Malattie idee ed evoluzione

Capita a tutti di ammalarsi. E quando succede, c’è una certa probabilità di trasmettere la nostra malattia agli altri, che poi la trasmetteranno ad altri ancora e così via. Finché non passa l’ondata.

CC-BY Tina Franklin/flickr

Si può descrivere matematicamente come la malattia si diffonde. Per esempio, possiamo scoprire quanto contagioso deve essere un virus perché diventi una vera epidemia, o quali categorie di persone hanno più probabilità di venirci a contatto. O come l’ondata di ammalati spazzerà la popolazione.

Anche i computer spargono virus: qualcuno apre stupidamente un allegato e il loro computer si infetta. Il virus si replica e inizia a tempestare tutti i suoi contatti con email infette per diffondersi. Ma i computer spargono anche un altro tipo di infezione: idee.

Tutti quanti vediamo post e notizie sui social. Qualche volta, poi, condividiamo quello che abbiamo visto coi nostri amici, che potrebbero condividerlo coi loro e così via. Se si diffonde abbastanza, poi, quel puccioso video di gattini che abbiamo condiviso diventa… beh… virale.

Lo stesso modello matematico che descrive genericamente come si diffondono i germi nella rete dei nostri conoscenti lo si può usare pure su reti di computer o i social network. L’idea è esattamente la stessa.

C’è anche un’altra cosa che possiamo diffondere nella nostra popolazione: i nostri geni. Come le malattie e le bufale, anche i geni si spargono (col passare delle generazioni), in continua competizione per accaparrarsi le limitate risorse a disposizione. E come i geni, anche i post accattivanti e i virus mutano ed evolvono, cercando il modo più veloce di moltiplicarsi. Qualunque esso sia.

Prima della follia di PenPineappleApplePen, del Rickrolling, e di Doge—in realtà, molto prima di internet proprio—il famoso biologo Richard Dawkins coniò il termine meme. Descrive proprio quello che sono i memi su internet: “un’unità di imitazione culturale“, un elemento concettuale che si replica e diffonde nella popolazione, come fa un gene.

Sebbene le idee di base sulla diffusione di malattie e idee siano molto vecchi, il mondo reale è—come al solito— più complicato. Perciò matematici e fisici lavorano sodo per trovare descrizioni migliori e più realistiche, con cui difenderci meglio dall’influenza… ma anche dalle bufale.

Per saperne di più
  • Un team italiano ha pubblicato di recente un esempio di queste descrizioni più realistiche: una descrizione efficiente di virus e memi all’interno di intricate popolazioni.
  • Un articolo di uno scrittore un po’ nerd sulle epidemie non può dirsi completo se non si nomina almeno una volta Pandemia
  • Un paio d’anni fa, CGP Grey ha descritto piuttosto in dettaglio come i memi si evolvono su internet

 

Cover photo: CC0 Myriam/pixabay.com

Tutta la fisica è sbagliata!

La Meccanica Quantistica ha torto. La Relatività Generale ha torto. Il Modello Standard della fisica delle particelle ha torto, torto, torto!

Tutta la fisica (diamine, la scienza in generale!) è sbagliata—un po’. E gli scienziati lo sanno! Ma niente panico: la scienza deve avere torto. Perché non cerca la Verità, piuttosto spiega quello che vediamo meglio che si può.

Potrebbero esserci cose nuove che non avevamo visto, o spiegazioni migliori per quelle che conoscevamo già.

Newton pensava che la gravità fosse una forza tra due oggetti con massa. Ci sta. A dirla tutta, è una spiegazione buona abbastanza per arrivare sulla Luna. Di certo non aveva mai pensato che la massa deformasse lo spaziotempo. Ma d’altra parte non aveva mai visto la gravità piegare la luce (anche se non ha massa) o cambiare lo scorrere del tempo. Einstein, con la sua Relatività Generale spiegava tutto, comprese queste cose, senza neanche averle osservate!

