In fisica teorica, il principio olografico sostiene che l’universo sia un ologramma tridimensionale che emerge da un universo a due dimensioni. Insomma che la nostra percezione dello spazio a tre dimensioni sarebbe illusoria, il che non è una novità se si pensa alle teorie che sostengono che viviamo in quattro o addirittura in undici dimensioni. Ma l’impatto che ha sulla nostra immaginazione è molto diverso: infatti da un universo a più dimensioni, nel caso del principio olografico ci si “riduce” a una mera bidimensionalità, quasi fossimo personaggi che emergono dai fogli di un libro o – peggio – da un programma di computer… un vero e proprio “olodramma”, se mi perdonate la battuta!
C’è un articolo molto interessante a questo proposito sul numero di Le Scienze di aprile, che occupa anche la copertina L’universo quantistico e che descrive l’esperimento del gruppo di ricerca di Craig Hogan al Fermi Lab che potrebbe avvalorare questa teoria. «L’esperimento di Hogan è un aggiornamento ad alta tecnologia del famoso esperimento dell’etere di fine Ottocento» di Michelson e Morley, si legge sulla rivista, quindi l’argomento può essere portato anche in classe come approfondimento e collegare così la storia della scienza con le ultime frontiere della ricerca scientifica. L’aspetto affascinante è che questa idea, che può apparire così lontana dalla nostra immaginazione, possa essere effettivamente messa alla prova sperimentale. Vedremo!! In un dossier di Torinoscienza dedicato ai buchi neri, c’è una breve pagina intitolata Universi come ologrammi e altre stranezze che passa brevemente in rassegna le ultime teorie e i legami fra di esse.
Per quanto riguarda invece la tecnica dell’olografia in fisica (che crea un’immagine tridimensionale su una lastra fotografica per interferenza di due fasci di luce coerente), ho trovato in rete una pagina del Liceo scientifico Copernico di Bologna che la descrive nei particolari.
Sempre per restare alle ultime novità della ricerca in questo campo, vi segnalo l’articolo Ologramma di un neurone sulla tecnica che permette di creare una mappa dettagliatissima dei neuroni e Ologrammi colorati in luce bianca su ologrammi multicolori ottenuti da luce normale.
Fra poco spiegherò in classe le onde, gli oscillatori, i pendoli, la luce… e le lucciole sono un ottimo “campo di osservazione” di tutti questi concetti.
Bioluminescenza
Prima di tutto le lucciole sono interessanti per il fenomeno della bioluminescenza, l’emissione di luce da parte di organismi viventi, un esempio perfetto di biofisica! Ho trovato in rete una pagina web che sintetizza i punti salienti del processo di emissione luminosa (che implica la proteina luciferina, l’enzima luciferasi ecc.) e che oltre a presentare bellissime immagini, accenna anche all’aspetto termodinamico del fenomeno: dal punto di vista energetico infatti «l’efficienza delle lucciole è di circa il 90%» contro il 10% delle lampadine comuni, il 20% delle luci fluorescenti e il 30% dei Led. La pagina web si intitola bioluminescenza e contiene molte informazioni, come le applicazioni del test della bioluminescenza nei laboratori di ematologia o microbiologia. Si legge anche che in Asia e in America Centrale e Meridionale i coleotteri luminescenti venivano utilizzati per illuminare case e giardini. Come nel seguente video, molto suggestivo:
Sincronizzazione
Il legame di questo strano coleottero con la fisica e la matematica risiede nel fenomeno della “sincronizzazione”.
Come si legge nella pagina web dell’Infn di Cataniadedicata alla notte dei ricercatori che affronta i fenomeni caotici, «migliaia e migliaia di lucciole che, nelle lunghe notti tropicali, lampeggiano all’unisono immerse nella vegetazione che costeggia i fiumi, sono un altro esempio di sincronizzazione spontanea nel mondo animale». Molti video su youtube riprendono il fenomeno (ho segnalato alcuni link alla fine di questo post) che mostra alberi che si accendono e si spengono all’unisono come se fosse la notte di Natale!
Le lucciole si sincronizzano in maniera spontanea e i ricercatori hanno realizzato studi e simulazioni al computer per scoprire le cause di questo comportamento (che riguarda ad esempio anche gli stormi di uccelli o i branchi di pesci). Nella pagina web che ho appena citato, trovate il link a una di queste simulazioni: bisogna avere pazienza, ma dopo un po’ si osserveranno migliaia di puntini lampeggiare tutti insieme che producono un grafico (in basso a sinistra) con una curva oscillante periodica.
