Carnevale della Fisica #39: I paradossi della fisica

Lo studio della fisica riguarda un settore molto ampio dei fenomeni naturali. Tanto per citare alcune macro-branche di questa disciplina, troviamo ad esempio la fisica matematica, la fisica dello stato solido, la fisica nucleare, la fisica delle particelle elementari, l'astrofisica, la fisica cibernetica, la fisica medica e la geofisica, che a loro volta si suddividono in sottocategorie e specializzazioni ulteriori, a coprire quasi tutto il campo dello scibile (seguo l'indice pubblicato alla voce fisica su it.Wikipedia).

L'osservazione della realtà e il tentativo di spiegare i fenomeni che si verificano sono da sempre lo stimolo fondamentale alla conoscenza. Fin dal tempo della filosofia naturale degli antichi greci, i fenomeni naturali sono stati impulso fondamentale alla comprensione della realtà, anche se a volte le conclusioni sono state un po' lontane dal vero. 

E' ovvio che i primi tentativi di descrivere il mondo che ci circonda, compreso quel cielo stellato sopra di noi, erano frammisti a concezioni metafisiche, influenzati da quello che potremo chiamare il pensiero magico o religioso, e che mancava quello che oggi consideriamo il requisito indispensabile dell'indagine scientifica, quel metodo sperimentale di origine galileiana al quale si fa risalire lo spartiacque tra un prima e un dopo rispetto alla conoscenza scientifica.

A cavallo di questo passaggio, anche prima ma  molto soprattutto dopo, per la maggiore diffusione di quella presunzione tipicamente umana di fornire spiegazioni delle ragioni di ogni cosa, insieme a questa ricerca delle spiegazioni e agli strumenti utili per trovarle, stanno i fenomeni inspiegabili e le convinzioni false, forse tappa obbligata nel percorso che va dall'oscurità dell'ignoranza alla luce della conoscenza.

Fanno parte di questi fenomeni inspiegabili e di queste convinzioni false i paradossi, situazioni in cui ciò che si pensava fino a un minuto prima non vale più, sia perchè insufficiente a spiegare le nuove osservazioni sia perchè in aperto contrasto con quanto si osserva o si crede di osservare.

Uno dei paradossi più antichi, il paradosso del mentitore,  non riguarda un fenomeno naturale osservabile ma propriamente lo strumento di indagine più utilizzato dagli esseri umani per conoscere: il linguaggio stesso. E' quello che si fa risalire a Epimenide di Creta, che disse "I cretesi sono bugiardi",  con l'osservazione che era lui stesso cretese. Non si sa se l'intento fosse quello di smascherare o evidenziare un paradosso, o di dire semplicemente una cosa che pensava, perchè Epimenide non disse nè tutti nè sempre, e infatti questa frase non è ritenuta paradossale perchè non è sicuramente vera ma può essere falsa mentre la frase di Eubulide "Io sto mentendo", un secolo dopo quella di Epimenide, soddisfa  i requisiti di essere nè vera nè falsa, e quindi è un vero paradosso.

Insieme ai primi paradossi riconducibili all'autoreferenzialità del linguaggio, si scoprono e cominciano ad essere affrontati i primi paradossi fisici che, per la loro stretta attinenza con il mondo materiale, vengono anche chiamati paradossi meccanici. Uno dei più famosi è quello del doppio cono che cammina in salita. Questi fenomeni, apparentemente paradossali ma in realtà perfettamente spiegabili con le leggi della fisica, cominciavano ad essere utilizzati come strumenti di insegnamento sin dalla metà del XVIII secolo. Si veda questo filmato tratto dal  Museo Galileo dell'Istituto e Museo di Storia della Scienza di Firenze.

cliccare per  vedere il filmato

Come detto, i paradossi non sono sempre situazioni intricate dovute a bisticci logici o ambiguità linguistiche, ma riguardano anche credenze popolari che vengono meno di fronte ad eventi giudicati impossibili. Per esempio, nel XVI secolo, Simon Stevin chiarì quello che venne chiamato il paradosso idrostatico, in cui si stabilisce che la pressione idrostatica esercitata da una colonna d'acqua su un recipiente chiuso dipende dall'altezza della colonna e non dalla sua forma o volume. Un interessante filmato, sempre del Museo Galileo, con straordinari reperti fotografici di apparecchiature d'epoca, traccia una breve storia dell'idrostatica e dell'idraulica, toccando anche il paradosso idrostatico.

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Non si pensi però che sia solo l'ignoranza a generare i paradossi o l'assistere alle manifestazioni di una legge fisica nota in forma inconsueta. Alle volte anche nuove scoperte scientifiche, modificando i paradigmi di riferimento, possono far sorgere paradossi là dove si riteneva ci fosse una certezza, anche se spesso, in ultima analisi, si dimostra che il paradosso è solo apparente ed è dovuto a un fraintendimento delle implicazioni delle nuove teorie. Un classico esempio è quello dei viaggi nello spazio a velocità elevate, come il paradosso dei gemelli, basato sulle asserzioni di Einstein che alla  velocità della luce il tempo rallenta, la cosiddetta dilatazione temporale prevista dalla teoria della relatività. Se si immagina uno di due gemelli partire per un viaggio spaziale a velocità prossime a quelle della luce e l'altro rimanere sulla Terra, sapendo che a  velocità prossime a quelle della luce il tempo rallenta, l'orologio, anche quello biologico,  del gemello sull'astronave batterà  più lentamente e al ritorno egli sarà più giovane del gemello rimasto. In realtà non è così, perchè i sistemi di riferimento in gioco sono diversi:

L'apparente contraddizione si risolve osservando che, mentre quello della Terra è un sistema di riferimento inerziale, quello dell'astronave non lo è. L'astronave non mantiene infatti una velocità costante per tutta la durata del viaggio, ma prima accelera fino alla velocità di crociera, poi frena, inverte la rotta e riaccelera per tornare indietro, e poi frena di nuovo.

