Linee di scienza

Vi ricordate il post su Auriga e le onde gravitazionali? Oggi, sempre nell’ottica di presentare alla classe esempi di centri di ricerca in Italia, parlerò dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn). La forma “scheda didattica” mi sembra quella più comoda: si parte con una introduzione dedicata alla parte della Fisica studiata nei laboratori, per poi passare alla descrizione degli esperimenti e ai loro attuali risultati e finire con eventuali esercizi. Ho cercato di porre particolare attenzione ai collegamenti con il programma che studiamo a scuola e agli approfondimenti, soprattutto con i neutrini che negli ultimi tempi sono diventati le “star” delle particelle (si veda, per esempio, il post “neutrini alla lavagna”).

Fisica delle particelle e astrofisica nucleare

Nella pagina web introduttiva ai Laboratori, si legge: «Principali argomenti di ricerca dell’attuale programma sono: la fisica dei neutrini naturalmente prodotti nel Sole e in esplosioni di Supernova, e lo studio delle oscillazioni del neutrino attraverso un fascio di neutrini provenienti dal Cern (programma Lngs), la ricerca della massa del neutrino in decadimenti doppio b senza emissione di neutrini, la ricerca sulla materia oscura e lo studio di reazioni nucleari di interesse astrofisico». Gli argomenti sono fra quelli previsti dalla riforma per la classe quinta liceo scientifico, ben sintetizzati nella pagina web intitolata “Viaggio ai laboratori dell’Infn” nella lista seguente:

1. Raggi cosmici
2. Materia oscura
3. Neutrini
4. Radioattività

Per quanto riguarda i neutrini, sono catalogati in tre famiglie o “sapori”: vale a dire neutrini elettronici, muonici e tauonici. Alcune volte i neutrini possono “oscillare” in maniera periodica e trasformarsi da un sapore all’altro.

Le origini dei neutrini sono molte e riassumibili nella seguente lista di sorgenti naturali (come riporta il sito Infn già citato):

• Neutrini terrestri dovuti alla radioattività naturale di minerali terrestri
• Neutrini atmosferici prodotti dai raggi cosmici che bombardano l’atmosfera
• Neutrini solari prodotti dalle reazioni di fusione sul sole
• Neutrini da esplosioni di supernovae
• Neutrini fossili prodotti durante il Big-Bang

E sorgenti artificiali:

• Neutrini da acceleratori di particelle: ai Lngs si rivelano quelli prodotti al Cern
• Neutrini da reattori nucleari prodotti dalle reazioni di fissione nucleare che avvengono all’interno di un reattore nucleare.

I neutrini, essendo privi di carica e con massa estremamente piccola rispetto a tutte le altre particelle, interagiscono pochissimo con la materia (che per loro risulta essere come “trasparente”) . Per intercettarli bisogna costruire rivelatori massivi (di molte tonnellate) posti in un ambiente a bassa radioattività naturale e nel quale sia limitato il flusso di altre particelle di “disturbo” come quelle nei raggi cosmici.

Gli esperimenti e i Laboratori

I laboratori nazionali del Gran Sasso sono i più grandi laboratori sotterranei del mondo e sono sede di circa 15 esperimenti in collaborazione con 29 Paesi diversi.

Ci soffermiamo sull’esperimento “Borexino” (nell’immagine) perché è apparso di recente sulle pagine dei giornali scientifici con due notizie, riguardanti i geoneutrini e i neutrini “sterili”.

I geoneutrini provenienti dal mantello terrestre sono stati scoperti nel 2010 proprio da Borexino e i nuovi dati presentati quest’anno alla Conferenza Internazionale sulla scienza dei neutrini tenutasi a Venezia, confermano la presenza nel mantello di elementi radioattivi sia della famiglia uranio-238 sia di quella del torio-232. Questi elementi sono responsabili del riscaldamento del nostro pianeta perché producono in continuazione energia termica e gli ultimi dati hanno rivelato che l’entità di tale energia è di circa la metà dell’energia termica totale della Terra. Questi risultati smentiscono la teoria che prevede che il riscaldamento terrestre provenga solo dai giacimenti di uranio presenti nel nucleo centrale, il cosiddetto geo-reattore. I dati inoltre sono in accordo con le misure effettuate su meteoriti provenienti dallo spazio, che presentano lo stesso rapporto fra uranio e torio di quello del mantello terrestre: si confermano così le teorie sull’origine del sistema solare.