La sincronizzazione in meccanica è un aspetto poco conosciuto dei pendoli, degli oscillatori armonici: un buon modo per affrontare l’argomento con gli studenti può essere la tesi di laurea di Floriana Giannuzzi, laureata in Fisica nel 2004 all’Università degli Studi di Bari. Il titolo non deve spaventare: “Oscillatori anarmonici accoppiati” perché le prime parti della tesi sono molto discorsive e chiare, raccontano la storia della sincronizzazione con numerosi esempi. La tesi inoltre è disponibile on line gratuitamente, si scarica qui. Riporto di seguito alcune parti molto utili a mio parere per impostare il discorso sul tema:
«La scienza della sincronia è nata nel IV secolo avanti Cristo, quando Androstene, scriba di Alessandro Magno, sulla strada per l’India osservò che le foglie degli alberi di tamarindo si aprivano sempre durante il giorno e si chiudevano la notte. Un altro esempio storico è dato dalle osservazioni di Huygens. Il grande scienziato nel 1665 fu attratto da un fenomeno che lo incuriosì: due pendoli, appesi ad una parete della sua camera da letto, inizialmente non sincronizzati, dopo un po’ di tempo oscillavano insieme, avvicinandosi e separandosi in direzioni opposte, quindi in opposizione di fase. Huygens scoprì che, anche se si disturbavano le oscillazioni dei due pendoli, essi, entro mezz’ora, ritornavano sempre in consonanza. Al contrario, dopo averli separati su due pareti diverse, in un giorno si sfasavano di ben cinque secondi.
Nel secolo scorso, si sono interessati ai fenomeni di sincronismo vari fisici del calibro di Albert Einstein, Richard Feynman, Brian Josephson e Yoshiki Kuramoto. Se ne sono occupati anche matematici come Norbert Wiener, biologi come Charles Czeisler e Arthur Winfree; il teorico del caos Edward Lorenz ed altri. L’obiettivo era capire come milioni di neuroni, criceti o lucciole riescano all’improvviso a tenere lo stesso passo, senza un leader né segnali esterni».
[…]
«Negli anni Sessanta alcuni scienziati si interessarono in modo particolare ad un caso di sincronia creato dalle lucciole: da 300 anni i viaggiatori provenienti dal Sudest asiatico raccontavano che enormi gruppi di lucciole si radunavano lungo le sponde dei fiumi e lampeggiavano tutte all’unisono e con un periodo costante. Ricerche successive hanno poi mostrato che sono i maschi a sincronizzarsi. Si pensa infatti che lo spettacolo sia un richiamo per le femmine, che altrimenti non riuscirebbero a vederli. Una possibile conferma a questa ipotesi è che la maggior parte degli episodi di sincronia sono presenti nelle zone caratterizzate da una fitta vegetazione, come la Thailandia o la Malesia. Inizialmente si pensava che ci fosse una specie di direttore d’orchestra, una lucciola che desse il tempo a tutte le altre. In realtà si è visto che, anche se vengono isolate, le lucciole continuano a lampeggiare con lo stesso ritmo: questo indizio potrebbe suggerire che esiste un orologio interno, un oscillatore non ancora individuato che controlla il lampeggiamento e capace di adattarsi al ritmo mostrato dalle altre lucciole. Per studiare direttamente questo fenomeno tanto singolare, il biologo Buck decise di recarsi in Thailandia; lì osservò un gruppo di lucciole che, inizialmente, lampeggiavano in modo scoordinato, poi, prima a gruppi di due, poi di tre, cominciarono a lampeggiare all’unisono. Col passare del tempo questi gruppi di sincronia crescevano spontaneamente, come se un numero sempre più grande di lucciole adattasse il proprio ritmo a quello delle altre, senza essere coordinato da un particolare leader. Successivamente, attraverso esperimenti in laboratorio, si dimostrò che impulsi luminosi esterni riescono a influenzare il lampeggiamento di una lucciola, come se quel suo oscillatore interno fosse in tal modo regolabile».
[…]
«Esistono molti esempi di sistemi che raggiungono la sincronia: sistemi biologici come, ad esempio, colonie di lucciole o di grilli; il sistema delle cellule pacemaker del cuore o di quelle cerebrali; sistemi inanimati come insiemi di particelle subatomiche o sociali, quali gli agenti di borsa che con la loro azione sincronizzata possono provocare i boom ed i crolli del mercato azionario. Esempio di sincronizzazione è anche dato dal modo di applaudire del pubblico di uno spettacolo che, dopo una fase transitoria, spontaneamente batte le mani all’unisono».