Si devono quindi considerare non due, ma tre sistemi di riferimento inerziali: quello della Terra, quello dell'astronave nel viaggio di andata, che si muove rispetto alla Terra di velocità v, e quello dell'astronave nel viaggio di ritorno, che si muove rispetto alla Terra di velocità -v (cioè v nella direzione opposta), tralasciando i tempi di accelerazione/decelerazione, che per velocità così elevate sarebbero comunque significativi.[paradosso dei gemelli su it.Wikipedia]

Si osservi questa immagine tratta dalla voce  su Wikipedia citata, con un diagramma di Minkowski dei tre sistemi di riferimento  in cui si vede che nei tre sistemi, in nero quello della terra, in blu quello del viaggio di andata e in rosso quello del viaggio di ritorno, l'evento simultaneo B è visto, in ogni sistema di riferimento, in un punto diverso: D', D e D''.

Siamo al termine di questa informale presentazione. In questa breve introduzione al mondo dei paradossi abbiamo cercato di comprendere quali generi di paradossi si possono trovare nella fisica, come il linguaggio di relazione che noi utilizziamo si presti benissimo a generarli e di come spesso l'esistenza del paradosso si deve solo alla nostra ignoranza più che all'esistenza di contraddizioni della natura.  Nonostante questo, molti paradossi riguardanti la realtà macroscopica, pur avvertendoli come tali, sappiamo, in fondo, che non possono essere veri perchè la realtà di cui abbiamo esperienza è tangibile, autoconsistente. Però, la conoscenza amplia il numero dei fenomeni a disposizione dell'esperienza, anche se molto spesso è una conoscenza ristretta a poche persone. Tipico esempio è la meccanica quantistica, con tutti gli strani fenomeni che si verificano a livello microscopico. In questo caso, immaginazione e poca conoscenza sono in grado di far nascere quelli che potremo definire paradossi ai quali crediamo, appunto perchè così lontani dalla realtà che viviamo tutti i giorni. Ma non è così: anche in quel caso, se solo potessimo fare esperienza della realtà microscopica così come la facciamo della realtà macroscopica, non troveremmo nulla di strano nel comportamento delle particelle elementari e non ci sembrerebbero così paradossali. Certo che sull'integrazione macro-micro molti si sono cimentati e ancora adesso una certa incompatibilità tra teorie fisiche esiste. Che dire: forse è proprio un limite del pensiero umano quello di non riuscire ad abbracciare tutta la realtà. Se fosse così non potremmo farci niente. Intanto, anche i paradossi servono: tante volte è dal tentativo di spiegarli e ridurli alla ragione che proviene la nostra conoscenza del mondo.

E ora, si comincia!

Andrea Belli. 

Il primo contributo è quello di Andrea Belli. Andrea è un giovane di 18 anni affetto purtroppo da una rara e invalidante patologia ereditaria che lo ha costretto a una lunghissima serie di interventi chirurgici. Questo però non gli ha impedito di impegnarsi con ottimi risultati negli studi. Ecco una biografia tratta dal suo canale Youtube. .

 "Mi chiamo Andrea Belli, ho 18 anni e vivo a Cremona. Sono nato con una malattia rara chiamata estrofia vescicale, ad oggi ho subito 24 interventi chirurgici e buona parte della mia vita l'ho passata in ospedale. Ma non sono solo questo, frequento un liceo scientifico, in 4 anni ho vinto 8 borse di studio e sono stato premiato per due anni consecutivi "Talento regione Lombardia"."

L'articolo si intitola Femto-photography: 1,000,000,000,000 FPS e parla di una nuova tecnica elaborata al MIT, che sfrutta l'emissione laser ad alta frequenza, dotata di strane e straordinarie proprietà:

E’ questa la nuova strabiliante tecnologia del MIT: una fotocamera così dettagliata che permette di osservare la luce stessa in movimento.

Tutto ciò di cui si ha bisogno è un laser e il segreto consiste nell’accenderlo e spegnerlo un trilione di volte al secondo; questo numero da capogiro permette di creare piccoli pacchetti di fotoni lunghi circa 1 mm, infine grazie ad alcune tecniche analitiche (Streak camera) è possibile ricostruire il modo in cui essi si infrangono contro gli oggetti ottenendo questo risultato: 

La cosa veramente affascinante di questa gif è la seguente: Poichè stiamo parlando di luce succedono cose strane, in particolare fenomeni che dovrebbero avvenire temporalmente prima, avvengono invece dopo! Nulla che “qualcuno” non abbia previsto, ma vederlo ancora una volta confermato attraverso questa tecnologia ci permette di osservare quella bellezza nascosta ai nostri sensi di cui il mondo è così fantasticamente intarsiato.

Questo tipo di fotografia agli occhi di molti potrebbe sembrare un semplice ninnolo, ma sono ben felice di smentirvi: essa infatti, seppure in uno stato embrionale, permetterebbe di creare strumenti capaci di osservare dietro angoli nascosti. Quelli di Nature hanno realizzato questo splendido video per spiegarne il meccanismo

E qui le applicazioni nella vita quotidiana si sprecano, da fotocamere pensate per cercare superstiti durante un incendio, a endoscopi capaci di vedere in zone nascoste del nostro corpo. Ma vorrei soffermarmi un attimo sul lato romantico di questa invenzione. Tutto ciò mi porta alla memoria le parole del leggendario Feynman: un Re Mida che nel suo sapere trasformava in oro gli oggetti comuni, caricandoli di un'intensa bellezza scientifica mostrando così un mondo meraviglioso nascosto ai più. La tecnologia, nella sua componente magica e lontana,  deve erudire l’uomo a quella concezione del bello un tempo appannaggio dell’arte, della fotografia. In tempi così drammatici quel mondo esotico illustrato dall’articolo vive già , poichè anche in vitro quest’embrione è un sano esercizio di quel muscolo che è la speranza, speranza resa forte dallo splendore della natura: il pensiero si perde in questa sublime visione e l'animo ne esce fortificato. Ma non deve essere una bellezza di nicchia, neanche fosse una religione, poichè è compito di chi vede questo noumeno mancato mostrarlo al prossimo. Così, uomini e donne si riuniscono in un gioioso carnevale per essere araldi della scienza, regina del bello e sincera amica del sublime.