Si possono descrivere perfettamente le orbite di tutti i pianeti anche tenendo la Terra al centro. Però è complicato, e più sbagliato che farlo con la gravità di Newton. credit: wikimedia

Difatti una buona teoria deve prevedere fenomeni nuovi, mai visti prima. Prima di Newton, gli astronomi pensavano che stelle e pianeti si muovessero lungo cerchi attorno a cerchi, eccetera. Se qualcosa non funzionava, nessun problema: si aggiungeva un cerchio. Questo sistema descriveva ottimamente tutto, ma non poteva predire nulla. Le leggi di Newton, invece, ci hanno detto dove cercare Nettuno. Ed era là.

Se una previsione si rivela sbagliata, gli scienziati cercano una teoria che spieghi i nuovi dati, fanno nuove previsioni e il ciclo ricomincia.

Prima o poi arriverà qualcosa che darà definitivamente torto alla Relatività Generale. Se chiedete a me, credo che la materia oscura sia un buon campo di battaglia. Per avere ragione, ad Einstein serve che l’universo sia pieno di una sostanza invisibile e intoccabile. Gli sfidanti si stanno già facendo avanti.

Di cos’è fatto l’universo (secondo le nostre teorie): il 95% è materia o energia “oscura” (un modo figo per dire che non abbiamo idea di cosa sia). credit:nasa.gov

Come la Relatività, anche tutte le altre teorie cadranno. Nessuna teoria è perfetta, ma tutte quelle accettate sono meglio delle precedenti. In qualunque momento della storia (almeno da quando abbiamo il metodo scientifico), i dati di fatto scientifici sono le migliori spiegazioni del mondo che abbiamo mai avuto. E vale anche per le teorie attuali.

Tenere una mente aperta è importante, ma è anche importante tenere a mente perché i dati di fatto sono tali e il lungo viaggio che hanno affrontato per diventarlo. Ad aprire troppo la mente, si rischia di far cascare fuori il cervello.

Per saperne di più
  • Si possono scrivere libri interi sulle cose che non sappiamo ancora spiegare. Come ha fatto Jorge Cham.
  • Volete una spiegazione dettagliatissima di cosa funziona e cosa no riguardo alla materia oscura? C’è PBS Spacetime:

 

Foto copertina: Facepalm, CC-BY Brandon Grasley/flickr

Il mondo allo specchio dell’antimateria

Qua e là in libri, film o fumetti ogni tanto spunta la misteriosa antimateria. Spesso, si sta sul vago riguardo cosa sia e cosa faccia, rendendola la versione “scientificosa” della magia.

Una creatura di “antimateria” spunta in un vecchio episodio di Doctor Who. credit: doctorwhofromthestart.wordpress.com

Ma l’antimateria esiste: la conosciamo così bene da sfruttarla anche in medicina. La sua scoperta è uno dei più grandi successi della fisica teorica. Allo stesso tempo, però, ci ha creato un bel grattacapo.

Tra gli anni Venti e Trenta, i fisici cercavano di mettere d'accordo la Relatività Speciale e la Meccanica Quantistica. L’unico modo per farle funzionare era introdurre una nuova, strana materia, uguale alla materia normale, ma al contrario. Erano come due persone allo specchio. Sono uguali e si muovono allo stesso modo, ma se una alza la mano sinistra, l’altra alza la destra. In termini di particelle, se una ha carica positiva, o spin in su, o altro, l’altra ha carica negativa, o spin in giù, o comunque tutto all’opposto. Era più del riflesso della materia, era quasi il suo gemello malvagio: la chiamarono antimateria.

credit: a113animation.com

Il nome viene da dove pensate che venga: dall’essere il contrario della materia. Come tutti gli opposti, quando materia ed antimateria si incontrano, si annullano. Spariscono in un istante, trasformandosi in pura energia—un processo chiamato annichilazione.

L’antimateria non era solo un trucco matematico: ben presto gli scienziati avvistarono le prime antiparticelle. Trovare l’antimateria fu un successo senza precedenti: la teoria aveva tracciato la via per scoprire un universo mai visto.

Ma perché era rimasto invisibile? Perché l’universo è di materia? Perché esiste? Non avrebbe dovuto annichilarsi* con un anti-universo uguale e contrario? Le leggi fisiche sono diversa per l’antimateria?

