sua faccia.

That big circle around an owl's face funnels sound: it's basically a giant ear. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

La faccia del gufo convoglia tutto il suono dall’ambiente: in pratica è un gigantesco orecchio. CC-BY-NC-ND Brian Scott/flickr

Se, invece, consideriamo tutta la gamma dell’udito umano, il silenzio si fa molto più rumoroso: circa 0 decibel, che è anche più o meno l’intensità più bassa che possiamo percepire, è circa 3 volte più flebile del rumore di un respiro..

Perciò, il nostro udito può gestire qualcosa appena appena più di silenzio totale, tanto quanto una conversazione—mille volte più rumorosa. Suona bene.

Per saperne di più
  • Come fanno 60 decibel ad essere mille volte più di zero? è che i decibel sono un po’ strani: qui c’è un riassunto di questa ed altre particolarità
  • Che vuol dire “rumore bianco”? Può essere di altri colori?
  • Secondo alcuni il silenzio totale rende pazzi. Agli scienziati non basta sentirlo dire. Devono provarci.

 

Foto copertina: CC0 Sam Halstead, via pixabay.

Che diavolo è la fMRI?

Alcune parti del cervello si “accendono” quando proviamo certe emozioni, quando ascoltiamo la musica, o quando risolviamo problemi matematici. Vi sarà sicuramente capitato di imbattervi in notizie simili, visto quanto spesso finiscono sulla stampa. La tecnica che si usa per questi studi (e in tantissimi altri di neuroscienze) si chiama risonanza magnetica funzionale, o fMRI (functional Magnetic Resonance Imaging), che è una gran figata, ma sembra anche avere qualche problema. Prossimamente se ne sentirà parlare abbastanza, quindi vale la pena di capire cos’è.

Una macchina per la risonanza magnetica. CC-BY-NC Penn State, via Flickr.

Cominciamo dalle basi. La risonanza magnetica (quella che ci fanno se ci facciamo male al ginocchio, per capirci) sfrutta campi magnetici e la risonanza, cioè reazioni inusuali di un oggetto o materiale ad uno stimolo di una particolare frequenza.

Il classico esempio è spingere qualcuno su un’altalena: spingendo ogni volta che l’altalena arriva a fine corsa, la facciamo più in alto che spingendo in momenti a caso. Semplificando (molto), la risonanza magnetica usa onde radio per spingere atomi di idrogeno, che abbondano in tessuti ricchi di acqua o grasso, tipo il cervello.

I nuclei di idrogeno hanno spin, una proprietà che li fa reagire ai campi magnetici come una bussola. La macchina per la risonanza magnetica applica un forte campo magnetico, allineando gli spin degli atomi, che poi colpisce brevemente con un’onda radio. Se la sua frequenza è quella giusta (chiamata frequenza di risonanza), l’onda rovescia lo spin di alcuni atomi (non gli atomi stessi però!).

Appena l’impulso termina, tutto torna com’era e gli atomi rilasciano un po’ di energia. Registrando queste emissioni con un’antenna si possono distinguere tessuti con diverse quantità d’acqua, ad esempio, diverse parti del cervello, generandone un'immagine.

Schema semplificato del funzionamento della risonanza magnetica. Gli atomi (palline rosse) si allineano al campo magnetico verde, finché l’onda elettromagnetica viola non li investe, rovesciando i poli di alcuni. Appena possono, gli atomi tornano al loro stato iniziale e rilasciano l’energia, che viene registrata dall’antenna blu. Credit: howequipmentworks.com

Per la fMRI si registrano velocemente tantissime di queste immagini. Analizzandole tutte è possibile capire quali parti del cervello sono più attive in ogni momento perché sono quelle dove viene indirizzato più sangue ossigenato, che reagisce alla risonanza in modo leggermente diverso da quello che sta lasciando il cervello.

L’operazione, francamente geniale, richiede un sacco di analisi statistica. Secondo alcuni studi recenti, servirebbe molta cautela e un intenso scrutinio dei software che fanno questa parte del lavoro. In uno studio, ad esempio, un salmone morto sembrava reagire quando gli venivano mostrate foto di persone.

Non vuol dire che la tecnica non sia valida, ma solo che bisogna stare attenti a cosa succede. Questi studi sono importantissimi per la ricerca, perché ci fanno identificare problemi ed errori.

Solo così possiamo essere sicuri di quello che stiamo facendo e di sfruttare appieno i risultati di tecniche spettacolari come la fMRI.

Per saperne di più

 

Foto copertina: SumaLateral Whole Brain Image, CC-BY NIH Image Gallery, via Flickr. Some rights reserved.