Scienza e Musica + Tamburo Riparato. Leonardo Petrillo

Leonardo è un habituè dei Carnevali e, in questa occasione, presenta due contributi diversi ma entrambi di straordinario livello, anche se il secondo mascherato da divertissement. Il primo lavoro  parla del Paradosso dell'asta del fienile, un paradosso anche conosciuto con il nome di ladder paradox, quello che si può considerare un esperimento mentale sulla relatività speciale in cui la pretesa simultaneità di eventi di un'asta  che entra e non entra in un fienile variando di lunghezza rispetto al fienile (o è il fienile che cambia dimensione?) ci mette sotto stress e il cui  risultato è invece che "a seconda della prospettiva scelta, la stessa asta può o non può essere rinchiusa dentro il fienile, cosa che sembra veramente assurda agli occhi di una persona comune":

La teoria della relatività: chi non ha mai sentito parlare di tale straordinaria teoria elaborata dalla geniale mente di Albert Einstein (e non solo)?

In questo blog ne abbiamo parlato già più volte, come, ad esempio, nell'articolo "Dio non gioca a dadi con l'Universo: Relatività Generale vs Meccanica Quantistica", oppure nel post "Il tempo e le sue numerose accezioni".

Questa volta andremo ad analizzare un paradosso alquanto singolare relativo alla relatività speciale, un paradosso non conosciuto come quello dei gemelli: trattasi del paradosso dell'asta del fienile.

Nel descriverlo, andremo anche a scoprire alcuni dei concetti alla base della relatività ristretta: le trasformazioni di Lorentz, che prendono il nome dal fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz.

Innanzitutto cominciamo enunciando tale paradosso!Un saltatore d'asta corre, tenendo l'asta parallela al suolo, molto rapidamente: affinché questo paradosso funzioni occorre supporre che esso corra a una velocità prossima a quella della luce.

Nel secondo, con la scusa del pattinaggio, ci parla del momento angolare, che non si sa se è parente della pietra angolare ma comunque dal nome altisonante che ha deve essere qualcosa di importante. Lo fa sul Tamburo Riparato, blog collettivo che lo vede tra le recenti acquisizioni. Infatti, l'articolo che si intitola subdolamente Un momento divertente! inizia con un'autopresentazione:

Grazie al gentile invito di Bruna, giungo su questo straordinario blog!

Il presente rappresenta appunto il mio primo post qui. Prima di incominciare, qualcuno si starà chiedendo chi sono. In breve, sono uno studente di Fisica appassionato di scienza (di ogni genere) e di buona musica (con una predilizione per la classica e il jazz) e, da qualche anno, anche blogger scientifico; infatti, gestisco un blog che si chiama (appunto) Scienza e Musica.

Neuromancer. Carmelo di Mauro

Carmelo è psicologo e psicoterapeuta, e partecipa anche lui per la prima volta ai Carnevali. Interrogato al  proposito ecco cosa dice di se stesso:

Laureato in psicologia sperimentale, specializzato in psicoterapia cognitiva-costruttivista, ha lavorato (come volontario in camicia di forza) per 4 anni in un centro di salute mentale presso un asl periferico di Roma per conoscere a fondo i disturbi mentali individuali e familiari. Nel frattempo (per pagare vitto e alloggio...) lavora in privato come educatore, terapista per cervelli neurodiversi (autistici), si presta grauitamente (che pazzo!) a svolgere il ruolo di psicologo nella scuola media, dove lavora ufficialmente come aec (operatore educativo), talvolta segue un paio di pazienti in privato per non dimenticarsi di essere pure uno psicoterapeuta e continua a studiare senza sosta (perché quando sembra di aver capito qualcosa, si accorge che si tratta soltanto di aver compreso di non saper nulla). Infine, scrive strani articoli divulgativi di psicologia, tra scienza e fantascienza, sul blog Neuromancer.

Partecipa al Carnevale  con un articolo di grandissimo interesse sulla natura stessa del tema scelto: i paradossi. Che cosa significano dal punto di vista psicologico e cognitivo i paradossi? Quali conseguenze hanno sul nostro modo di ragionare e che relazione esiste con la patologia psichiatrica? Sentiamo ancora cosa dice Carmelo degli intenti del suo lavoro:

Ho trattato il concetto del paradosso nell'ambito della psicopatologia, andando quindi oltre l'ambito puramente linguistico e logico-matematico. 

In particolare, ho messo in luce gli effetti reali e pragmatici che il paradosso può conseguire in specifiche condizioni sociali, sottolineando il valore relazionale nella patogenesi del disturbo mentale e in special modo nella formazione della schizofrenia e dei disturbi dissociativi.

Per chi è interessato alle questioni psicologiche è un must: I paradossi in psicologia.

Il paradosso è un concetto speciale in psicologia e ha ricevuto molta attenzione soprattutto dagli psicologi che hanno studiato a fondo la comunicazione umana all’interno delle relazioni sociali. Il paradosso in greco indica una “contro opinione”, ovvero la conclusione contraddittoria di un ragionamento corretto basato su premesse sensate. In altre parole, partendo da affermazioni che hanno un senso, una volta messe a confronto ne scaturisce una conclusione contraddittoria. Da un punto di vista psicologico, l’aspetto rilevante riguarda i processi mentali attivi nella mente per trovare una risoluzione che non può esserci e che sono accompagnati da una particolare reazione emotiva.

 Possiamo raggruppare i paradossi in tre grandi famiglie:

i paradossi logico-matematici (le antinomie);

le definizioni paradossali dovute a certe incoerenze nascoste a livello del pensiero e del linguaggio;

i paradossi pragmatici (le ingiunzioni paradossali).

Rudi Mathematici. Rudi Matematici.

Non c'è bisogno di presentare i Rudi Matematici, ovvero Rudy d’Alembert, Alice Riddle e Piotr Rezierovic Silverbrahms. La loro rubrica sulla rivista Le Scienze è un classico dei divertimenti matematici. Non contenti  di sottoporci  sulle Scienze quiz capaci di far perdere nottate di sonno e di tenere un blog sul sito della stessa rivista, ovviamente  di argomento  matematico, pubblicano anche Rudi Mathematici, con l'acca, Rivista fondata nel secolo scorso nella quale si e ci dilettano di matematica, giochi e indovinelli, qualora non ci bastassero le altre due fonti. Ma che valga la pena leggerli è constatazione elementare: riescono a spiegare in maniera semplice e divertente cose molto complesse. In Etimologia particolare, con la scusa di cercare la storia dei termini usati in fisica, tanti quante le unità di misura, si delinea una notevole storia della fisica e dei suoi protagonisti in quel periodo aureo che è stato il '900 fino ad arrivare all'origine di quell'altro termine molto di moda recentemente: bosone.