L’esperimento Alpha al CERN prova a rispondere almeno a quest’ultima domanda. Dopo essere riusciti a creare ed isolare degli atomi di anti-idrogeno—con anti-protoni, anti-elettroni e tutto—gli scienziati li hanno stimolati con luce laser. La reazione che hanno visto dall’anti-idrogeno è esattamente uguale a quella che conosciamo per l’idrogeno. Le leggi sembrano uguali anche per l’anti-materia.

Probabilmente siamo tutti di materia perché, dopo il Big Bang, ce n’era giusto un pochino di più. Da dove venga il microscopico equilibrio che ha regalato l’universo alla materia resta ancora uno dei più grandi misteri della scienza.

Una rappresentazione dello squilibrio materia-antimateria al Deutsches Museum di Monaco (Germania). La tanica di sabbia nera rappresenta l’antimateria all’origine dell’universo, quella bianca la materia—sono alte circa un metro, quella bianca contiene un singolo granello in più. credit: scilogs.spektrum.de

 

*Suona strano, ma quello è il verbo: materia e antimateria si annichilano.

Foto copertina: CC0 Julia Schwab/pixabay

Bastano due equazioni per andare sulla Luna

“Andare sulla Luna sembrerà difficile ( credo ne abbia parlato qualcuno), ma in realtà tutto quel che serve sono due semplici regole. Entrambe scoperte dal famoso fisico e stronzo Isaac Newton, che compirà gli anni durante le vacanze… ad un certo punto.

Che bell’omino festivo! credit: csamuel.org

La prima regola è la maestosa a=F/m (probabilmente meglio nota come F=ma). Vuol semplicemente dire che, dividendo l’intensità di una forza (F) che spinge su un oggetto per la massa (m) dell’oggetto, si ottiene di quanto lo si accelera (a). È una formula che vale per tutto, ma in particolare ci dirà come si muove il nostro razzo, quindi è abbastanza importante per il nostro viaggio.

A proposito di razzi, questa formula sta dietro a come i razzi si muovono. La propulsione a razzo, infatti, si basa su quella strana faccenda della “reazione uguale e contraria”, che probabilmente avete sentito.

Se gonfiate un palloncino e lo lasciate andare, vola via facendo un rumore buffo perché l’aria all’interno viene spinta fuori dalla pressione. Però, se consideriamo il palloncino e l’aria assieme, non ci sono nuove forze che iniziano ad agire quando lasciamo la presa. Insomma F=0. Siccome il palloncino spinge l’aria fuori, dev’esserci una forza altrettanto intensa (uguale) che spinge dall’altra parte (contraria) che spinge dall’aria al palloncino. I razzi funzionano uguale, solo che hanno un sacco di tecnologia figa per farlo in maniera più efficiente.

CC-BY-ND mfrascella/flickr

L’altra equazione che Newton ci regala per il viaggio è quella per calcolare la forza di gravità. Che è stato un colpo di genio totale. Ed è abbastanza importante per noi, perché la gravità è il grosso della forza che ci troveremo davanti nello spazio. Quella della Terra, che ancora il razzo al suolo o lo strattona giù dal cielo, e quella della Luna che lo tira a destinazione. Conoscendo come funziona la gravità possiamo iniziare a tracciare la nostra rotta.

Facile no?

Mica tanto: gli astronauti—piloti di caccia con diplomi da ingegneri!—devono seguire corsi apposta per imparare a pilotare le navette spaziali. Prima ancora di arrivare a quello, dovremo costruire la navetta. Dovrà avere abbastanza spinta da sfuggire alla Terra, ma essere abbastanza solida da non esplodere mentre lo fa, e riportarci indietro tutti interi e non abbrustoliti.

Per questo Newton non è andato nello spazio.

Il cuore dei viaggi spaziali è comunque nelle sue equazioni. Tutta la ricerca di tutte quelle persone intelligentissime nelle agenzie spaziali: è tutta per migliorare come usiamo queste due semplici regole.

Grazie e buon compleanno, genio insopportabile!

E buon Natale a tutti!
Per saperne di più
  •  Se vi capita, guardatevi il terzo episodio di Cosmos: non avete sentito spiegare il lavoro di Newton sulla gravità se non ve l’ha raccontato Neil deGrasse Tyson.
  • Se vogliamo andare più lontano, invece, serve ben altro
  • La tecologia spaziale potrebbe non aver più bisogno di Newton tra un po’. Ma è tutto ancora molto vago, e francamente piuttosto strano.

