Linee di scienza

La notizia è di marzo: per la prima volta è stato osservato il fenomeno della sovrapposizione di stati  in un oggetto macroscopico.
La meccanica quantistica prevede che un sistema si possa trovare nella cosiddetta sovrapposizione di stati e cioè l’insieme di tutti i suoi possibili stati contemporaneamente. Solo con l’operazione della misura la “funzione d’onda”, che descrive il sistema, “collassa” in un unico stato. Questo aspetto che va contro la logica comune (secondo la quale, per esempio, non ci si può trovare in due posti differenti allo stesso istante, a meno di non essere Dio…) fu oggetto del famoso paradosso del gatto di Schroedinger. Secondo questo paradosso un gatto, se soggetto a una catena di eventi dipendente da un fenomeno quantistico (come il decadimento radioattivo, che innesta un meccanismo letale per il gatto), potrebbe essere vivo e morto allo stesso tempo, perché prima che qualcuno apra la scatola nella quale il povero felino è rinchiuso, l’atomo radioattivo si trova in entrambi gli stati, quello che lascia vivo il gatto e quello che provoca la sua morte. Per una descrizione del paradosso, consiglio questa pagina realizzata dagli studenti del Liceo scientifico G. Banzi Bazoli di Lecce, nell’ambito del concorso di “Scienza per tutti” indetto dall’Infn per l’anno internazionale della Fisica.
Il paradosso fa emergere le difficoltà logiche che si incontrano quando le leggi del mondo microscopico sono applicate a sistemi che non hanno dimensioni atomiche. Questo perché le leggi del mondo microscopico seguono una logica diversa da quella classica, che ha appunto preso il nome di logica quantistica. Se vi interessa, a questo indirizzo trovate un saggio di Maria Luisa Dalla Chiara intitolato “Logica e fisica”.

Tornando alla notizia di quest’anno, il gruppo di ricerca di Andrew Cleland dell’Università della California di Santa Barbara, ha realizzato un sistema macroscopico, delle dimensioni di 60 micron (quindi osservabile anche senza microscopio) che si comporta come un sistema quantistico e in particolare che oscilla e non oscilla allo stesso tempo. Il dispositivo è costituito da uno “stecchino” di metallo in grado di oscillare, raffreddato a temperature bassissime, collegato con un circuito elettrico superconduttore. Il circuito è il “ponte” fra il mondo microscopico e quello macroscopico, perché può essere preparato in una sovrapposizione quantistica di due stati ed è in grado di far entrare in risonanza la barretta metallica, in modo tale da trasferirle il suo stato “doppio”.
I problemi di realizzazione dell’esperimento sono legati sia alle difficoltà per raggiungere le bassissime temperature, sia alla fragilità estrema del fenomeno, perché l’ambiente esterno tende a distruggerlo: lo stato di sovrapposizione dura solo pochi nanosecondi.
Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Nature ed è stato comunicato al convegno dell’American Physical Society del 17 marzo a Portland (Oregon). La notizia è stata diffusa al largo pubblico dalla rivista New Scientist (on line ci sono quasi 80 commenti).

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Sono appena stata due giorni a Milano con i miei studenti alla manifestazione Scienza Under 18, che come ogni anno rappresenta un’ottima occasione per appassionarsi alla scienza e per “fare scuola” in prima persona.
Vale la pena ricordare di che cosa si tratta, lasciando parlare gli stessi organizzatori: “Su18 è un progetto sull’educazione scientifica composto da due moduli diversi correlati. Il primo si svolge in classe, dove la scienza viene analizzata e costruita, cioè appresa; il secondo si svolge fuori dalla scuola, in spazi organizzati da Su18, dove la scienza viene riappresa in forme diverse – in virtù del fatto che deve essere riproposta – dagli studenti ad altri studenti visitatori. In questi spazi espositivi la comunicazione pubblica della scienza prodotta a scuola si trasforma in un nuovo contesto di apprendimento per gli studenti stessi (espositori e visitatori) e di ricerca e formazione per gli insegnanti.
A Su18 i protagonisti assoluti sono gli studenti. Infatti a Su18 gli studenti comunicano scienza ad altri studenti in una dinamica interattiva e creativa sempre nuova che produce e riproduce nuova conoscenza scientifica.”