Sembra che un giorno Feynman abbia detto che una buona prova del fatto che i fisici non siano poi così intelligenti come la gente pensa stia nel fatto che usano una quantità spaventosa di unità di misura dell’energia, senza decidersi a razionalizzarle una volta per tutte. In effetti, ci sono un gran numero di razionalizzazioni possibili, e non solo nel campo dell’energia e delle grandezze correlate, come lavoro e potenza; tra erg, joule, watt, MeV, TEP (tonnellata equivalente di petrolio), cavalli vapore, kiloton e un’altra pletora di unità, è abbastanza facile perdersi.  Del resto, Poincaré si disperò per tutta la vita del mancato completamento della rivoluzione metrico-decimale; unità fondamentali come quelle del tempo e delle coordinate geografiche sono ancora immuni dalla sanatoria indotta dalla Rivoluzione Francese, anche se quasi non ci facciamo caso.

In Paraphernalia Mathematica, utilizzando un grafico che riporta dati su irraggiamento solare, temperatura della superficie terrestre e distanza dal Sole ci si pone la fondamentale domanda: come si fa a calcolare dati di questo genere? E così lo si spiega, da Plank a Boltzmann, passando per Shakespeare:

Su Mercurio siamo fritti? 

In realtà è esattamente quanto vorremmo evitare: nella tavola qui sotto (dati parzialmente forniti dalla NASA) trovate tre grafici al prezzo di uno: irraggiamento, temperatura alla superficie e distanza del pianeta dal Sole: allora, secondo voi, i primi Ermenauti finiscono fritti o no? La cosa potrà essere di indubbio interesse per chi ci si ritrova, ma la domanda che ci poniamo noi è, al momento, leggermente diversa: come si fa a calcolare dati di questo genere? Beh, esistono una serie di modelli, dipende dal grado di complicazione che vi serve: per un calcolo approssimato possono bastare i più semplici, se volete dei dettagli invece le cose si complicano.

Dropsea. Gianluigi Filippelli.

Un altro assiduo frequentatore dei carnevali è Gianluigi, fisico e insegnante, appassionato di fumetti, ricercatore, blogger, insomma uno che non sta mai fermo. E si vede anche dalla mole dei contributi: 5 articoli uno meglio dell'altro.

Cominciamo con Il Premio Nobel e gli orologi atomici. Siccome Gianluigi è un tipo preciso e mi ha inviato un abstract ineccepibile per  ogni lavoro, perchè non utilizzarli? Ecco di cosa parla il primo:

Dopo l'assegnazione del Premio Nobel 2012 ci fu in Italia confusione sulla connessione con le ricerche di fisica premiate e la loro connessione con gli orologi atomici, che in effetti il premio lo avevano già "ricevuto" nel 1944 con Isaac Rabi. Questa è una breve storia di questa importante invenzione da Nobel!

A seguire troviamo Il principio di equivalenza. La domanda fondamentale che ognuno di voi si sarà posto è:

La massa inerziale e quella gravitazionale, coincidono? Si, secondo il principio di equivalenza, che è stato via via verificato con una precisione sempre maggiore.

Si può Guardare attraverso uno schermo opaco? Intanto si può farlo con la buona ricerca italiana che approda alle grandi riviste:

Agli inizi di novembre Nature pubblica, con l'onore della copertina, l'ultimo articolo di un gruppo di ricerca olandese il cui primo firmatario è Jacopo Bertolotti, che tra le altre cose è anche un wikipediano. Questo è un piccolo racconto di quelle ricerche.

Chi  non conosce Archimede? In Una generalizzazione del principio di Archimede Gianluigi ci spiega cosa succede ai corpi immersi in un liquido quando si scende a dimensioni infinitesime:

Ci hanno insegnato che un corpo immerso in un liquido riceve una spinta dal basso verso l'alto pari al peso del liquido spostato. Il principio dovrebbe valere per tutti i corpi, eppure se scendiamo alle scale micro- e nano-metriche le cose cambiano un po', come ha mostrato un gruppo di ricerca italiano con un mix tra ricerca teorica e sperimentale.

Nelle Cosmicomiche: le origini della Luna, c'è un po' anche Calvino ma c'è anche molta ricerca, di quella buona, sulle origini del nostro satellite. Un lavoro estremamente meticoloso e leggibile, pieno di immagini spettacolari:

In questa ricerca secolare sulle origini della Luna c'è anche un nome illustre, George Darwin, figlio del probabilmente più noto Charles, che propose alcune ipotesi interessanti poi finite all'interno delle Cosmicomiche di Calvino. E con quei racconti come ispirazione, provo a raccontare la storia di queste ricerche fino ad arrivare ai risultati più recenti che confermano la sempre più affermata teoria dell'impatto gigante.

Scientificando. Annarita Ruberto.

La prossima blogger meriterebbe un post a parte. Spesso ne ho esaltato le virtù di divulgatrice e insegnante fuori dal comune, ma ora devo aggiungere il suo personale contributo, al di là della preparazione degli articoli, alla diffusione capillare e internazionale dei Carnevali, ben evidenziata dal recente successo oltre confine del Carnevale della Matematica. Questo si deve chiaramente all'autorevolezza personale conquistata sul campo ma anche alla caparbietà di non accontentarsi che le cose vengano a te ma di andarle a cercare.Caratteristica, quest'ultima, ancorchè difficile da realizzare, che dovrebbe essere fatta propria da molti. Ma veniamo all'articolo di oggi: quello che Annarita presenta è il classico Paradosso di Olberts o dark night sky paradox, uno dei quesiti che maggiormente assillano gli studiosi (e non) sin dalla notte dei tempi. La molla per parlarne è la richiesta di un giovane lettore: la soluzione del paradosso non sarà semplice, contemplando la convergenza di alcuni fattori, ma alla fine si riesce a venirne a capo:

Qualche mesa fa, pubblicavo un post, in cui esordivo come segue:

 "Perché di notte il cielo è scuro, prof?" non è una domanda simulata, questa volta, ma fin troppo realistica. Mi è stata rivolta per posta elettronica da un ragazzo di 12 anni che segue assiduamente Scientificando.

