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17 equazioni che hanno cambiato il mondo

26 Ago

Nel 2013 Ian Stewart, professore emerito di matematica presso l’università di Warwick, ha pubblicato un libro molto interessante e che consiglio a tutti di leggere, almeno per chi non ha problemi con l’inglese. Come da titolo di questo articolo, il libro si intitola “Alla ricerca dello sconosciuto: 17 equazioni che hanno cambiato il mondo”.

Perchè ho deciso di dedicare un articolo a questo libro?

In realtà, il mio articolo, anche se, ripeto, è un testo che consiglio, non vuole essere una vetrina pubblicitaria a questo testo, ma l’inizio di una riflessione molto importante. Queste famose 17 equazioni che, secondo l’autore, hanno contribuito a cambiare il mondo che oggi conosciamo, rappresentano un ottimo punto di inizio per discutere su alcune importanti relazioni scritte recentemente o, anche, molti secoli fa.

Come spesso ripetiamo, il ruolo della fisica è quello di descrivere il mondo, o meglio la natura, che ci circonda. Quando i fisici fanno questo, riescono a comprendere perchè avviene un determinato fenomeno e sono altresì in grado di “predirre” come un determinato sistema evolverà nel tempo. Come è possibile questo? Come è noto, la natura ci parla attraverso il linguaggio della matematica. Modellizare un sistema significa trovare una o più equazioni che  prendono in considerazione i parametri del sistema e trovano una relazione tra questi fattori per determinare, appunto, l’evoluzione temporale del sistema stesso.

Ora, credo che sia utile partire da queste 17 equzioni proprio per riflettere su alcuni importanti risultati di cui, purtroppo, molti ignorano anche l’esistenza. D’altro canto, come vedremo, ci sono altre equazioni estremanete importanti, se non altro per le loro conseguenze, che vengono studiate a scuola senza però comprendere la potenza o le implicazioni che tali risultati hanno sulla natura.

Senza ulteriori inutili giri di parole, vi presento le 17 equazioni, ripeto secondo Stewart, che hanno cambiato il mondo:

Le 17 equazioni che hanno cambiato il mondo secondo Ian Stewart

Le 17 equazioni che hanno cambiato il mondo secondo Ian Stewart

Sicuramente, ognuno di noi, in base alla propria preparazione, ne avrà riconosciute alcune.

Passiamo attraverso questa lista per descrivere, anche solo brevemente, il significato e le implicazioni di questi importanti risultati.

Teorema di Pitagora

Tutti a scuola abbiamo appreso questa nozione: la somma dell’area dei quadrati costruiti sui cateti, è pari all’area del quadrato costruito sull’ipotenusa. Definizione semplicissima, il più delle volte insegnata come semplice regoletta da tenere a mente per risolvere esercizi. Questo risultato è invece estremamente importante e rappresenta uno dei maggiori assunti della geometria Euclidea, cioè quella che tutti conoscono e che è relativa al piano. Oltre alla tantissime implicazioni nello spazio piano, la validità del teorema di Pitagora rappresenta una prova indiscutibile della differenza tra spazi euclidei e non. Per fare un esempio, questo risultato non è più vero su uno spazio curvo. Analogamente, proprio sfruttando il teorema di Pitagora, si possono fare misurazioni sul nostro universo, parlando proprio di spazio euclideo o meno.

 

Logaritmo del prodotto

Anche qui, come riminescenza scolastica, tutti abbiamo studiato i logaritmi. Diciamoci la verità, per molti questo rappresentava un argomento abbastanza ostico e anche molto noioso. La proprietà inserita in questa tabella però non è affatto banale e ha avuto delle importanti applicazioni prima dello sviluppo del calcolo informatizzato. Perchè? Prima dei moderni calcolatori, la trasformazione tra logaritmo del prodotto e somma dei logaritmi, ha consentito, soprattutto in astronomia, di calcolare il prodotto tra numeri molto grandi ricorrendo a più semplici espedienti di calcolo. Senza questa proprietà, molti risultati che ancora oggi rappresentano basi scientifiche sarebbero arrivati con notevole ritardo.

 

Limite del rapporto incrementale

Matematicamente, la derivata di una funzione rappresenta il limite del rapporto incrementale. Interessante! Cosa ci facciamo? La derivata di una funzione rispetto a qualcosa, ci da un’indicazione di quanto quella funzione cambi rispetto a quel qualcosa. Un esempio pratico è la velocità, che altro non è che la derivata dello spazio rispetto al tempo. Tanto più velocemente cambia la nostra posizione, tanto maggiore sarà la nostra velocità. Questo è solo un semplice esempio ma l’operazione di derivata è uno dei pilastri del linguaggio matematico utilizzato dalla natura, appunto mai statica.

 

Legge di Gravitazione Universale

Quante volte su questo blog abbiamo citato questa legge. Come visto, questa importante relazione formulata da Newton ci dice che la forza agente tra due masse è direttamente proporzionale al prodotto delle masse stesse e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. A cosa serve? Tutti i corpi del nostro universo si attraggono reciprocamente secondo questa legge. Se il nostro Sistema Solare si muove come lo vediamo noi, è proprio per il risultato delle mutue forze agenti sui corpi, tra le quali quella del Sole è la componente dominante. Senza ombra di dubbio, questo è uno dei capisaldi della fisica.