La manifestazione si è svolta alla Rotonda della Besana, all’Acquario Civico, al Museo di Storia Naturale e alla Loggia dei Mercanti, di fronte a Piazza Duomo, tutte sedi storiche e prestigiose della città. Oltre agli exhibit, anche quest’anno abbiamo visto il teatro scientifico, un simposio, la sfida alla scienza (con le catapulte!) e la mostra “Scatti di scienza”. Non c’è modo migliore per documentarsi che ascoltare i racconti degli stessi ragazzi che, simulando una redazione di giornale, documenteranno l’evento. Dove? Prima di tutto alla radio: la radiocronaca in diretta degli studenti di Radio Rinascita è a questo indirizzo. E poi sul numero speciale del giornale dell’Agenzia dei ragazzi che uscirà a breve. Anche radio24 ne parlerà oggi e domani su Moebius e lunedì troverete altri articoli scritti dagli studenti, sul sito della trasmissione.
Io sono rimasta colpita da tantissime esposizioni, a partire da quelle sul suono della scuola media di Via Cipro, sul Teorema di Pitagora dell’Istituto Sperimentale Rinascita fino a quelle di automazione industriale di una ascensore dell’ITIS Ettore Conti e di un mulino che galleggiando sull’acqua di un fiume genera corrente elettrica realizzato dall’IPSIA Bernocchi di Legnano, così come dal laboratorio di biologia molecolare dell’Istituto Virgilio di Milano con l’Istituto Bassi di Lodi in collaborazione con la fondazione Ifom…
Tutte le fotografie sono state realizzare dal gruppo di Fotoreporter dell’ ITSOS Albe Steiner di Milano.

La manifestazione è nazionale, settimana scorsa si è svolta a Milano, Pescara, Monza e Pavia e per le prossime settimane sarà la volta di Lodi, Gorizia, Rozzano, Mantova, Brescia, Siena, Genova… fino al Mozambico in settembre.

Segnalo ancora un progetto legato a Scienza Under 18 e all’associazione “FormaScienza” di Roma, che si intitola “La scienza degli studenti” del Liceo Scientifico Tosi di Busto Arsizio: due serate caffèscienza aperte non solo agli studenti, ma anche a tutti gli interessati. Le serate, finanziate dal Ministero Istruzione Università Ricerca e dal liceo si terranno nella sede del liceo in via Grossi, 3 il 17 maggio e il 24 maggio alle ore 20.30.

Trovate ulteriori informazioni ingrandendo la locandina.

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Il post di Teresa Celestino sui laboratori nelle scuole superiori mi ha fatto pensare e così qui parlerò iniziando dalla mia esperienza. Ho lavorato in un ITIS (indirizzo Chimico e Informatico) per quattro anni consecutivi quando ero ancora supplente: insegnavo Fisica ai ragazzi di prima e seconda. Sì, mantenere la disciplina era una bella sfida, con ragazzi ancora “poco scolarizzati” e turbolenti, con riunioni insieme a tutti i genitori per affrontare casi di bullismo, casi di sospensioni, ecc. ecc. Io ero appena laureata e tornavo a casa senza voce, però i problemi disciplinari si risolvevano soprattutto se il consiglio di classe era unito e mandava messaggi precisi ai ragazzi, per renderli consapevoli di come sia importante vivere le ore a scuola in maniera serena e senza conflitti.
Avevo quattro ore alla settimana, due di lezione e due di laboratorio, nel quale siamo sempre andati e devo ringraziare la professionalità dell’assistente (che impostava i lavori insieme a me) e della tecnica (nel senso di “tecnico donna”) che mi hanno aiutata a rendere quelle ore significative e importanti. Avevamo un sacco di relazioni da correggere, che volta dopo volta diventavano più precise e più corrette: i ragazzi le stendevano in laboratorio inizialmente in gruppo, soprattutto per quanto riguarda la raccolta dei dati, e poi le completavano a casa. Imparavano così anche a presentare e a scrivere un lavoro scientifico. Memore delle richieste universitarie degli esami di laboratorio, di relazioni scritte valutate che contribuiscono moltissimo al voto finale, ho cercato di dare loro le competenze necessarie per “cavarsela” anche dopo.
Il nostro vicepreside era Fisico come me e passava tutte quattro le ore in laboratorio con le classi del primo anno, impostando un lavoro incentrato sul pendolo semplice, che abbracciava con vari collegamenti tutta la Meccanica! Per prepararmi al concorso ordinario gli avevo chiesto le sue dispense da studiare e così ho potuto apprezzare di persona le tantissime pagine che aveva realizzato negli anni, un lavoro bellissimo. Lo stesso vicepreside aveva fatto una volta un’osservazione che mi aveva colpita e che avevo in seguito riscontrato anch’io con i miei studenti: e cioè che i ragazzi di adesso (eravamo negli anni 1996-98, ma l’osservazione vale ancor di più ora) hanno estreme difficoltà manuali, trovano difficile montare un semplice circuito o un pendolo… insomma non sanno da dove cominciare… penso sia una caratteristica diffusa della generazione dei nativi digitali, sempre più capaci di gestire il mondo virtuale e sempre meno quello pratico di bulloni e spaghi.
Avevo partecipato a un convegno della Società Italiana di Fisica (SIF) a Perugia nel lontano 1994 e già si discuteva dell’utilità di introdurre i laboratori virtuali, di sicuro aiuto come supporto alla didattica, però insostituibili rispetto a quelli reali. Insomma, un conto è il laboratorio dove le cose cadendo fanno anche rumore e un conto è la simulazione al computer di un laboratorio…