Allora facciamo così, caro ragazzo. Poiché questo è un periodo molto intenso e non ho il tempo di risponderti subito (anche perché non è facile, data la tua giovane età, risultare comprensibili), ti propongo un video confezionato da quelli di minutepshysics, riservandomi di completare questo articolo appena ne avrò il tempo. Promesso!

Ebbene, è giunto il momento di mantenere la promessa fatta, provando a rispondere a quella domanda.

La questione che poni, ragazzo, è nota, in Fisica e in Cosmologia, come Paradosso di Olbers (o "dark night sky paradox"), dal nome dell'astronomo tedesco Heinrich Wilhelm Olbers, che lo propose quasi due secoli fa, precisamente nel 1826.

L'enunciato del paradosso è il seguente:

"Come è possibile che il cielo notturno sia buio nonostante l'infinità di stelle presenti nell'universo?" [Wikipedia]

AstronomicaMens. Corrado Ruscica

Anche il prossimo è un nuovo entrato per quanto riguarda i miei Carnevali. Si tratta di Corrado Ruscica, astronomo e scrittore di scienza freelance, del blog AstronomicaMens. Quello che ci presenta è, come racconta, un paradosso nuovo di zecca sui buchi neri, quegli enigmatici e inquietanti oggetti che se ne stanno in giro per l'Universo invisibili ma ben presenti: Il 'muro di fuoco', un nuovo paradosso sui buchi neri.

In un recente articolo apparso su Simons Foundation dal titolo Alice and Bob Meet the Wall of Fire, Jennifer Ouellette riporta le ultime idee bizzarre emerse al workshop di Stanford tenutosi a Novembre dell'anno passato su un nuovo paradosso che riguarda gli enigmatici buchi neri. Di solito, quando vengono proposti alcuni esperimenti mentali i protagonisti principali si chiamano Alice e Bob. Oggi, però, pare che i due ragazzi siano arrivati ad un bivio. Tra i due, la più avventuriera e piuttosto spericolata Alice vuole saltare in un buco nero molto massiccio, lasciandosi alle spalle lo sconsolato Bob che rimane al di là dell’orizzonte degli eventi, cioè quella regione ideale superata la quale niente, nemmeno la luce, può tornare indietro. Ma vediamo un pò più in dettaglio di che cosa si tratta.

Il tema ruota attorno a una questione cruciale che Corrado riassume così:

In fisica, i paradossi spesso permettono di chiarire alcuni concetti. Nel nostro caso, il punto cruciale del puzzle ruota attorno al conflitto tra tre postulati fondamentali della fisica. Il primo, che si basa sul principio di equivalenza della relatività generale, porta allo scenario “nessun dramma”: dato che Alice si trova in caduta libera mentre attraversa l’orizzonte degli eventi, e dato che non esiste alcuna differenza tra caduta libera e moto inerziale, essa non dovrebbe sentire gli effetti estremi della forza di gravità. Il secondo postulato si basa sull’assunzione dell’unitarietà della meccanica quantistica secondo cui l’informazione che cade verso un buco nero non viene persa irreversibilmente. Infine, c’è l’ipotesi della “normalità” e cioè il fatto che la fisica funziona come ci aspettiamo in una regione molto distante dal buco nero, anche se viene meno in qualche punto al suo interno, o nel punto della singolarità o ancora in prossimità dell’orizzonte degli eventi. Presi insieme, questi tre postulati formano ciò che Raphael Bousso, un fisico presso l’University of California a Berkeley, chiama molto tristemente “il menu dell’inferno”. Dunque, per risolvere il paradosso, occorre sacrificare uno dei tre postulati ma nessuno è in grado di dire quale di essi dovrebbe essere.

Monica Marelli del blog omonimo.

Pure Monica è una nuova entrata per il mio blog. Monica è un fisico, autrice di alcuni libri di grande successo e interesse,  tra i quali l'ultimo su un famoso gatto, ed è anche un volto noto per chi segue la divulgazione scientifica in televisione, per i suoi interventi a Geo & Geo su Rai3. A Monica piacciono molto i gatti, incluso quello di Schroedinger, tanto da dedicargli un libro: C'era un gatto che non c'era, misteri e meraviglie della fisica quantistica, Scienza Express 2012. Il paradosso del Gatto di Schroedinger, ricorda Monica

doveva essere l'ultimo, decisivo, fatale attacco al cuore della fisica quantistica, sotto l'influenza di Einstein, con cui Erwin Schroedinger scambiò molte lettere fra il giugno e l'agosto del 1935.

Ed ecco di cosa si tratta. Immagina di prendere una scatola. Al suo interno ci sono un gatto e un meccanismo: un contenitore pieno di atomi che hanno la probabilità di decadere o di non decadere. Quindi: un'ora forse decade o forse no. Se decade, il dispositivo si aziona e rompe una fiala di veleno che uccide il micio. Vorrei tranquillizzare i SindaGatti: l'esempio è piuttosto truce ma si tratta di un esperimento mentale e nessun gatto è stato torto un baffo.

Schroedinger con questo esempio vuole prendersi gioco della fisica quantistica e mettere in luce l'aspetto più inverosimile dell'interpretazione di Copenaghen: secondo la “nuova fisica” fino a quando qualcuno non aprirà la scatola per verificare (cioè guardare e quindi “misurare” la realtà), il micio vive in due stati sovrapposti. Cioè è contemporaneamente vivo e morto. Se è vero che qualcosa diventa reale solo quando lo si misura, allora si può dire che felino vive in stati sovrapposti. Il che è paradossale. Einstein gongolava: il paradosso coi baffi era la prova che la quantistica non poteva funzionare!

Se volete sapere come va a finire...



Il Tredicesimo cavaliere. Roberto Flaibani

Altra nuova entrata è Roberto, giornalista freelance, professionista dei giochi di simulazione nonchè space-enthusiast per stesso riconoscimento della Nasa, che ci presenta un articolo su uno studioso, primo italiano, o meglio primo non americano, a diventare Presidente del Comitato Permanente SETI. Il   Search for Extra-Terrestrial Intelligence è il noto programma per la ricerca di forme di intelligenza extra-terrestre. Il ruolo di presidente di un tale organismo non è cosa che si ottiene tutti i giorni. Ecco perchè è stato assegnato a un Fisico, matematico, visionario:

Avesse avuto due vite, una l’avrebbe dedicata alla matematica, l’altra all’astrofisica. Dovendo accontentarsi, s’è votato a entrambe con tantissima passione e, ça va sans dire, pochissimo tempo libero.