Come fa la luce ad arrivare subito alla velocità della luce?

Qualche tempo fa mi sono imbattuto in questa bella domanda su Quora: quando la luce viene emessa, come fa a raggiungere la sua fenomenale velocità? Accelera da 0 a 300mila chilometri al secondo? E quanto ci mette?

Siamo abituati a pensare che la luce sia uno sciame di fotoni, delle specie di microscopiche palline luminose. Se accendiamo una lampadina, succede qualcosa al suo interno che le fa sparare fuori miriadi di questi corpuscoli. Logica vuole che, partendo da una lampadina (solitamente) ferma, i fotoni debbano accelerare per arrivare alla velocità della luce.

I fotoni si comportano sia come particelle che come onde. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore, via phys.org

Però non è così: la luce viaggia sempre alla stessa velocità. Sempre. Il motivo è che, anche se si comporta come se fosse fatta di palline, la luce è anche un’onda (non per niente, spesso parliamo di lunghezze d’onda della luce), è una perturbazione del campo elettromagnetico. Come tale, può nascere già in viaggio ad una certa velocità.

Allo stesso modo, quando qualcosa cade nell’acqua, le increspature che crea sulla superficie nascono già in movimento, tutte alla stessa velocità, che è una caratteristica propria dell’acqua.
Lanciando un sasso in uno stagno di olio, alcool o catrame otterremmo onde di velocità diverse.

La luce è un’increspatura nello “stagno” elettromagnetico. La sua velocità è quella caratteristica dello spazio-tempo, ovvero la velocità della luce. Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo stesso, e si spostano alla stessa velocità.

Il suo valore ci dice qualcosa di molto importante sul nostro universo, sulla sua struttura più intima, qualcosa di molto più profondo della semplice velocità a cui si spostano i fotoni.

Per una volta, la luce non ha niente di speciale, o almeno non più speciale di altre onde.

 

Foto copertina: accelerate, CC-BY Marcus Pink, via Flickr. Some rights reserved.

Cosa hanno in comune le chitarre e il cervello?

La forma delle chitarre non è solo estetica: serve a darle il suo suono. E ci aiuta a capire come funziona il nostro cervello.

Pizzicando la corda di una chitarra, tutta la sua lunghezza viene attraversata da una vibrazione, un fremito. Da una parte, questa vibrazione va a sbattere contro la fine della corda, dall’altra con il dito del chitarrista. In entrambi i casi, rimbalza e torna indietro, andando a scontrarsi con quella che viene dall’altra parte.

Appena si scontrano, le vibrazioni fanno interferenza, e siccome viaggiano molto veloci lungo la corda, presto si stabilizzano in un’onda.

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Vibrazioni rimbalzano sul bordo di una corda immaginaria e interferiscono, creando un’onda stazionaria. CC-BY-SA Davidjessop via Commons.

Però questa non è un’onda qualsiasi: la lunghezza del tratto di corda che percorre tra un rimbalzo e l’altro (insieme ad altre cose) le lascia prendere solo alcune frequenze particolari. In particolare, quelle che fanno sì che sembri stare ferma in un posto (e perciò si chiamano onde stazionarie).

Una delle onde stazionarie nel corpo di una chitarra. Credit: Cardiff University

Anche il corpo riceve la vibrazione, e si comporta una specie di grande (e più complicata) corda: la vibrazione gli viaggia attraverso, rimbalza ai bordi e crea un’onda stazionaria.

La combinazione di queste onde è la nota che sentiamo. E tutto questo succede per ogni singola nota che viene suonata.

La forma del corpo, quindi, determina parte del suono.

Stando ad uno studio recente, il nostro cervello fa qualcosa di molto simile: anche a riposo, i neuroni sono sempre impegnati a mandarsi impulsi elettrici, che ci rimbalzano avanti e indietro in testa. Secondo gli scienziati, la geometria della rete dei neuroni fa sì che tra questi segnali si creino interferenze. Così, alcune frequenze vengono “scelte”, mentre le altre vengono smorzate proprio come in una chitarra.

Ognuno ha in testa un raffinato strumento con una voce unica. Che suono ha il vostro?

 

Foto copertina: Live at the O2, Dublin Mark Knopfler, CC-BY-NC-ND Sean Rowe, via Flickr. Some rights reserved.

4 cose fondamentali sulle onde gravitazionali

Il team dell’osservatorio LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) ha annunciato di aver misurato direttamente le onde gravitazionali emesse dall’unione di due buchi neri. Ma di che parlano? Ecco le risposte alle 4 domande più comuni (più 2 bonus, se vi sentite preparati).

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