 

Radice quadrata di -1

Questo è uno di quei concetti che a scuola veniva solo accennato ma che poi, andando avanti negli studi, apriva un mondo del tutto nuovo. Dapprima, siamo stati abituati a pensare ai numeri naturali, agli interi, poi alle frazioni infine ai numeri irrazionali. A volte però comparivano nei nostri esercizi le radici quadrate di numeri negativi e semplicemente il tutto si concludeva con una soluzione che “non esiste nei reali”. Dove esiste allora? Quei numeri non esistono nei reali perchè vivono nei “complessi”, cioè in quei numeri che arrivano, appunto, da radici con indice pari di numeri negativi. Lo studio dei numeri complessi rappresenta un importante aspetto di diversi settori della conoscenza: la matematica, l’informatica, la fisica teorica e, soprattutto, nella scienza delle telecomunicazioni.

 

Formula di Eulero per i poliedri

Questa relazione determina una correlazione tra facce, spigoli e vertici di un poliedro cioè, in parole semplici, della versione in uno spazio tridimensionale dei poligoni. Questa apparentemente semplice relazione, ha rappresentato la base per lo sviluppo della “topologia” e degli invarianti topologici, concetti fondamentali nello studio della fisica moderna.

 

Distribuzione normale

Il ruolo della distribuzione normale, o gaussiana, è indiscutibile nello sviluppo e per la comprensione dell’intera statistica. Questo genere di curva ha la classica forma a campana centrata intorno al valore di maggior aspettazione e la cui larghezza fornisce ulteriori informazioni sul campione che stiamo analizzando. Nell’analisi statistica di qualsiasi fenomeno in cui il campione raccolto sia statisticamente significativo e indipendente, la distribuzione normale ci fornisce dati oggettivi per comprendere tutti i vari trend. Le applicazioni di questo concetto sono praticametne infinite e pari a tutte quelle situazioni in cui si chiama in causa la statistica per descrivere un qualsiasi fenomeno.

 

Equazione delle Onde

Questa è un’equazione differenziale che descrive l’andamento nel tempo e nello spazio di un qualsiasi sistema vibrante o, più in generale, di un’onda. Questa equazione può essere utilizzata per descrivere tantissimi fenomeni fisici, tra cui anche la stessa luce. Storicamente poi, vista la sua importanza, gli studi condotti per la risoluzione di questa equazione differenziale hanno rappresentato un ottimo punto di partenza che ha permesso la risoluzione di tante altre equazioni differenziali.

 

Trasformata di Fourier

Se nell’equazione precedente abbiamo parlato di qualcosa in grado di descrivere le variazioni spazio-temporali di un’onda, con la trasformata di Fourier entriamo invece nel vivo dell’analisi di un’onda stessa. Molte volte, queste onde sono prodotte dalla sovrapposizione di tantissime componenti che si sommano a loro modo dando poi un risultato finale che noi percepiamo. Bene, la trasformata di Fourier consente proprio di scomporre, passatemi il termine, un fenomeno fisico ondulatorio, come ad esempio la nostra voce, in tante componenti essenziali più semplici. La trasformata di Fourier è alla base della moderna teoria dei segnali e della compressione dei dati nei moderni cacolatori.

 

Equazioni di Navier-Stokes

Prendiamo un caso molto semplice: accendiamo una sigaretta, lo so, fumare fa male, ma qui lo facciamo per scienza. Vedete il fumo che esce e che lentamente sale verso l’alto. Come è noto, il fumo segue un percorso molto particolare dovuto ad una dinamica estremamente complessa prodotta dalla sovrapposizione di un numero quasi infinito di collissioni tra molecole. Bene, le equazioni differenziali di Navier-Stokes descrivono l’evoluzione nel tempo di un sistema fluidodinamico. Provate solo a pensare a quanti sistemi fisici includono il moto di un fluido. Bene, ad oggi abbiamo solo delle soluzioni approssimate delle equazioni di Navier-Stokes che ci consentono di simulare con una precisione più o meno accettabile, in base al caso specifico, l’evoluzione nel tempo. Approssimazioni ovviamente fondamentali per descrivere un sistema fluidodinamico attraverso simulazioni al calcolatore. Piccolo inciso, c’è un premio di 1 milione di dollari per chi riuscisse a risolvere esattamente le equazioni di Navier-Stokes.

 

Equazioni di Maxwell

Anche di queste abbiamo più volte parlato in diversi articoli. Come noto, le equazioni di Maxwell racchiudono al loro interno i più importanti risultati dell’elettromagnetismo. Queste quattro equazioni desrivono infatti completamente le fondamentali proprietà del campo elettrico e magnetico. Inoltre, come nel caso di campi variabili nel tempo, è proprio da queste equazioni che si evince l’esistenza di un campo elettromagnetico e della fondamentale relazione tra questi concetti. Molte volte, alcuni soggetti dimenticano di studiare queste equazioni e sparano cavolate enormi su campi elettrici e magnetici parlando di energia infinita e proprietà che fanno rabbrividire.