 Il dott. Claudio Maccone, nel corso del Congresso Internazionale di Astronautica svoltosi recentemente a Napoli, è stato eletto Presidente del Comitato Permanente SETI in seno alla IAA. Sostituisce Seth Shostak, presidente per due mandati, ed è il primo italiano, anzi il primo non-americano a ricoprire tale carica.

 Laureato in fisica e matematica col massimo dei voti, Maccone nel 1980 ha ottenuto un dottorato in matematica al King’s College di Londra, con una tesi sulla Trasformata di Karhunen-Loeve (KLT). Si tratta di un algoritmo in uso nelle telecomunicazioni, estremamente utile in ambito SETI, perché rende possibile evidenziare con grande accuratezza eventuali segnali captati da un radiotelescopio, isolandoli dal rumore cosmico di fondo e da qualsiasi disturbo elettromagnetico. Ancora oggi, però, la quasi totalità dei ricercatori SETI sta utilizzando, per l’analisi dei dati, l’antiquata Trasformata Veloce di Fourier (FFT), che prende in esame solo dati in banda stretta e a grande velocità. KLT invece garantisce maggior sensibilità e lavora in banda larga, ma richiede tempi di elaborazione molto più lunghi. Maccone è oggi uno dei più convinti sostenitori dell’implementazione della KLT ovunqe si faccia SETI.

La scuola del sapere. Rosa Maria Mistretta.

Chi non ha mai visto il nastro di Moebius? A parlarcene per il Carnevale è Rosa Maria, laureata in Scienze Naturali, giornalista/pubblicista e autrice di numerosi e interessanti libri, votata alla divulgazione e alla didattica, in questo suo   Un solo lato, un solo bordo: il nastro di Moebius:

Le superfici ordinarie, intese come le superfici che nella vita quotidiana siamo abituati ad osservare, hanno sempre due "lati" (o meglio, facce), per cui è sempre possibile percorrere idealmente uno dei due lati senza mai raggiungere il secondo, salvo attraversando una possibile linea di demarcazione costituita da uno spigolo (chiamata "bordo"): si pensi ad esempio alla sfera, al toro, o al cilindro. Per queste superfici è possibile stabilire convenzionalmente un lato "superiore" o "inferiore", oppure "interno" o "esterno"

Atelier delle attività espressive. Carla Citarella.

E' ora la volta di Carla. Grazie ai suoi articoli siamo proiettati in una dimensione artistica, pur trovando sempre l'aggancio con il tema scientifico. Con mano sicura ci insegna a leggere nella rappresentazione artistica quello che va al di là del mero dato sensoriale, svelandoci la parte concettuale che c'è dietro l'opera.  Questo avviene perchè anche gli artisti seguono o addirittura creano le correnti di pensiero, pure su temi scientifici. Succede anche questa volta: chi più di questo artista  può rappresentare i Paradossi nell'arte: Renè Magritte.

La creazione artistica è un fenomeno articolato, che presenta diverse angolature sia in ambito scientifico che filosofico. In questo senso il percorso dell'arte moderna e contemporanea, appare come un vero e proprio campo di sperimentazione di modalità condivise. 

I paradossi trovano largo uso in campo scientifico, ma possono essere utilizzati anche in ambito artistico, per giungere a nuovi modelli di descrizione e rappresentazione del reale.  

Tra le avanguardie storiche, il Surrealismo è un movimento che fonda le sue radici nel paradosso. "Io credo", scrive André Breton nel 1924, "alla risoluzione di due stati, in apparenza così contraddittori, che sono il sogno e la realtà, in una specie di realtà assoluta, di surrealtà". 

Attorno a questo indirizzo si costituisce il programma del Surrealismo, il fenomeno più complesso e influente della storia culturale del Novecento, attivo per oltre quarant'anni, il cui approccio interpretativo è stato diverso da un artista all'altro. Magritte, assieme ad altri esponenti del gruppo, manifesta tale tendenza, diversificandosi dalle premesse generali, per interessi, procedure e formalizzazioni.

Vera scienza. Orfeo Morello.

Altra novità per i miei Carnevali è Orfeo Morello di Vera Scienza. Ingegnere informatico esperto di tecnologie web, Orfeo è anche un ottimo divulgatore della scienza con il suo conosciutissimo blog. Ci propone la triste storia dello Shuttle Columbia partito nel gennaio 2003 con il suo equipaggio e mai più rientrato: Shuttle Columbia STS-107 partito il 16 gennaio 2003 mai più rientrato a Terra.

E' trascorso più di un anno e mezzo (luglio 2011) da quando l'ultimo Shuttle della Nasa ha toccato Terra mettendo fine a una storia straordinaria che ha segnato l'epoca moderna dell'esplorazione spaziale. I piani attuali della NASA prevedono che l'agenzia spaziale americana si concentri in futuro per lo più sulle missioni di invio di satelliti e di sonde nello spazio, utilizzando soluzioni più moderne ed economiche rispetto agli Shuttle.Il programma Space Shuttle, noto anche con la sigla STS (Space Transportation System) utilizzata in codice per identificare le sue missioni, è durato più di 30 anni compresa la fase di progettazione ed ha avuto ufficialmente il via con la missione STS-5, lancio avvenuto l'11 novembre 1982 dello Shuttle Columbia che mise in orbita due satelliti privati per telecomunicazioni commerciali.

IncredibleButTrue. Lucia Marino.

Anche Lucia è un'assidua frequentatrice dei Carnevali, con pezzi sempre interessanti e stimolanti. Questa volta ci propone due lavori. In uno raccoglie una serie di video incentrati sul tema dei paradossi fisici e prodotti dalla Open University. Sono animazioni della durata di un minuto circa che illustrano alcuni dei più grandi paradossi. Si va da quello di Achille e la Tartaruga per finire con l'onnipresente gatto,  in quelli che Lucia chiama Pensieri Avventurosi:

Della Open University mi pare che ve ne ho già parlato un pò di tempo fa. Probabilmente ricorderete "La Storia della Lingua Inglese", una serie di arguti video animati che in pochi minuti ripercorrevano i 1600 anni della storia della lingua più diffusa al mondo. Sempre dalla Open University proviene un'altra serie animata, dal titolo:  60-Second Adventures in Thought, la quale mette in evidenza sei degli esperimenti di pensiero più famosi al mondo. La prima puntata è incentrata sull'antico Paradosso di Zenone, quello di Achille e la Tartaruga. Gli altri video sono invece interamente dedicati al ventesimo secolo; cinque famosi esperimenti mentali di fisica, matematica e informatica.