 

Foto copertina: CC0 27707/pixabay

Ciambelle teoriche e computer quantistici: il Nobel per la fisica 2016

Alla fine non sono state le onde gravitazionali: il premio Nobel per la fisica del 2016 è andato a David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz. E fin lì ok. La motivazione già è più complicata:

Per la scoperta teorica degli stati della materia topologici e delle transizione di fase topologiche.

Alcuni stati della materia li vediamo sempre: solido, liquido e gassoso (magari il plasma se fate robe strane). Le transizioni di fase succedono quando, cambiando temperatura o altre condizioni, la materia passa da uno stato all’altro, ad esempio quando si scioglie il ghiaccio. Ma ci sono molti altri stati e molte altre transizioni.

Thouless, Haldane and Kosterlitz

David Thouless, Duncan Haldane e Michael Kosterlitz

Alcune riguardano le proprietà elettriche o magnetiche dei materiali, ed a quelle hanno dato la caccia i nostri premiati novelli. Thouless, Haldane e Kosterlitz hanno studiato gli improvvisi cambi nella conduttanza—l’efficienza nel trasportare elettricità—di alcuni materiali molto freddi (-270 e qualcosa gradi) quando si cambia appena la temperatura. Questo effetto era impossibile da gestire con la normale meccanica quantistica, perché ha a che fare con il comportamento collettivo degli elettroni.

Thouless, Haldane e Kosterlitz, invece, hanno usato la topologia. Nulla a che fare coi roditori, la topologia è una branca della matematica che studia le proprietà che non cambiano stirando, torcendo o piegando le cose, senza bucare, tagliare o incollare. In termini topologici, una ciambella è la stessa cosa di un tubo—li trasformare l’una nell’altro—ma è diversa da una palla, perché dovremmo chiudergli il buco.

Le proprietà topologiche cambiano a salti, perché cose come il numero di buchi devono essere numeri interi (non si può avere mezzo buco…), proprio come quella strana conduttanza. Perciò gli scienziati hanno pensato che trasformazioni topologiche (anche se non proprio l’apparizione di buchi) potessero spiegarla.

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Cambi “a scalini” nella topologia causano improvvisi cambi nella conduttanza. Però non si tratta davvero di buchi! Quelli sono solo un esempio di trasformazioni topologiche. Credit: Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

La cosa insolita di questo premio è che le scoperte non hanno ancora un’applicazione pratica: sono “solo teoriche“. Però hanno aperto le porte per la ricerca su materiali che sfruttino queste proprietà, che vanno molto di moda di questi tempi. Questi materiali topologici potrebbero essere anche una via verso il sogno di costruire computer quantistici. Durante la conferenza stampa della premiazione, Haldane ha infatti spiegato che la topologia potrebbe proteggere i delicati segnali in un computer quantistico dai danni provocati da impurità all’interno del materiale stesso.

 

Foto copertina: CC0 Thomas Kelley via unsplash.com

Per saperne di più

Si possono prevedere i guasti di internet?

Per sapere quando usare i cubetti di ghiaccio che abbiamo in freezer non ci interessa come e perché l’acqua congela a zero gradi. Basta sapere se sono più caldi o più freddi di zero perché sappiamo che, al di sotto di quel punto critica, l’acqua è instabile e basta una minima spintarella perché congeli.

Anche l’infrastruttura di internet è una complicata rete di parti che interagiscono tra loro, un po’ come molecole d’acqua. E, come per l’acqua, anche per internet ci piacerebbe capire semplicemente in che stato è. Secondo uno studio pubblicato su Nature, per tutte le reti (internet, reti elettriche o addirittura interi ecosistemi) si può trovare una grandezza, una specie di “temperatura”, che ci dice quando diventano instabili.