 

La seconda legge della Termodinamica

La versione riportata su questa tabella è, anche a mio avviso, la più affascinante in assoluto. In soldoni, la legge dice che in un sistema termodinamico chiuso, l’entropia può solo aumentare o rimanere costante. Spesso, questo che è noto come “principio di aumento dell’entropia dell’universo”, è soggetto a speculazioni filosofiche relative al concetto di caos. Niente di più sbagliato. L’entropia è una funzione di stato fondamentale nella termodinamica e il suo aumento nei sistemi chiusi impone, senza mezzi termini, un verso allo scorrere del tempo. Capite bene quali e quante implicazioni questa legge ha avuto non solo nella termodinamica ma nella fisica in generale, tra cui anche nella teoria della Relatività Generale di Einstein.

 

Relatività

Quella riportata nella tabella, se vogliamo, è solo la punta di un iceberg scientifico rappresentato dalla teoria della Relatività, sia speciale che generale. La relazione E=mc^2 è nota a tutti ed, in particolare, mette in relazione due parametri fisici che, in linea di principio, potrebbero essere del tutto indipendenti tra loro: massa ed energia. Su questa legge si fonda la moderna fisica degli acceleratori. In questi sistemi, di cui abbiamo parlato diverse volte, quello che facciamo è proprio far scontrare ad energie sempre più alte le particelle per produrne di nuove e sconosciute. Esempio classico e sui cui trovate diversi articoli sul blog è appunto quello del Bosone di Higgs.

 

Equazione di Schrodinger

Senza mezzi termini, questa equazione rappresenta il maggior risultato della meccanica quantistica. Se la relatività di Einstein ci spiega come il nostro universo funziona su larga scala, questa equazione ci illustra invece quanto avviene a distanze molto molto piccole, in cui la meccanica quantistica diviene la teoria dominante. In particolare, tutta la nostra moderna scienza su atomi e particelle subatomiche si fonda su questa equazione e su quella che viene definita funzione d’onda. E nella vita di tutti i giorni? Su questa equazione si fondano, e funzionano, importanti applicazioni come i laser, i semiconduttori, la fisica nucleare e, in un futuro prossimo, quello che indichiamo come computer quantistico.

 

Teorema di Shannon o dell’informazione

Per fare un paragone, il teorema di Shannon sta ai segnali così come l’entropia è alla termodinamica. Se quest’ultima rappresenta, come visto, la capicità di un sistema di fornire lavoro, il teorema di Shannon ci dice quanta informazione è contenuta in un determinato segnale. Per una migliore comprensione del concetto, conviene utilizzare un esempio. Come noto, ci sono programmi in grado di comprimere i file del nostro pc, immaginiamo una immagine jpeg. Bene, se prima questa occupava X Kb, perchè ora ne occupa meno e io la vedo sempre uguale? Semplice, grazie a questo risultato, siamo in grado di sapere quanto possiamo comprimere un qualsiasi segnale senza perdere informazione. Anche per il teorema di Shannon, le applicazioni sono tantissime e vanno dall’informatica alla trasmissione dei segnali. Si tratta di un risultato che ha dato una spinta inimmaginabile ai moderni sistemi di comunicazione appunto per snellire i segnali senza perdere informazione.

 

Teoria del Caos o Mappa di May

Questo risultato descrive l’evoluzione temporale di un qualsiasi sistema nel tempo. Come vedete, questa evoluzione tra gli stati dipende da K. Bene, ci spossono essere degli stati di partenza che mplicano un’evoluzione ordinata per passi certi e altri, anche molto prossimi agli altri, per cui il sistema si evolve in modo del tutto caotico. A cosa serve? Pensate ad un sistema caotico in cui una minima variazione di un parametro può completamente modificare l’evoluzione nel tempo dell’intero sistema. Un esempio? Il meteo! Noto a tutti è il cosiddetto effetto farfalla: basta modificare di una quantità infinitesima un parametro per avere un’evoluzione completamente diversa. Bene, questi sistemi sono appunto descritti da questo risultato.

 

Equazione di Black-Scholes

Altra equazione differenziale, proprio ad indicarci di come tantissimi fenomeni naturali e non possono essere descritti. A cosa serve questa equazione? A differenza degli altri risultati, qui entriamo in un campo diverso e più orientato all’uomo. L’equazione di Black-Scholes serve a determinare il prezzo delle opzioni in borsa partendo dalla valutazione di parametri oggettivi. Si tratta di uno strumento molto potente e che, come avrete capito, determina fortemente l’andamento dei prezzi in borsa e dunque, in ultima analisi, dell’economia.

 

Bene, queste sono le 17 equazioni che secondo Stewart hanno cambiato il mondo. Ora, ognuno di noi, me compreso, può averne altre che avrebbe voluto in questa lista e che reputa di fondamentale importanza. Sicuramente questo è vero sempre ma, lasciatemi dire, questa lista ci ha permesso di passare attraverso alcuni dei più importanti risultati storici che, a loro volta, hanno spinto la conoscenza in diversi settori. Inoltre, come visto, questo articolo ci ha permesso di rivalutare alcuni concetti che troppo spesso vengono fatti passare come semplici regolette non mostrando la loro vera potenza e le implicazioni che hanno nella vita di tutti i giorni e per l’evoluzione stessa della scienza.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

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Quante miglia con un litro di acqua di mare?

15 Apr

Diversi lettori mi hanno contatto privatamente per chiedere info riguardo una notizia che sicuramente avrete letto e che e’ stata rimbalzata su praticamente tutti i giornali nazionali. Come avrete capito dal titolo di questo post, mi riferisco alla notizia di qualche giorno fa in cui la Marina Americana, o meglio il centro ricerche di questo corpo militare, ha annunciato al mondo di essere riuscito a produrre carburante a base di idrocarburi partendo dall’acqua di mare.