Nell'altro invece si mette a far concorrenza agli Ignobel, presentando una serie di lavori, come dire, eccentrici, in cui l'oggetto della ricerca è quantomeno inusuale o, per meglio dire, apparentemente non degno di tanto approfondimento. Tutto questo in L'importanza della stupidità nella ricerca scientifica. Sentite un po' di che lavori si tratta: 

Se questa affermazione è vera sono a cavallo. Non si tratta di una mia teoria bensì di un saggio intitolato appunto "The importance of stupidity in scientific research", pubblicato su Journal of Cell Science nel giugno 2008. Se ho compreso bene l'essenza del messaggio si tratta semplicemente della corretta disposizione d'animo dello scienziato in erba di fronte le problematiche poste da un qualsiasi lavoro di ricerca (abbasso i geni immodesti insomma). Questa "perla" l'ho scovata assieme a molti altri titoli su questo sito. La mia attenzione si è concentrata soprattutto su questo: "Pressures produced when penguins pooh—calculations on avian defaecation", un interessantissimo articolo sulla fisica della pupù di pinguino.

La curva dell'energia di legame. Scientificast. Marco Casolino.

Marco Casolino, ricercatore all'INFN, propone tre articoli, due rappresentano uno la continuazione dell'altro e sono disponibili sul suo blog, e il terzo è pubblicato sul blog collettivo Scientificast. I primi due, pur non recando il termine nel titolo, affrontano ugualmente quelli che Marco definisce degli "apparenti paradossi, attualmente irrisolti". E quali sarebbero questi apparenti paradossi?

L'apparente universalità delle leggi della fisica  nasconde profonde e fondamentali discrepanze tra quello che ha luogo nell'universo e negli acceleratori di particelle.

Per esempio, una domanda che uno si potrebbe fare è questa: dov'è finita l'antimateria? Per rispondere, bisognerà dare conto di questo palese  Razzismo astrofisico: L'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

Perché il 4% di materia (protoni, elettroni, nuclei) che compone le stelle e le galassie è composto apparentemente solo di materia? Questa domanda giace dietro il problema della materia oscura, probabilmente costituita da una particella ancora inosservata, ma è plausibilmente distinto da esso. 

Le leggi della fisica delle particelle elementari mostrano infatti una simmetria tra materia ed antimateria. Se la collisione di una particella e la sua antiparticella produce energia, le leggi di conservazione prevedono che da essa si debbano create materia ed antimateria in parti uguali. Applicate su scala cosmica, queste leggi prevederebbero un universo costituito da uguali quantità di materia ed antimateria. L'universo appare costituito da sola materia:  infatti se vi fossero zone dominate da antimateria, il loro confine con la nostra regione dovrebbe brillare nei raggi gamma dell'annichilazione. 

Si continua poi con la seconda parte, che ci porta su un altro piano che ha pure lui tutti i crismi del paradosso. Si parla di due coniugi che non solo attualmente litigano ma che non hanno nemmeno mai avuto l'intenzione di sposarsi: Separati in casa! Meccanica quantistica contro Relatività generale. Per chiarire i termini di questa paradossale convivenza, per ora inspiegabile, Marco utilizza una finzione scenica, facendo parlare i personaggi del suo romanzo:

Un'altra inconsistenza tra le leggi della fisica valide per l'universo e quelle per il mondo microscopico riguarda l'impossibilità di conciliare la Meccanica quantistica con la Relatività generale in un'unica teoria.  

Per un breve cenno su uno dei più grandi misteri della fisica moderna, cedo la parola a due personaggi di Grikon, Adriano, studente di storia giapponese e Noriko, ricercatrice di fisica.

 Noriko sembrò colpita dalla sfida che l'amico gli aveva lanciato: “All’inizio del XX secolo la meccanica quantistica ha rivoluzionato la fisica, stravolgendola alle basi. Ha fatto crollare le certezze del meccanicismo ottocentesco, in cui ogni particella era immaginata come una pallina di cui si poteva conoscere ogni sua caratteristica. Dal determinismo della meccanica classica si è dovuti passare al comportamento casuale ed alle incertezze dettate dalle leggi delle probabilità.

L'ultimo pezzo riguarda l'Universo, e precisamente i quasar e una recente scoperta di un ammasso di galassie contenente 73 di questi quasar: Una immensa struttura agli albori dell’universo:

I quasar sono tra le sorgenti più luminose dell’universo. Si tratta di immensi getti di materia alimentati da gas e polveri   risucchiati da altrettanto immensi  buchi neri posti al centro di alcune galassie.  Il termine, quasi stellar radio source, indica la loro identificazione originale nelle emissioni delle onde radio, ma successivemente sono stati identificati anche nel visibile ed in altre frequenze dello spettro elettromagnetico.

Gravità Zero. Walter Caputo.

Walter, che ha ospitato l'edizione del Carnevale prima di questa, è un economista e insegnante che scrive anche sul blog di divulgazione collettivo Gravità Zero. Per questa edizione ha preparato un pezzo a tema incentrato sui frattali, Forme frattali:il paradosso della convivenza tra semplicità e complessità. Egli individua in questi oggetti matematici la fonte del paradosso e descrive i frattali  come "figure che ispirano meraviglia per la loro complessità che, paradossalmente, convive con un'estrema semplicità. L'origine della parola frattale è da ricondurre al latino "fractus", ovvero irregolare e spezzato". Come è noto, lo scopritore dei frattali è stato Benoit Mandelbrot, anche se ha avuto dei precursori. In questo articolo Walter ripercorre la storia di queste forme ubiquitarie che riempiono la nostra vita:

Tutti conoscono il cerchio: provate a disegnarne uno e osservatelo da una ragionevole distanza. Sì, quello che state vedendo è effettivamente una circonferenza. Ma ora avvicinatevi e guardate l'immagine ad un'altra scala: osservatela localmente fin quasi ad appiccicarla sugli occhiali. 