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Credit: Nature publishing group

La figura qui sopra mostra l’idea di base: una “funzione di resilienza” raccoglie l’informazione sui rapporti tra le componenti del sistema: chi trasmette o riceve nella rete internet, impollinatori e fiori in un ecosistema, generatori e utenti di una rete elettrica. La funzione dipende da un unico parametro (quel βeff), la “temperatura” del sistema. Conoscendo questa funzione si capisce, indipendentemente dai dettagli, il punto critico della rete, come facciamo con la temperatura dell’acqua.

Il valore della “temperatura” dipende dalla topologia della rete—ovvero chi è collegato (e quanto strettamente) con chi— e cambia aggiungendo o togliendo elementi. Ieri, ad esempio, alcuni nodi TIM si sono guastati, cambiando la topologia della rete e la sua “temperatura” oltre il punto critico, causando il collasso.

Con questo metodo si potrebbero prevedere le condizioni in cui la rete crolla, e come renderla strutturalmente più stabile. Secondo i ricercatori, le reti più stabili non dipendono da singoli nodi vitali (non proprio una novità), hanno alcuni nodi molto connessi e altri meno, e hanno interazioni reciproche piuttosto che gerarchiche.

Non è che ora possiamo andare in giro a prevedere qualsiasi cosa, o che abbiamo risolto i blackout di internet. Anzitutto, anche se il sistema funzionasse, alcune modifiche strutturali sono impossibili o irragionevoli. Poi non è detto che funzioni sempre: questo è un lavoro teorico, che va ancora testato. Sembra andar bene nelle reti studiate nell’articolo, ma potrebbe non funzionare con altre.

 

Foto copertina: internet down 🙁, CC-BY-NC Kirk Lau, via Flickr. Some rights reserved.

Perché non abbiamo ancora incontrato gli alieni

L’universo è enorme, inimmaginabilmente enorme. A meno di coincidenze pazzesche, dovrebbe essere anche discretamente abitato. Ma allora com’è che non abbiamo incontrato nessuno?

Questo si chiama “paradosso di Fermi” (sì quel Fermi). Non ha una soluzione scientifica, dato che non abbiamo idea di come si evolvano altre civiltà—o addirittura se e come ci sia vita fuori dalla Terra. Ma è comunque divertente da esplorare.

La spiegazione più semplice (e meno divertente) è che siamo davvero soli: la vita si è sviluppata solo sulla Terra, nell’universo non c’è nessuno da trovare. Sebbene non sappiamo esattamente quanto probabile sia la nascita della vita, uno studio recente ha mostrato che è fenomenalmente improbabile che questa sia davvero la soluzione al problema.

Quello studio, però, non considerava il fattore tempo. L’universo esiste da parecchio più tempo della vita sulla Terra. Molte favolose civiltà in tantissimi altri pianeti potrebbero essersi sviluppate ed estinte secoli prima che anche le prime piante colonizzassero la Terra.

Una sintesi estrema della storia della Terra. La comparsa degli ominidi è la fettina sottile sottile in alto (l’immagine si ingrandisce con un clic). Credit: Woudloper, Bukkia/Wikimedia

Oppure gli extraterrestri sono troppo lontani. Come suggerisce Kurzgesagt, la semplice immensità dell’universo ci impedisce ogni contatto con la maggior parte del cosmo. Se galassie al di fuori del nostro immediato vicinato fossero abitate non ci potremmo incontrare comunque, a meno che qualcuno non costruisca le astronavi di Interstellar.

Il disco caricato sulla sonda Voyager, con suoni e musica dalla Terra. Basta trovare un’altra civiltà a cui piacciono gli LP… Credit: NASA

La mia argomentazione preferita però è un’altra, cioè che sia un problema di comunicazione. La luce ci mette un sacco a coprire distanze stellari, infatti si dice spesso che vediamo le stelle come erano anni o millenni fa, ma vale anche l’inverso. Stiamo provando a comunicare col cosmo da pochissimo: i nostri messaggi (o la risposta) potrebbero non essere ancora arrivati a destinazione. O magari siamo stati bombardati di messaggi in passato, ma eravamo impegnati a dipingere caverne e non ce ne siamo accorti.

C’è poi la possibilità che stiamo comunicando proprio nel modo sbagliato. Chi ha detto che ipotetiche civiltà extraterrestri conoscono i segnali radio? Potrebbero esserci alieni che non sentono la nostra chiamata mentre, come noi, cercano disperatamente qualcuno con cui parlare, trasmettendo segnali in un modo che non conosciamo.