Se provate a documentarvi in rete, e vi chiedo di farlo, troverete, come sempre e come cattiva abitudine, 2 o 3 testi differenti ricopiati spudoratamente su tutti i giornali, siti e blog della rete.

Perche’ mi preoccupo di questo? Semplice, non nel caso specifico ma come visto per altre notizie, se la fonte primaria presenta un errore, un dettaglio sbagliato e non spiega alcuni passaggi importanti, tutti gli altri gli vanno dietro dimostrando ancora una volta l’effetto gregge!

Detto questo, come richiesto, torniamo a pensare alla famosa notizia in questione. Leggendo la notizia trovate scritto che, come anticipato, i ricercatori al servizio della Marina avrebbero prodotto combustibile partendo solo ed esclusivamnete dall’acqua di mare. Questo combustibile puo’ gia’ essere utilizzato per alimentare navi da guerra e caccia militari. La dimostrazione? Semplice, come testimonia il vidoe che trovate praticamente ovunque, il combustibile e’ stato usato per far voare un modello di Mustang P-51, tipo di aereo utilizzato durante la seconda guerra mondiale. Secondo i ricercatori coinvolti, la produzione di combustibile dall’acqua di mare e’ gia’ realta’, ma saranno necessari altri 10 anni prima che questa tecnologia venga utilizzata per il rifornimento.

Vantaggi?

Evidenti, ma e’ meglio elencarli di nuovo: le navi potranno percorrere tratti piu’ lunghi in mare aperto senza dover attraccare nei porti per il rifornimento, adottare questa alimentazione eliminerebbe i rischi tecnici e ambientali che un rifornimento in mare aperto prevede ma, soprattutto, usate acqua per produrre combustibile!

Vi rendete conto?

Acqua di mare, tanta, pulita, semplice e assolutamente rinnovabile per produrre combustibile. Altro che re Mida che trasformava in oro quello che toccava o la pietra filosofale degli alchimisti, acqua salata in combustibile. Vi rendete conto di questo? Sono decenni che parliamo di green economy, energie rinnovabili, ambiente, ecc e ora si puo’ produrre combustibile dall’acqua di mare. Commento molto frequente sulla rete su questa notizia: a questo punto potremmo finalmente rottamare quelle pericolose navi nucleari che solcano i nostri mari e che sono delle vere e proprie bombe atomiche galleggianti.

Perche’ aspettare 10 anni per questa rivoluzione, investiamo tutto in questa ricerca e portiamola a conclusione. Facciamo in modo che questa soluzione possa essere commerciale subito, magari anche per altri mezzi di trasporto.

Vi sto insospettendo con questo mix di entusiasmo in forma grottesca? Forse, ed in questo caso l’espressione e’ proprio azzeccata, non e’ tutto oro quello che luccica.

Prima cosa, che molti giornali dimenticano di dire perche’ troppo affannati a fare copia/incolla e gridare al miracolo: come si trasforma l’acqua di mare in combustibile?

Senza spiegare in dettaglio la chimica delle varie reazioni, il processo puo’ essere cosi’ descritto: si sfrutta ovviamente l’acqua ma anche l’anidride carbonica normalmente sciolta nell’acqua di mare. In che modo? Anidride carbonica e idrogeno vengono separati facendoli passare attraverso una cella elettrificata. In questa fase, nell’anodo e nel catodo si accumulano rispettivamente ioni idrogeno e gas idrogeno e anidride carbonica. Successivamente i prodotti vengono fatti passare attraverso una camera riscaldata in cui viene posto un catalizzatore ferroso. Compito di quest’ultimo e’ favorire la produzione di idrocarburi con 8-9 atomi di carbonio che vengono poi raccolti da un catalizzatore al nichel. Risultato, una miscela di idrocarburi utilizzabile come combustibile per la vostra nave.

Quale sarebbe il problema di questo processo? Voi mettete l’acqua e ottenete idrocarburi. Rileggete quanto scritto in precedenza, anidride carbonica e idrogeno vengono “separati” utilizzando una cella “elettrificata”. Inoltre, i prodotti vengono fatti passare attraverso una camera “riscaldata” con un catalizzatore.

Vi dicono niente le parole “elettrificata” e “riscaldata”? Come si elettrifica o si riscalda qualcosa? Semplice, dovete dargli energia.

Cosa significa questo?

Come potete facilmente immaginare, il processo non e’ assolutamente gratuito o cosi’ miracoloso come i giornali vorrebbero farvi credere. Attenzione, non sto facendo il bastian contrario per partito preso, sto solo cercando di mostrare, appunto, che non e’ tutto oro quello che luccica.

Nessun giornale che propone la notizia parla di “rendimento” di questo processo. Purtroppo, allo stato attuale delle cose, l’efficienza della reazione, ottenuta confrontando prima di tutto l’energia contenuta in un litro di carburante con l’energia spesa per produrre quel litro ma anche il rendimento della produzione di quella stessa energia elettrica, non e’ assolutamente elevata. Anzi, per dirla tutta, questo processo e’, allo stato attuale, energeticamente sfavorevole.