[…]
«Anche le applicazioni sono notevoli: il concetto di sincronia è stato sfruttato per la costruzione di orologi atomici altamente precisi, nella rete di distribuzione elettrica americana, per gli studi sulle malattie causate dalla fibrillazione, che si verifica quando la sincronia viene meno, come nel caso del cancro».
La Giannuzzi cita il libro di Steven Strogatz “Sync” tradotto anche in italiano con il titolo “Sincronia. I ritmi della natura, i nostri ritmi”. Vi consiglio di ascoltare la seguente conferenza tenuta da Strogatz in persona, perché oltre a essere un esercizio di Inglese è anche molto divertente e suggestiva, con molti video e dimostrazioni: dagli stormi in volo nei cieli, o da una semplice dimostrazione di come si possano far sincronizzare due metronomi, fino al celebre caso del Millennium Bridge di Londra (un ponte che purtroppo oscillava troppo! Ne avevo parlato ai tempi anch’io in un articolo sulla rivista erewhon) e una interessante simulazione finale che ne analizza le cause. La conferenza fa parte dei TEDTalks, durante i quali ricercatori e scienziati raccontano in soli 18 minuti le idee brillanti che animano la loro ricerca. Il taglio è divulgativo e molto ironico, vale la pena ascoltarle!! Ted significa Technology, Entertainment, Design: maggiori informazioni nella seguente pagina.
Link
Una pagina di National Geographic dedicata alla lucciola
Ecco un libro costruito con una serie di “schede didattiche” o di “voci” che affrontano tantissimi aspetti dei fenomeni luminosi dal «punto di vista fisico, biofisico, astronomico, tecnologico e storico» come sottolinea l’autore, Olmes Bisi. Professore ordinario di Fisica generale presso la facoltà di ingegneria dell’Università di Modena e Reggio Emilia, Bisi svolge da anni attività di ricerca nel campo dell’optoelettronica: «tuttavia» scrive nell’introduzione, a proposito della nascita di questo testo «l’ispirazione primaria è scaturita dalla scoperta di un innovativo approccio alla didattica, noto in tutto il mondo come reggio approach». Approccio didattico che tramite veri e propri atelier della scienza, coinvolge gli studenti (e anche tutti gli altri partecipanti) «nell’indagine creativa […] attraverso attività gratificanti, incoraggiando le curiosità senza imbrigliare i ragionamenti, promuovendo lo svolgimento di libere indagini, che da un lato sviluppino la sfera cognitiva e dall’altra gratifichino, attraverso un lavoro creativo». Chi entra in un atelier si avvicina alle leggi della natura, ognuno secondo la propria sensibilità e personalità perché gli educatori dell’atelier si limitano a «sollecitare la creatività, senza condizionare la formazione dei ragionamenti e delle teorie».
Nel libro quindi, oltre alla scheda che affronta ogni singolo argomento, troviamo anche spunti per ulteriori approfondimenti e soprattutto tante utili domande senza riposta, sotto ai titoli “per quale ragione?” e “può essere vero?”. Domande fertili per iniziare un brain storming in classe, per stimolare le capacità intuitive, immaginative e logico-razionali…
Una interessante attività on line Ma c’è di più: sul sito web del professor Bisi è possibile rispondere a queste domande e iniziare una discussione on line. L’idea è molto originale e dà la possibilità di comunicare direttamente con l’autore e con tutti i suoi lettori e di confrontarsi con argomenti scientifici, proprio come avviene nella ricerca reale. Si possono anche votare le risposte e le opinioni che ci convincono di più. Gli indirizzi diretti sono: può essere vero? e per quale ragione?
Una domanda che mi è particolarmente piaciuta è la seguente, sul prisma: «Nel 1973 i Pink Floyd pubblicarono per la EMI l’album The Dark Side of the Moon (Il lato oscuro della Luna), sulla cui copertina era riportata l’immagine di un raggio luminoso rifratto da un prisma come nella figura, commettendo un errore. Quale?»
Risorse on line Pregio del libro (del quale – a propostito! – non ho ancora detto il titolo: “Visibile e invisibile. Le meraviglie dei fenomeni luminosi”, Sironi ed.) sono anche le tante illustrazioni, ovviamente molto colorate e con valenza storica, esplicativa, espositiva, insomma sempre sfruttabile dal punto di vista didattico. Tutto ha un suo spazio, dall’antichissima macchina di Anticitera del II secolo a. C. ai Led e alla luce di sincrotrone, passando per i fulmini o per la visione dei pesci o la fotosintesi clorofilliana. Uno spazio ridotto al massimo a tre pagine: il dono della sintesi, dell’esattezza insieme alla chiarezza comunicativa non è da tutti.