Le spiegazioni possibili sono quasi infinite e, secondo me, il fatto che ne scegliamo una piuttosto che un’altra dice di più su di noi che sulle argomentazioni stesse.Per chi non ha trovato la sua preferita, c’è un altro video di Kurzgesagt sul tema, e anche una divertente canzone.

Foto copertina: Aliens at the edge of America, CC-BY-NC Bill Dickinson, via Flickr. Some rights reserved.

Quante volte si può piegare un foglio di carta?

Qualche giorno fa mi sono imbattuto in un divertente articolo. Spinto dalla curiosità, sono finito a scoprire l’origine di una leggenda metropolitana e perfino ad esplorare il significato di essere un fisico.

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Il miglior pilota di sempre

Un gruppo di matematici dell’Università di Sheffield (Regno Unito) ha determinato matematicamente il più grande pilota di Formula 1 di sempre.

Secondo Andrew Bell, a capo del team, la discussione si complica perché “Non sappiamo fino a che punto i piloti fanno bene grazie al loro talento o perché guidano una buona macchina”. Perciò i ricercatori hanno elaborato un modello statistico per valutare le prestazioni in tutte le gare di Formula 1 della storia, divise per squadra e per pilota.

I risultati, pubblicati sulla rivista Journal of Quantitative Analysis in Sports, confermano un paio di luoghi comuni: l’impatto della macchina è aumentato negli anni, e il pilota conta di più nei circuiti cittadini. Ma hanno anche qualche sorpresa, ad esempio, l’auto conta tantissimo, circa sei volte più del pilota.

La miglior squadra della storia: Scuderia Ferrari. CC-BY-NC-ND IJsselstein/Flickr.

Così un pilota semi-sconosciuto come Christian Fittipaldi (12 punti in carriera, ma sulla famosamente pessima Minardi) sfiora la top 10, mentre famosi campioni vengono ridimensionati. Uno su tutti, Niki Lauda non è tra i primi 100. E Michael Schumacher è solo ottavo (escludendo i tristissimi anni 2010-2012 è terzo).

Il miglior pilota di sempre (matematicamente certificato) è Juan Manuel Fangio, seguito da Alain Prost e Jim Clark.

Juan Manuel Fangio, miglior pilota della storia.

Secondo Bell: “Modelli simili potranno essere usati per analizzare quanto contribuiscano i singoli, i team e le aziende alla produttività dei lavoratori, o quanto effetto abbiano classi, scuole o quartieri sul successo accademico”.

 

Foto copertina: formula 1 (titl shift), CC-BY Jose Maria Miñarro Vivancos, via Flickr. Some rights reserved.

Uno spezzatino di (quasi-)particelle

Ogni elettrone ha uno spin, una specie di bussola interna, che (semplificando un sacco) punta “su” o “giù”. Sparando dei neutroni contro un materiale e vedendo come rimbalzano, si può capire come interagiscono con lo spin degli elettroni e, quindi, come sono orientati gli spin.

In un esperimento con un particolare materiale (il cloruro di rutenio) sembra che gli spin puntino disordinatamente un po’ ovunque.

Un’interpretazione artistica del liquido di spin. In questo stato, gli elettroni sono orientati in modo disordinato, come le molecole di acqua in un bicchiere. Credit: Francis Pratt / ISIS / STFC

Questo nuovo stato, detto liquido di spin, appare se gli elettroni si “spezzano” in particelle: i fermioni di Majorana.

C’è solo un piccolo problema: gli elettroni non possono spaccarsi in parti perché sono un blocco unico. Come fanno allora i fermioni di Majorana ad esistere?

Strettamente parlando, non esistono. Gli elettroni non si spezzano davvero, però si comportano come se lo facessero. Perciò i fermioni di Majorana sono chiamati “quasi-particelle”: entità utili da includere nei modelli, ma impossibili da trovare in natura.

I fermioni di Majorana non erano mai stati osservati prima, ma hanno importanti applicazioni per i superconduttori e i computer quantistici.

 

Foto copertina: CC0 ikinitip, via pixabay.