Da quando sono di ruolo e cioè da dieci anni, insegno in un liceo che ha vari indirizzi, scientifico, linguistico, sociopsicopedagogico ecc. e in effetti il laboratorio è più sguarnito rispetto a quelli dell’ITIS, anche se – grazie a un collega volenteroso e a un tecnico di buona volontà – ha esperienze interessanti, come l’esperimento per calcolare il rapporto fra la carica e la massa degli elettroni o un bellissimo emettitore di microonde con il quale rendersi conto del comportamento delle onde elettromagnetiche, ecc. ecc. Ho insegnato al triennio dello scientifico e con solo due ore di Fisica in terza non ho avuto quasi mai il tempo di andarci, se volevo rispettare il programma, purtroppo, mentre i colleghi dello scientifico sperimentale PNI a indirizzo Informatico al biennio portavano le classi due ore a settimana in laboratorio. Al linguistico, Fisica era al biennio e anche lì, il laboratorio mi è servito soprattutto come luogo per sfatare i luoghi comuni della nostra intuizione, grazie al tubo a vuoto di Newton nel quale un sasso e una piuma cadono insieme e ancora grazie alla campana a vuoto nella quale un palloncino si gonfia e il suono sparisce. Adesso al liceo sociopsicopedagogico, Fisica si insegna in quarta liceo per quattro ore a settimana e ho modo di fare alcune esperienze, anche se la mia frase classica è questa “ragazzi non pensiate di andare in laboratorio a fare Fisica sperimentale, perché è tutta un’altra cosa: noi andiamo a fare una simulazione di un esperimento e cioè a riscoprire cose già scoperte da altri! Altri che ci misero magari anni prima di arrivare a un risultato accettabile” assegno anche letture e approfondimenti sulla storia degli esperimenti.
Non dico mai che cosa dobbiamo trovare, ma imposto il lavoro in forma di domanda, cioè ad esempio “andiamo a vedere da che cosa dipende il periodo di un pendolo, fate le misure e poi datemi la risposta” oppure “vediamo come si comportano i corpi elettrizzati” ecc. ecc..
Parlando con un mio collega Fisico con una lunga esperienza di insegnamento alle spalle, mi diceva che anche per lui ha poco senso ripetere a pappagallo con schede preimpostate un “esperimento” e che la competenza fondamentale che i ragazzi devono acquisire è quella sul metodo di misura, e sulla trattazione della teoria degli errori, fondamentale per un fisico sperimentale; quindi lui in laboratorio fa eseguire tantissime misure e fa scontrare gli studenti con tutte le problematiche che inevitabilmente sorgono. L’altro giorno mi diceva ad esempio che un’esperienza molto bella è quella di chiedere di misurare lo spessore di un foglio a partire dalla misura di una risma di 500 fogli (e anche la loro massa, visto che sulla confezione dei fogli A4 oltre alle dimensioni è sempre indicata anche la densità). Insomma, ottenere molto anche con “poco”.