Ora, dire “energeticamente sfavorevole” non significa buttare via tutto. La notizia riportata mostra un ottimo punto “di ricerca” raggiunto in questo ambito ma ci vorranno ancora molti anni per arrivare a qualcosa di realmente utilizzabile. Mia opinione personale e’ che i 10 anni di cui si parla siano assolutamente una sottostima dei tempi necessari.

Perche’ dico questo?

Come detto all’inizio, la notizia e’ di questi giorni. Cercando in rete, si trova pero’ un documento, sempre della Marina americana, datato 2010, in cui si fa il punto proprio su questa ipotetica tecnologia:

Documento 2010, combustibile da acqua salata

Leggendo quanto riportato, si parla di un’energia richiesta per la produzione del carburante, in particolare della prima elettrolisi nella cella elettrificata, doppia rispetto a quella realmente ottenibile dal carburante prodotto. Ora, nel gito di 4 anni, le cose sono sensibilmente migliorate, ma siamo ancora abbastanza lontani da poter definire questa tecnologia matura per essere commercializzata.

Altra osservazione importante. Per la prima elettrolisi serve energia. Tralasciando il rapporto tra quella spesa e quella prodotta, se siamo in mezzo al mare, dove prendiamo questa energia? Semplice, la produciamo con sistemi nucleari! Capito bene? Con sistemi nucleari che producono energia elettrica per la nave. Non fraintendete, personalmente non mi sto affatto sconvolgendo, trovo semplicemente grottesco che tanti annuncino entusiasti questa notizia parlando di sostituzione del nucleare sulle navi, non sapendo che per far andare questa tecnologia la stessa marina militare avrebbe pensato di utilizzare energia prodotta da fissione nucleare.

Se e’ tutto vero quello che scrivo, perche’ non commento il video dell’aereo che vola con questo carburante? Ho scritto da qualche parte che la notizia e’ una bufala al 100%? Non mi sembra, uno dei prodotti finale delle reazioni e’ proprio una sorta di combustibile utilizzabile. Notate pero’ una cosa, quello che vi mostrano e’ un modellino molto in miniatura di un aereo militare. Per far volare questo oggetto servono pochi ml di combustibile, quantita’ infinitamente minore di quella che servirebbe anche solo per far partire una nave da guerra.

Conclusione, la notizia riguardante questa scoperta e’ stata ridicolizzata a causa del sensazionalismo imperante ormai su tutti i giornali. La ricerca e’ assolutamente interessante e degna di osservazione. Quanto proposto e’ da intendersi come un “work in progress” e cosi’ sara’ ancora per molto tempo. Qualora si riuscisse ad ottimizzare l’intero processo e a migliorarne il rendimento, sicuramente questa soluzione potrebbe apportare notevoli miglioramenti non solo in termini navali ma, soprattutto, in termini ambientali. Non ci resta che continuare a monitorare questo settore e vedere se ci saranno novita’ nei prossimi anni.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Metano su Marte: c’e’, non c’e’, c’era?

26 Set

Nella sezione:

Hai domande o dubbi

e’ stato richiesto un argomento molto interessante e attuale. Come potete vedere, si chiede un aggiornamento sulle ultime misure fatte da Curiosity, il rover che sta eplorando Marte, alla luce della notizia, tanto pubblicizzata, della concentrazione minore rispetto alle aspettative di metano. Come anticipato, si tratta di un argomento molto interessante e scientificamente importante. Purtroppo, anche questa volta, molti giornali e siti si sono lanciati in notizie eclatanti, senza pero’ spiegare in dettaglio qual e’ il significato di questo risultato, ma soprattutto cosa ci si aspetta per il futuro.

Per chi volesse maggiori informazioni sulla missione e sulle scoperte fatte, abbiamo parlato di Curiosity in questi post:

Curiosity: scoperta sensazionale?

– Curiosity e gli UFO

– Curiosity e gli UFO: dopo le foto, il video. 

Ecco la scoperta di Curiosity

Detto questo, e’ interessante ripercorrere la storia del metano su Marte, ragionando soprattutto su che cosa questa misura significihi.

Cerchiamo di ragionare insieme. Come sapete, a parte per il discorso ufo e avvistamenti vari che lascia il tempo che trova, uno degli obiettivi dell’esporazione spaziale e’, tra i tanti altri, quello di capire se c’e’ vita sugli altri pianeti del Sistema Solare o anche se in passato ci sono state le condizioni affinche’ una qualche forma di vita si sia sviluppata.

Fin qui ci siamo. Ogni qual volta si parla di condizioni adatte alla vita, qual e’ il primo parametro che viene citato? Ovviamente la presenza di acqua. Il motivo di questo e’ scontato per tutti e non c’e’ bisogno di replicarlo. Molte missioni osservative di Marte hanno dimostrato come in passato ci fosse molta acqua sul pianeta rosso. Addirittura sono stati ossservati i segni tipici lasciati da fiumi, laghi e mari, come solchi, ammassi di fanghi essiccati, letti di fiumi ormai asciutti, ecc. Inoltre, sulle calotte di Marte e’ presente ghiaccio. Queste distese hanno anche una variabilita’ stagionale cosi’ come avviene sulla Terra. Anche oggi ci sono evidenze di acqua in forma liquida, anche se in misura estremamente minore in superificie.