Se non avete ancora il libro sottomano, non c’è di meglio che curiosare nel sito di Bisi, che oltre a un link di googlenel quale consultare alcune pagine del libro (consiglio ad esempio a pag. 25-26 “Alhazen e la scoperta della luce” o “temperatura di colore” a pag. 201-202) indica moltissime pagine web con risorse e materiali, dai siti con immagini, a quelli con video o per approfondimenti, insieme a una fornita bibliografia.
Il satellite argentino Sac-D, in orbita dal 10 giugno, ha a bordo la missione della Nasa denominata “Aquarius” che analizzerà per la prima volta la salinità dei mari e degli oceani su tutto il globo terrestre. Durerà tre anni e i primi dati sono già arrivati: ecco la prima mappa della distribuzione mondiale della salinità marina (+ link diretto).
Dalla mappa si osserva come la salinità sia più alta nelle regioni subtropicali e come sia maggiore in media nell’Oceano Atlantico rispetto al Pacifico e all’Indiano; i valori sono più bassi lungo la fascia equatoriale, nell’Oceano Pacifico settentrionale e sulle acque prossime al circolo polare artico.
Le diverse concentrazioni spesso si possono spiegare per la presenza di grandi fiumi o di precipitazioni abbondanti (come quelle delle zone equatoriali), insieme all’evaporazione e allo scioglimento dei ghiacciai.
Il monitoraggio continuo e sistematico della concentrazione salina dei mari è molto importante per studiare e comprendere meglio i cambiamenti climatici, le correnti oceaniche e il ciclo dell’acqua: «Questo è un grande momento nella storia dell’oceanografia. La prima immagine della salinità degli oceani solleva molte domande, alle quali gli oceanografi dovranno rispondere» commenta Arnold Gordon, professore di oceanografia della Columbia University di Palisades (New York).
«C’è molta curiosità nell’ambiente scientifico per verificare se e cosa cambierà nei valori di questa grandezza al passare delle stagioni, cosa che potrebbe essere fondamentale per capire tante cose del clima» si legge inoltre sul blog di Aldo Piombino.
Da prof di Fisica, mi sono subito chiesta come fanno a misurare la salinità dall’alto e ho scoperto che utilizzano un radiometroche rileva l’emissione termica della superficie degli oceani. “Cioè le onde infrarosse emesse dalle acque?” mi sono detta… No! Non si tratta di infrarossi, ma di microonde! Alle frequenze vicine a quelle dei nostri forni a microonde, il livello di emissione da parte delle acque oceaniche dipende proprio dalla loro salinità. Oltre che dalla loro temperatura, ovviamente. «This energy, which is measured as an equivalent “brightness” temperature in Kelvin, has a direct correlation to surface salinity. Other things being equal, salty water appears cooler than freshwater» si legge sulla pagina della missione Nasa: l’acqua salata appare quindi più fredda dell’acqua dolce. [P. S. ho messo come immagine un comune radiometro che di solito abbiamo nei laboratori a scuola].
C’è già un bel po’ di materiale per fare qualche esercizio sulla capacità termica, confrontando acqua dolce e salata.
Ma c’è ancora un altro aspetto sperimentale molto curioso: le onde oceaniche infatti creano molti problemi nell’esperimento, perché con il loro moto modificano l’emissione da parte delle acque e disturbano in segnale dovuto alla concentrazione salina, a causa del fenomeno di interferenza. Ecco un bellissimo esempio di interferenza fra onde (tra l’altro, sempre in programma per la classe quarta scientifico, ad esempio, insieme a termometria e termodinamica). I ricercatori quindi hanno dovuto utilizzare un altro strumento per correggere gli effetti indesiderati dovuti all’interferenza delle onde oceaniche: uno scatterometro radar.
Esercizio per gli studenti: cerca in inernet come funzionano “radiometer” e “radar scatterometer”, con parole chiave rigorosamente in inglese. Troveranno ancora la diffrazione di Bragg (della quale avevo parlato il 25 settembre. A proposito: avevate visto che i quasi cristalli si sono meritati un Premio Nobel? :-) ).
La notizia è straordinaria (sì, lo so ci sono anche i neutrini… ma ne parlerò settimana prossima!! ):
«Per la prima volta ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca e della New York University sono riusciti a costruire “gabbie” fatte di molecole che riescono a ospitare altre molecole cambiandone forma e proprietà. Le strutture, tenute insieme da legami a idrogeno, sono molto stabili e, cosa ancor più straordinaria, assumono le forme geometriche che gli studiosi decidono di volta in volta di realizzare». Quando l’ho letta, la mia parte matematica ha gioito, perché le prime forme geometriche sperimentate dai ricercatori sono state quelle dei 13 poliedri Archimedei, figure ideali della geometria solida descritte nel III secolo a.C.