Quest’anno inoltre ho avuto la fortuna di seguire un incontro che mi è valso come utile corso di aggiornamento, alla scuola “Rinascita” di Milano, con formatori quali Marcello Sala e ricercatori come Tommaso Castellani di formaScienza (tra l’altro, entrambi hanno collaborato con LinxMagazine con gli articoli “Scienza in scena. A scuola” e “Studenti al caffé”) perché è attualmente in atto un progetto fra le scuole di Roma e Milano, finanziato dal Miur che si chiama “La scienza degli studenti” nel quale si propone anche un approccio innovativo all’uso dei laboratori. A partire dalla domanda se si possano far riscoprire le leggi scientifiche agli studenti, si stanno realizzando dei laboratori didattici che «mettendo lo studente nei panni del ricercatore, riportino il “non sapere” al centro. Questo tipo di laboratorio simula il processo di scoperta e la dinamica sociale della ricerca scientifica. Un simile approccio, oltre a contribuire alla formazione di una visione non ingenua della ricerca scientifica, si adatta particolarmente alle modalità di pensiero tipiche dell’infanzia e dell’adolescenza». Il punto di vista è quello della didattica costruttivista e della cosiddetta “didattica per problemi” nella quale si mette in atto una strategia flessibile di ascolto della modalità di pensiero degli studenti, con il laboratorio che diventa luogo di ipotesi e scoperta piuttosto che di verifica di una conoscenza già consolidata.

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Vi segnalo un breve video che illustra un effetto macroscopico del moto di agitazione termica delle molecole di un liquido (in questo caso di semplice acqua): il contenitore di destra ha una temperatura minore di quello di sinistra; gettando in entrambi una goccia d’inchiostro si può osservare come nel fluido più caldo essa si disperda velocemente, a causa del numero maggiore di urti con le molecole. La temperatura infatti è legata alla velocità media delle molecole: i corpo più caldo ha molecole che in media si “agitano” di più.
Il video si intitola “Brownian motion” ed è tratto dalla collezione “Cool physics” che vi consiglio di visitare.

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Il liceo classico “Marco Foscarini” di Venezia offre un intero Museo di Fisica da visitare on line a questo indirizzo. Il “Museo di Fisica Antonio Maria Traversi” in carne e ossa si trova nel liceo ed è nato dal recupero degli strumenti del Gabinetto di Fisica dell’800, che sono stati oggetto anche di una mostra nel 1994. Inaugurato nel 2003, il museo espone circa 225 antichi strumenti di fisica sia di tipo didattico sia di ricerca, che datano dal XVII fino ai primi decenni del XX secolo, alcuni dei quali sono pezzi unici.
Come si legge nella presentazione: «gli apparecchi del Liceo appartengono a un particolare passato della fisica in cui gli strumenti (anche se meno precisi degli equivalenti moderni, ma assai curati esteticamente) possedevano l’innegabile pregio didattico di far ancora vedere come funzionavano. Se poi si considera che in certi casi ciò che viene esposto è proprio il primo modello originale dello strumento dal quale poi ne nasceranno altri più perfezionati e precisi fino a quelli odierni, il particolare percorso nella storia della fisica tra “scienza e arte” offerto dal Museo al visitatore acquista maggiore importanza.
Degli antichi strumenti superstiti un numero rilevante è in ottimo stato di conservazione e in buona parte ancora oggi funzionante. Infatti diversi apparati sono stati rimessi in funzione per poter essere utilizzati sia nel laboratorio di fisica che nel Museo. Si è deciso, anche nell’allestire il Museo, di non spogliare gli antichi strumenti del loro importantissimo compito didattico, che proprio in passato ha motivato l’acquisto di tanti dispositivi».
Il museo virtuale ha tantissimo da offrire, di sicura utilità didattica: immagini, schede tecniche, percorsi didattici…perfino i testi dell’800 che spiegano gli esperimenti. Dalla meccanica, ai fluidi, alla termodinamica, all’ottica, acustica fino all’elettromagnetismo, le scoperte non finiscono mai: è possibile vedere le fotografie dell’apparato di Oersted oppure del torchio idraulico, per fare solo due esempi, accompagnate da note storiche, teoriche e bibliografiche.
Abbiamo di fronte un ottimo strumento per approfondire e arricchire la nostra conoscenza della Fisica. Approfittiamone: le scoperte saranno moltissime! Provate a visitare anche l’interessantissima sezione sugli strumenti “misteriosi”, che rappresenta una sfida ancora da risolvere.

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