Bene, dunque su Marte c’e’ acqua. Questo significa che c’e’ vita? Assolutamente no. Per dirlo in termini matematici, la presenza di acqua sul pianeta e’ una condizione necessaria per sviluppare determinate forme di vita. Questa condizione non e’ pero’ sufficiente, cioe’ se c’e’ vita c’e’ acqua, ma non e’ vero il viceversa.

A questo punto, non avendo visto nessun marziano salutarci attraverso le telecamere dei rover, dobbiamo cercare qualche altro parametro. In questo caso, quello che possiamo vedere e’ se c’e’ metano in atmosfera.

Perche’ e’ importante la presenza di metano?

Prendiamo come esempio la Terra, dove non credo di dover dimostrare che c’e’ vita. L’atmosfera terrestre e’ molto ricca di metano. Da dove viene? Circa il 90% del metano che troviamo nella nostra atmosfera viene da forme vitali. Che significa? Una frazione viene dalla decomposizione di specie che rilasciano questo gas, mentre gran parte viene prodotto direttamente dal metabolismo di alcuni animali. Come sicuramente saprete, monitorare il metano nella nostra atmosfera e’ molto importante per via dell’effetto serra portato da questo gas. Uno dei contributi maggiori al metano viene dalla digestione delle mucche.

Detto questo, capite bene come la presenza di metano in atmosfera puo’ essere in qualche modo legato alla presenza di vita su un pianeta.

Fin qui ci siamo, ma torneremo su questi discorsi a breve per continuare a portare avanti il nostro ragionamento.

Prima di Curiosity, c’erano delle misure della quantita’ di metano nell’atmosfera di Marte? Certamente si, misure, anche se tra loro abbastanza discordi, venivano da osservazioni con telescopi da Terra e da satelliti in orbita intorno al pianeta rosso. Tra queste, vi erano alcune misurazioni che mostravano dati abbastanza entusiasmanti.

Senza troppi giri di parole, vi mosro un’immagine in falsi colori ottenuta partendo dai dati della sonda Mars Express nel 2004:

 

Metano nell'atmosfera di Marte. Fonte: Mars Explorer

Metano nell’atmosfera di Marte. Fonte: Mars Explorer

Cosa rappresenta? Le diverse colorazioni indicano la concentrazione piu’ o meno alta di metano nell’atmosfera di Marte. Come vedete, seguendo la scala in basso, ci sono dei punti che appaiono molto rossi, cioe’ con concentrazioni anche fino a 30 parti per miliardo (ppb) di metano.

Dunque? Su Marte c’e’ o c’era acqua, su Marte c’e’ metano quindi su Marte c’e’ vita!

Questo ragionamento potrebbe esssere azzardato e scientificamente non corretto. Come detto prima, sempre in termini matematici, avere acqua e’ una condizione necessaria, avere metano e’ una condizione necessaria, avere acqua e metano e’ una condizione necessaria, ma nessuna delle due, neanche simultaneamente, e’ una condizione sifficiente.

Non poter gridare alla scoperta del secolo, non significa non fare ricerca. L’evidenza di questi rilasci in atmosfera meritano di essere studiati in dettaglio per vedere se effettvamente sono sinonimo di vita oppure no.

Detto questo, cosa facciamo? Mandiamo Curiosity a vedere direttamente sulla superficie di Marte. Tra i tanti strumenti, il rover ha a disposizione spettrometri pensati proprio per misurare le concentrazioni di gas in atmosfera.

Cosa troviamo?

Come annunciato in questi giorni, Curiosity non ha trovato le concentrazioni sperata di metano. I valori misurati, ponderati su diverese analisi fatte in periodi diversi dell’anno marziano, hanno mostrato valori massimi intorno a 2 parti per miliardo, cioe’ molto meno di quello che si pensava e che e’ stato mostrato nei dati di Mars Express.

A questo punto, un po’ con l’amaro in bocca, cosa dobbiamo dire?

Molte fonti chiudono il discorso dicendo che non c’e’ vita su Marte, mentre altre si appellano al fatto che ci sono errori nella misura o che la vita c’era in passato.

Per ragionare su queste affermazioni e’ necessario riprendere il discorso metano in atmosfera.

Abbiamo detto che sulla Terra abbiamo una concentrazione di circa 1700 ppb di metano. I dati di Mars explorer mostravano picchi da 10-20 ppb. Confrontate tra loro i due numeri. Come vedete, sono profondamente diversi tra loro. Questo non deve portarvi fuori strada. Come detto prima, sulla Terra ci sono, ad esempio, le mucche, su Marte vi aspettate di trovare al massimo qualche batterio.

E’ vero pero’ che Curiosity sta osservando una frazione molto ristretta della superficie marziana, il cratere Gale. Per quanto esteso, questo campione non e’ rappresentativo di tutto il pianeta. Questa e’ una riflessione ragionevole. Notiamo pero’ che se ci fossero forme di vita batteriche, queste si dovrebbero sparpagliare per tutto il pianeta, non solo in determinati punti specifici. Tra l’altro, il cratere Gale e’ stato scelto per le sue proprieta’, per la presenza in passato di corsi d’acqua, insomma se c’e’ vita, dovrebbe essere anche in questo punto.