Ora vedete una linea retta. 

D'altronde "localmente un cerchio è una linea retta, infatti possiede una tangente in ogni suo punto e, visto da molto vicino, si riduce essenzialmente alla sua retta tangente" (1), afferma Benoit Mandelbrot "Nel mondo dei frattali" (Di Renzo Editore, 2007). 

E questo è il primo livello di comlplessità, infatti "secondo B. Mandelbrot, nello studio delle curve piane appare una gerarchia di complessità crescenti" (2). Oltre alla retta e alla circonferenza, nel primo livello troviamo anche le curve classiche elementari. Ecco un esempio, raccontato da Mandelbrot, "un ragionamento del tutto analogo si può fare per la sfera: vista da lontano è proprio una sfera, ma se ci si avvicina comincia a somigliare sempre più ad un piano" (3).

Aggiornamento del 31 gennaio.

Disti. Elisabetta Durante.

Fuori tempo massimo ma comunque sempre in maniera graditissima, giunge un lavoro di Elisabetta Durante, giornalista scientifica che ha partecipato quasi sempre ai miei Carnevali, che non posso non pubblicare. Infatti, quella di Elisabetta è una difesa appassionata della scienza e degli scienziati italiani, che non sono solo quelli associati alla cosiddetta fuga dei cervelli ma anche i protagonisti assoluti delle ricerche mondiali, a cominciare proprio da quella fisica alla quale intitoliamo il nostro Carnevale. In questo articolo passa in rassegna in maniera puntuale tutte le recenti conquiste e gli impegni della ricerca italiana in giro per il mondo, riaffermando, ancora una volta, che:

Se vince il merito, vince il Paese

di Elisabetta Durante

Se dovessi indicare il primo dei problemi italiani, non esiterei a identificarlo nella generalizzata, pervicace e suicida negazione della meritocrazia.

Eppure, proprio nel settore scientifico più complesso, avanzato e promettente (quello della Fisica), a dispetto di tutte le nostre limitazioni finanziarie, riusciamo ancora a primeggiare: in Italia e nel mondo.

Lo provano inequivocabilmente i numeri di quel fenomeno che la vulgata mediatica si ostina a leggere solo nei termini negativi della “fuga dei cervelli”: quegli stessi cervelli che un Paese meritocratico saprebbe ri-attrarre nella propria orbita e valorizzare attraverso una concreta ed efficace rete internazionale dei talenti.

Lo provano i risultati raggiunti in tutti i grandi laboratori internazionali dalla vasta comunità dei fisici italiani che è la più numerosa -dopo quella statunitense- al Fermi Lab di Chicago, a Stanford, nei Bell labs ecc. Ma lo provano anche le brillanti carriere dei fisici italiani in tutti i maggiori laboratori europei.  

In particolare, lo prova tutta la storia del Cern fino ai recentissimi successi ottenuti dal progetto LHC sotto la guida di un Direttore di ricerca italiano -Sergio Bertolucci- e annunciati al mondo intero, non per caso, dai due fisici italiani responsabili dei due principali esperimenti (Atlas e Cms), Guido Tonelli e Fabiola Gianotti.

Lo prova ora il posizionamento della Fisica italiana nei due programmi strategici appena selezionati come progetti bandiera dell’UE: Human Brain Project e Graphene.  Il primo metterà le più avanzate tecnologie informatiche e potenti super computer a servizio delle neuroscienze: quello che è già stato definito il CERN del cervello schiera in prima linea una serie di centri italiani di ricerca, tra cui un laboratorio di eccellenza mondiale come il fiorentino LENS (Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare). Tutti i dati sul funzionamento  del cervello umano saranno elaborati da una potente risorsa di calcolo (settore in cui gli italiani sono leader indiscussi) e distribuiti da una piattaforma GRID, sofisticata e complessa infrastruttura digitale nata anch’essa grazie ad un determinante contributo della Fisica italiana.

Graphene punta invece a sviluppare e rendere disponibili tecnologie basate sul grafene, un nuovo nanomateriale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio e considerato estremamente versatile: si tratta di tecnologie capaci di anticipare –per usare le parole di Luigi Nicolais, Presidente del CNR, uno dei capofila del progetto -  importanti pezzi del futuro e innescare in Europa  un vasto processo di innovazione in campo industriale, aprendo la strada a prodotti di nuova generazione (come nuove batterie al litio, aerei superleggeri, nuovi pannelli fotovoltaici, telefonini pieghevoli ecc.). Al CNR spetta il compito di guidare due fondamentali linee di ricerca, quella sui materiali compositi affidata al CNR ISOF, e quella sulle proprietà fisiche del grafene affidata al CNR-Nano (NEST-Pisa, NNL-Lecce, S3-Modena).

Chiudo con una riflessione sull’attuale confronto politico, i cui protagonisti non sono in grado di affrontare questioni centrali e concrete come il ruolo che i migliori ricercatori italiani (fisici e non solo) possono e devono avere nel risollevare le sorti non solo culturali ma anche economiche del Paese. 

E’ chiedere troppo?

Siamo ai saluti. Come al solito, decine di blogger si sono impegnati affinchè il Carnevale della Fisica potesse vedere la luce, ed è grazie a loro che è vivo e vegeto e sempre  interessante, a loro va dunque un caloroso ringraziamento. Questa volta sono 16 autori e 25 articoli, e questo è l'elenco dei protagonisti in ordine di apparizione:

• Andrea Belli
• Leonardo Petrillo
• Carmelo Di Mauro
• Rudi Matematici (Rudy d’Alembert, Alice Riddle e Piotr Rezierovic Silverbrahms)
• Gianluigi Filippelli
• Annarita Ruberto
• Corrado Ruscica
• Monica Marelli
• Roberto Flaibani
• Rosa Maria Mistretta
• Carla Citarella
• Orfeo Morello
• Lucia Marino
• Marco Casolino
• Walter Caputo
• Elisabetta Durante

Vi ricordo infine che la prossima edizione del Carnevale della Fisica, la #40 si terrà sul blog Gruppo Locale, di Marco Castellani et al., e che il tema sarà Fisica ed Arte! Già mi freme la tastiera!



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