I neutrini “sterili” sono invece stati ipotizzati per spiegare alcune anomalie del fenomeno delle oscillazioni dei neutrini; durante queste oscillazioni infatti si produce un numero di neutrini inferiore a quello previsto dalla teoria e per spiegare questa scomparsa si è pensato che potrebbero esistere dei neutrini “sterili” capaci di mescolarsi alle tre famiglie note e soprattutto tali da non interagire attraverso alcuna delle interazioni del Modello standard. Se fossero rivelati sperimentalmente quindi, espanderebbero il mondo delle particelle sinora previste teoricamente, che coinvolge l’interazione elettromagnetica, nucleare forte e debole. La notizia è del 12 giugno scorso: il Consiglio Europeo delle Ricerche ha finanziato con 3,5 milioni di euro il Progetto Sox (Short distance neutrino Oscillations with BoreXino) che nei prossimi cinque anni cercherà di rivelare questi nuovi neutrini. La loro esistenza inoltre potrebbe dare “nuovi indizi sulla natura della materia oscura” come afferma il fisico Marco Pallavicini che coordina il progetto.

I laboratori del Gran Sasso organizzano visite guidate anche per le scolaresche. Tutte le informazioni sono sul sito web.

Infine, un utile esercizio di Clil è quello di capire come funziona il rivelatore Borexino; in rete infatti per ora è disponibile solo una descrizione in Inglese, essendo un progetto internazionale. Seguite il link “about Borexino” e … buon lavoro!

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Il 2013 è l’anno della Matematica per il pianeta terra (MPE2013 Mathematics of Planet Earth 2013) una iniziativa promossa da più di cento organizzazioni, società scientifiche, istituti di ricerca e università di tutto il mondo. Su LinxMagazine il gruppo di matematici italiani che figura sotto lo pseudonimo di “Loretta Salino” ha scritto un articolo interessante, con un approfondimento sulla teoria del caos di Lorenz e sui sistemi dinamici non lineari.

In questo periodo dell’anno gli studenti delle classi quinte, oltre a prepararsi per l’esame, stanno pensando a quale facoltà scegliere e fornire loro materiale informativo sulla matematica applicata è di sicuro un aiuto in più: riporto quindi le frasi finali dell’articolo:

«Per i futuri scienziati la sfida che si apre è quella di mettere a fattor comune le esperienze svolte fin qui in diversi campi allo scopo di sviluppare nuovi modelli adatti a sistemi ancora più complessi, in cui le dinamiche degli ecosistemi interagiscono con quelle delle economie umane. Saranno centrali tutte quelle branche della matematica che sapranno fare da ponte tra i diversi ambiti della scienza. Per fare alcuni esempi: la biomatematica, i processi stocastici, le teorie del controllo ottimale, la matematica finanziaria, la teoria dei giochi. Gli studenti interessati a lavorare in questa direzione potranno sfruttare le iniziative di MPE2013 per programmare nel modo migliore il proprio piano di studi, nella speranza che a una nuova matematica corrispondano nuovi stili di vita, più sostenibili, meno aggressivi, più rispettosi dell’equilibrio del nostro pianeta».

Per quanto riguarda il mese di aprile in particolare, l’American Mathematical Society, l’American Statistical Association, la Mathematical Association of America, e la Society for Industrial and Applied Mathematics hanno indetto per il Mathematics Awareness Month (“mese della consapevolezza/sensibilizzazione della matematica”) il seguente tema: “Mathematics of Sustainability” (la matematica della sostenibilità). Se si esplora il poster interattivo on line è possibile rendersi conto di quanti siano i campi di applicazione nei quali la matematica può portare un contributo attivo: dalle città (a partire dagli edifici sostenibili), ai ghiacciai, ai cambiamenti climatici, all’agricoltura…

Uno dei tanti esempi da portare agli studenti può essere, per esempio, quello del coefficiente o indice di Gini. Ideato nei primi del Novecento dallo statistico italiano Corrado Gini, è un numero compreso fra 0 e 1 che può dare una stima delle disuguaglianze all’interno di una popolazione; misura quanto una risorsa è distribuita in maniera equa: se vale zero l’uguaglianza è completa e più si avvicina all’unità, più la risorsa è invece concentrata solo nelle mani di piccoli gruppi.
Come si legge su Wikipedia:

«La definizione matematica del coefficiente di Gini si basa sulla curva di Lorenz della distribuzione ed è legata all’area compresa fra la linea di perfetta uguaglianza e la curva di Lorenz. Il coefficiente di Gini è definito come il rapporto fra l’area compresa tra la linea di perfetta uguaglianza e la curva di Lorenz (A) e l’area totale sotto la linea di perfetta uguaglianza (A+B), ovvero G = A / (A+B). Siccome l’intervallo sull’asse x va da 0 a 1, allora A + B = 0.5 e dunque il coefficiente di Gini è anche uguale a G = 2A = 1 – 2B». Nel seguente grafico la zona colorata rappresenta il coefficiente di Gini (asse delle x percentuale della popolazione e asse delle y percentuale del reddito).»

In un articolo dell’11 marzo 2013 il Corriere della Sera cita proprio l’indice di Gini per analizzare le disuguaglianze di reddito in Italia e in Europa (misurato fra 0 e 100). Con la crisi la classe media si impoverisce e l’indice di Gini cresce…

Fra le iniziative di quest’anno vi segnalo infine la settimana MPE2013 che inizia il 15 aprile a Milano a cura del Dipartimento di Matematica “F. Enriques” e con il patrocinio dell’Accademia nazionale dei Lincei e dell’Istituto lombardo Accademia di scienze e lettere. Tre giorni di conferenze pomeridiane affiancate da due mostre e un Convegno. Il programma della manifestazione è a questo indirizzo.

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È partito il conto alla rovescia: nella notte fra il 5 e il 6 giugno sarà possibile osservare il passaggio del pianeta Venere sul Sole. In Italia purtroppo si potrà vedere solo l’egresso, cioè il momento di uscita dal disco solare e sarà di mattina presto (attenzione a non fissare mai il sole direttamente, ma munirsi di filtri protettivi). L’evento è molto raro, in tutto il 1900 non si è mai presentato e noi abbiamo avuto la fortuna di vederlo anche nel 2004. Il prossimo passaggio sarà nel 2117. La prima osservazione da parte di un astronomo risale solo al 1639.