Torniamo pero’ ai dati di Mars Explorer. Su questa mappa abbiamo visto dei rilasci molto localizzati di metano, non certo un’atmosfera uniforme. Bene, proprio questa particolarita’, ci porta a pensare che il rilascio potrebbe essere causato da altro, non necessariamente da forme di vita.

Come anticipato, sulla Terra il contributo maggiore al metano in atmosfera viene, in qualche modo, da forme di vita. Queste pero’ non sono le uniche sorgenti di questo gas. Esistono processi geologici in grado di produrre metano e scaricarlo in atmosfera. Si tratta, nel nostro caso, di contributi minori rispetto a quelli delle forme di vita, ma comunque presenti e conosciuti. Se su Marte non c’e’ vita, ci potrebbero pero’ essere fenomeni analoghi, e questo spiegherebbe anche la minor concentrazione di metano in atmosfera. Altra ipotesi possibile e’ che su Marte sia presente “olivina”, un minerale che a contatto con l’acqua produce un altro minerale detto “serpentina”. In questo processo viene emesso metano. Abbiamo prove di questo? Certo, l’olivina e’ molto abbondante su Marte sia in superificie che nel sottosuolo. Perche’ pero’ in punti localizzati? Semplice, perche’ in quei punti ci potrebbero essere ancora serbatoi di acqua che sono andati in contatto con il minerale rilasciando metano.

Altra ipotesi che si sta facendo strada in queste ore e’ che oggi non ci sia vita su Marte, ma che magari ci fosse stata in passato.

Possibile questo? Come abbiamo visto, il metano prodotto in qualche modo arriva in atmosfera. Poi? Se il metano rimanesse stabile per sempre, allora sulla Terra, per fare un esempio, la sua concentrazione in atmosfera dovrebbe aumentare linearmente grazie ai continui apporti dagli esseri viventi. In realta’, il metano ha un tempo di vita abbastanza lungo, ma a causa della radiazione proveniente dal sole, viene scisso formando altri gas. La vita media di una molecola di metano in atmosfera e’ intorno a 300-400 anni.

Attenzione, allora e’ possibile che in passato ci sia stata la vita su Marte ed ora non c’e’ piu’ e anche il metano prodotto e’ scomparso. Questo non e’ del tutto vero dal momento che un organismo vivente produce metano ma anche un organismo in decomposizione produce metano. Inoltre, organismi decomposti nel sottosuolo, formano giacimenti di olii che non sono stai assolutamente osservati su Marte, pensate anche solo alla formazione di petrolio.

Detto questo, Curiosity non ha trovato la quantita’ di metano che ci si aspettava. I valori precedenti osservati, come visto rilasci localizzati, possono essere dovuti a fenomeni di natura geologica, che nulla hanno a che fare con la vita.

E’ altresi’ vero che Curiosity ha fatto le sue misure su una superficie ridotta di Marte e inoltre che si e’ limitata a raccogliere campioni a sua portata, cioe’ fino ad 1 metro di altezza da Terra.

Fatte queste considerazioni, la matassa non e’ ancora sbrogliata del tutto. Fatte salve le misure degli anni precedenti e queste di Curiosity, ci deve essere un processo non biologico che ha prodotto metano in atmosfera. Mi sento quasi di escludere del tutto che i rilasci osservati siano di natura biologica, ma questa e’ una mia considerazione personale.

Come studiare il problema?

Semplice, sono gia’ in fase di studio nuove missioni per Marte. La missione Exomars prevede nel 2016 la messa in orbita intorno al pianeta rosso di un satelite per misurazioni dei gas e nel 2018 due nuovi rover in superficie. Questa missione e’ gestita sia dalla NASA che dalla nostra ESA. Oltre a questo, il contributo italiano a questa missione e’ davvero notevole sia dal punto di vista della ricerca che di componentistica realizzata dalle nostre aziende.

Missioni di questo tipo potrebbero aiutarci a capire meglio l’origine del metano e dare una risposta definitiva sulla presenza o meno di vita su Marte.

Ultimissima considerazione, dire non c’e’ metano e’ equivalente a dire non c’e’ vita? Assolutamente no. Anche qui sulla Terra conosciamo diverse forme batteriche che non producono questo gas nel loro metabolismo. Questo ci fa capire nuovamente che questa non e’ una condicio sine qua non. Anche avere tantissimo metano non significa necessariamente avere vita. Pensate, ad sempio, a Titano, satellite di Saturno. Qui l’atmosfera e’ pregna di metano, ci sono laghi di metano, precipitazioni di metano, eppure, a nessuno verrebbe in mente di cercare la vita su Titano.

Come vedete, il discorso e’ sempre aperto, e, al momento, non possiamo certo escludere o dare per certa una qualche forma di vita su Marte. Le ricerche future potranno aiutarci a meglio comprendere questi aspetti o magari anche solo a capire se in passato si possano essere sviluppate forme di vita su qualche pianeta del Sistema Solare.

 

Psicosi 2012. Le risposte della scienza”, un libro di divulgazione della scienza accessibile a tutti e scritto per tutti. Matteo Martini, Armando Curcio Editore.

Lens Flare e avvistamenti UFO

29 Set

Su questo blog, molto spesso abbiamo parlato di UFO e di avvistamenti. Vi ricordo che su “Psicosi 2012. Le risposte della scienza” viene affrontato, anche in questo caso scientificamente, l’argomento alieni ragionando proprio sulla probabilita’ che queste forme di vita possano esistere ed, eventualmente, entrare in contatto con noi.