La ricerca è durata due anni ed è il frutto della collaborazione fra Angiolina Comotti ricercatrice di Chimica Fisica nel Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca e il professor Michael Ward del Dipartimento di Chimica della New York University; i risultati sono stati pubblicati sul numero del 21 luglio 2011 della rivista Science.
Nel comunicato stampa si legge che grazie a questo “confinamento molecolare” (dovuto alle gabbie che hanno una geometria “artificiale”) le molecole ospitate in esse acquistano nuove proprietà che per via chimica sarebbe impossibile conseguire. «È una bella soddisfazione – dice Angiolina Comotti – riuscire a costruire ciò che si è progettato a tavolino e ancor di più far fare alle molecole compiti precisi. È un po’ come se riuscissimo a far cambiare mestiere alle molecole».
Questo argomento si può sviluppare in classe da vari punti di vista, perché coinvolge fisica, chimica, geometria e biologia (penso al collegamento con i virus, che sono gabbie molecolari “naturali”, o al legame fra struttura terziaria e funzione delle proteine…).
Lineediscienza preferisce orientarsi verso il legame fra forme geometriche e natura, di eco pitagorico, che è un altro bell’esempio di come la matematica sia un linguaggio molto fecondo per la fisica. E la matematica in questione è la geometria. Il primo approfondimento didattico potrebbe riguardare la scoperta dei quasi cristalli: provare a fare un brain storming a partire dalla domanda “che cos’è un cristallo secondo voi?” e portare poi immagini di reticoli cristallini insieme a diverse definizioni, come “un cristallo è costituito da un arrangiamento periodico di atomi o gruppi di atomi, detto reticolo”. Legare la struttura microscopica regolare dei cristalli alla proprietà geometrica di simmetria. “Quanti tipi di simmetria può avere un cristallo di NaCl?” ecc. Dal punto di vista matematico, certi tipi di simmetrie per rotazione sono però impossibili da realizzare nei reticoli periodici: per esempio la cosiddetta “simmetria di rotazione quintupla rispetto a un asse”, cioè la rotazione di un angolo di 72° (che corrisponde a un quinto di 360°) rispetto a un qualsiasi asse scelto, creerà una configurazione sempre diversa da quella del reticolo di partenza.
L’aspetto sensazionale è che nel 1982 dalle analisi spettroscopiche compiute da Dan Shechtman di alcune sostanze metalliche, emerse proprio questa simmetria quintupla, che la geometria aveva dimostrato “impossibile”! Gli atomi di tali sostanze – chiamate poi “quasi cristalli” – sono disposti in maniera ordinata ma non periodica. I matematici chiamano tali strutture “tassellature non periodiche dello spazio” e i bellissimi lavori di Roger Penrosene sono un esempio.
A questo punto si può anche assegnare una ricerca sulle tecniche spettroscopiche in fisica che permettono di svelare la struttura interna dei materiali, per concentrarsi sulla diffrazione a raggi x. E portare in classe un Cd per vedere lo spettro (chiamiamolo anche “arcobaleno”…) che si crea, grazie alla diffrazione di Bragg. Viceversa, se si sta affrontando l’argomento di ottica, si può parlare dei quasi cristalli come una delle possibili applicazioni pratiche della diffrazione.
Un’altra proposta di riflessione in classe è di tipo filosofico-storico, che prende in considerazione il modello dell’universo che ideò Keplero basato sui cinque poliedri regolari di Euclide. Secondo tale disegno l’universo è rappresentato come una serie di solidi “annidati” uno dentro l’altro, con al centro il sole. Vi consiglio questo ipertesto intitolato “solidi platonici” che nella pagina dedicata a Keplero, oltre alle illustrazioni storiche, contiene anche il link all’animazione a cura del Planetario di Milano, che ben illustra l’idea cosmologica del grande pensatore.
In fisica teorica, il principio olografico sostiene che l’universo sia un ologramma tridimensionale che emerge da un universo a due dimensioni. Insomma che la nostra percezione dello spazio a tre dimensioni sarebbe illusoria, il che non è una novità se si pensa alle teorie che sostengono che viviamo in quattro o addirittura in undici dimensioni. Ma l’impatto che ha sulla nostra immaginazione è molto diverso: infatti da un universo a più dimensioni, nel caso del principio olografico ci si “riduce” a una mera bidimensionalità, quasi fossimo personaggi che emergono dai fogli di un libro o – peggio – da un programma di computer… un vero e proprio “olodramma”, se mi perdonate la battuta!