Ho letto un libro proprio appassionante sull’argomento, che si intitola “Il passaggio di Venere” della scrittrice Andrea Wulf (Ponte alle Grazie, 2012), che racconta le osservazioni dei due passaggi avvenuti nel 1761 e 1769. Vi starete chiedendo che ci possa essere di appassionante in un puntino nero che attraversa il sole (e in effetti questo era anche il parere del botanico Joseph Banks che a Tahiti, quando Cook cercava di misurare il passaggio, continuò invece a raccogliere piante!) e soprattutto perché abbia interessato tanto gli scienziati. Il motivo è importantissimo invece, perché fu proprio grazie alle osservazioni del ‘700 che finalmente gli esseri umani poterono misurare la distanza terra-sole. Prima di allora nessuno aveva idea delle sue dimensioni, si erano fatte delle stime, ma nessuna conferma sperimentale attendibile. Insomma, grazie al passaggio di Venere finalmente l’umanità avrebbe avuto una misura delle dimensioni del sistema solare (in quanto le distanze degli altri pianeti dal sole erano già state calcolate tutte rispetto alla distanza terra sole presa come unità di misura, l’unità astronomica UA, appunto). Fantastico, no? Che responsabilità sulle spalle degli astronomi di quel secolo! E che sogni di gloria per ognuno di loro!! Venere era la «chiave per svelare quel segreto».
L’autrice sostiene inoltre che il passaggio di Venere fu l’occasione per la nascita di una comunità scientifica internazionale, al di là delle divisioni politiche fra i Paesi, perché il successo della misurazione della distanza terra-sole dipendeva dal confronto fra misure e osservazioni che dovevano essere prese in luoghi molto distanti su tutto il nostro pianeta.
È veramente molto romantico sapere che il tutto partì dall’idea e dalla passione di un unico uomo e cioè Edmond Halley che molti anni prima, nel 1716, pubblicò un saggio con la sua teoria e con un appello agli scienziati futuri che non si lasciassero sfuggire questa grande occasione. «Halley stava chiedendo ai suoi futuri discepoli di imbarcarsi in un progetto più grande e più visionario di qualunque impresa scientifica mai compiuta sino ad allora. I viaggi irti di pericoli verso remoti avamposti avrebbero richiesto molti mesi, o forse persino anni. Gli astronomi avrebbero rischiato la vita per un evento celeste che sarebbe durato solo sei ore e che sarebbe stato visibile solo se le condizioni metereologiche fossero state favorevoli». […] «Le osservazioni del transito di Venere dovevano essere il più ambizioso progetto scientifico che fosse mai stato programmato: un’impresa straordinaria. […] Anche il loro proposito di calcolare le distanze esatte nello spazio era un’idea ardita, considerando che gli orologi non erano ancora abbastanza accurati da misurare con precisione la longitudine, né esisteva un’unità di misura uniforme: un miglio inglese aveva una lunghezza diversa rispetto al miglio dei paesi di lingua tedesca, che a sua volta variava tra la Germania del Nord e l’Austria. Un mil in Svezia corrispondeva a più di dieci chilometri, in Norvegia a più di undici, mentre una lega francese poteva essere pari a tre chilometri, così come a quattro chilometri e mezzo. Nella sola Francia esistevano duemila diverse unità di misura, che variavano persino tra villaggi vicini. Tenendo conto di tutto ciò, l’idea di fondere centinai di osservazioni effettuate dagli astronomi di tutto il mondo per trovare un valore comune sembrava incredibilmente ambiziosa».
Le avventure narrate dalla Wulf sono degne di un romanzo di Stevenson, fra battaglie su vascelli nemici e spedizioni al Circolo Polare Artico o nei mari del Sud. Ogni pagina lascia nella memoria lo stupore verso la forza e la caparbietà di quegli scienziati che dovettero prima convincere i propri connazionali a finanziare il loro progetto e poi affrontare difficoltà tremende per realizzare il loro sogno e anche purtroppo per vederselo infrangere per colpa di una nuvola o di un banco di fumo causato dai contadini che proprio nel momento del passaggio di Venere avevano deciso di bruciare l’erba!! C’è chi appena Venere apparve fu preso da tremore e cadde a terra svenuto e chi invece rischiò la vita pur di osservarla e chi purtroppo la perse nell’impresa, morendo di tifo poco dopo, per esempio, perché pur sapendo dell’epidemia aveva preferito contrarre l’infezione piuttosto che andarsene e non poter effettuare le osservazioni. Si rimane con il fiato sospeso, ogni spedizione fu una vera e propria odissea. C’è chi «rimpiangeva di aver fatto l’astronomo», chi «si risvegliava ogni mattina con le lenzuola indurite dal gelo e le assi a capo del letto coperte da uno strato di ghiaccio spesso quasi la metà di esse […] mentre il bicchiere di brandy ghiacciava in pochi minuti, l’orologio si fermava a causa delle temperature rigide», chi all’equatore a causa dell’aria carica di umidità vedeva che «i libri rilegati in pelle si ricoprivano di una patina di muffa bianca, i rasoi divennero inutilizzabili e i coltelli arrugginivano in tasca ai marinai».
«Mai prima di allora scienziati e pensatori si erano alleati su scala mondiale» scrive Andrea Wulf «né la guerra, né gli interessi nazionali o le condizioni avverse riuscirono a fermarli. La forza del loro impegno non aveva pari e i legami internazionali che creò restarono saldi anche quando i transiti si erano conclusi da tempo».
Il libro è accompagnato da tante illustrazioni e disegni dell’epoca che lo rendono ancora più gradevole.

Link
Per informazioni sul passaggio di quest’anno c’è un articolo sul notiziario dell’Inaf, nel quale trovare anche un’ottima pagina didattica in pdf  (per capire come con poca trigonometria sia possibile misurare la distanza terra-sole a partire dalla misura sperimentale dell’angolo di parallasse) e infine la pagina web dedicata al transito.

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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 google nel 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.

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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 radiometro che 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? :-)  ).

Link:
La pagina della Nasa missione Aquarius ha un’ottima sezione didattica nella quale si possono trovare interessanti osservazioni e attività da proporre in classe (consiglio quella sulla densità dell’acqua marina).

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