Riguardo agli avvistamenti, molti di questi, anche documentati con prove video o fotografiche, possono essere smascherati facilmente riconducendoli a lanterne cinesi, bolidi e fulmini globulari:

4 Agosto? Avete capito male!

Palla di fuoco nei cieli del Sud Italia

Misteriose sfere di luce

Analogamente a questi gia’ visti, vi sono poi tutta una serie di avvistamenti che possono essere ricondotti al fenomeno dei “Lens Flare” di cui vorremmo parlare adesso.

I Lens flare sono molto noti a tutti quelli che sono appassionati di fotografie, ma ognuno di noi, almeno qualche volta, li ha osservati. Questo effetto altro non e’ che un disturbo dell’immagine dovuto a fenomeni di rifrazione e diffrazione della luce causati da fonti luminose anche esterne al campo visivo.

Apparentemente puo’ sembrare un fenomeno difficile dal punto di vista tecnico, ma per comprenderlo basta ricorrere ad alcuni esempi semplici.

Prima di tutto, vediamo una foto affetta da questo fenomeno:

Immagine affetta da lens flare

Come vedete nella parte in basso dell’immagine e’ presente una riga composta da esagoni e altre figure geometriche. Ovviamente nella realta’ questa riga non esiste, ma e’ dovuta proprio ad un difetto di costruzione dell’immagine.

Molto spesso i lens flare appaiono quando si tenta di scattare una foto osservando direttamente il Sole o una forte sorgente luminosa. L’origine puo’ essere ricondotta a due casi particolari:

– Lente sporca

– Forte sorgente luminosa.

Per quanto riguarda la sporcizia della lente, in questo caso si osserva una diffrazione della luce sulla lente che scompone lo spettro luminoso. In questo caso, troverete sull’immagine delle zone in cui compaiono i colori dell’iride come nell’arcobaleno. Nella diffrazione infatti, lo spettro luminoso, composto da diverse lunghezze d’onda, viene scomposto nei diversi colori. In questo caso, il problema puo’ ovviamente essere risolto pulendo gli elementi ottici della fotocamera.

Nel caso invece di flare dovuti a sorgenti di luce intense o esterne al campo, la comparsa del fenomeno dipende solo dalla bravura del fotografo. In alcuni casi, questi fenomeni possono dare degli effetti anche molto belli.

Sorgente luminosa esterna al campo

Tecnicamente, nel caso di luce intensa, l’immagine viene elaborata in modo sbagliato dal sensore della fotocamera, mentre nel caso di sorgenti luminose esterne al campo visivo, si creano delle componenti angolate nel sensore che provocano i flare.

Come si vede dallo schema riportato, la luce esterna al campo entra nell’obiettivo e viene rifratta con un angolo diverso rispetto a quella dell’immagine che stiamo riprendendo.

In questo caso, come detto in precedenza, evitare i lens flare dipende solo dall’esperienza e dalla bravura di chi scatta la foto. Per come avvengono, i flare sono piu’ probabili utilizzando elementi ottici come zoom e grandangoli. Questo a causa dal numero maggiore di elementi ottici e del cammino maggiore prima di raggiungere la CCD, cioe’ il sensore, della fotocamera.

Abbiamo parlato di questo fenomeno perche’, come anticipato, molti degli avvistamenti UFO che trovate documentati in rete, possono essere ricondotti alla formazione di lens flare. Lo stesso fenomeno e’ anche la spiegazione alle molte foto con presenze misteriose attribuite a fantasmi o manifestazioni inspiegabili. Un esempio di questo e’ visibile in questa foto scattata nella chiesa del Sacro Sepolcro di Gerusalemme:

Lens Flare nel Sacro Sepolcro di Gerusalemme. Fonte:Wikipedia

Tornando agli avvistamenti UFO, analizziamo direttamente un’immagine che testimonia un avvistamento:

Foto di un presunto avvistamento UFO

Come vedete, in cielo ci sono una serie di puntini luminosi che possono far pensare ad una flottiglia extraterrestre in volo sulla citta’.

In realta’, questo e’ un chiaro esempio di Lens Flare dovuto alle sorgenti luminose presenti nel campo visivo. Inoltre, dal momento che le sorgenti di disturbo sono tutte nell’area dell’immagine, possiamo proprio identificare ciascun UFO con la propria sorgente:

Lens Flare all’origine dell’avvistamento

Quello riportato e’ un chiaro esempio di falso avvistamento UFO riconducibile al fenomeno dei Lens Flare.

Come visto qui e in altri articoli, molte delle foto o delle testimonianze di avvistamenti che trovate, soprattutto in rete, possono essere spiegati facilmente riconducendoli a fenomeni noti.

Purtroppo, la nostra distrazione nell’osservare qualsiasi fenomeno puo’ spingerci a credere a teorie poco scientifiche o ad origini non note di tali eventi. Ragionare sulla documentazione, confrontare fonti e fare ricerche autonome e’ l’unico modo per trovare la vera spiegazione di fenomeni apparentemente inspiegabili. Per sapere il punto di vista della scienza sull’esistenza di forme di vita extraterrestri e per affrontare definitivamente le profezie fatte sul 2012, non perdete in libreria “Psicosi 2012. Le risposte della scienza”.