Il Piacere della Scienza

 

Ilaria Perissi, molto soddisfatta della nostra creazione: una simulazione di un'esplosione nucleare fatta usando 50 trappole per topi. E' un tipo di scienza creativa, ben diverso dalla scienza di oggi, rigida, costosa, e incasellata nelle varie conventicole nelle quali gli scienziati si rinchiudono da soli.

Ultimamente, mi è venuto molto da pensare a che cos'è veramente la scienza. E mi è tornato in mente che la ragione per la quale sono quello che sono (e sono stato), arriva tutto da una sera quando avevo forse 6 -7 anni e mio zio, ingegnere, mi fece vedere gli anelli di Saturno da una finestra di casa con un telescopio che era poco più di un giocattolo. Mi insegnò anche tante altre cose, tipo a saldare i fili dei circuiti elettrici usando un vecchio saldatore scaldato con una fiamma a gas. Non esattamente una cosa che oggi metteremmo in mano a un bambino. 

Certo, la scienza è cambiata tanto. Negli anni, ho usato strumentazione complicata, laboratori attrezzati, addirittura interi accelleratori per produrre le particelle che usavamo come sonde per i fenomeni che studiavamo. Scienza costosa. Ma molto di quello che ho fatto aveva ancora molto il piacere di trovare qualcosa di nuovo e di inaspettato. C'era ancora spazio per idee originali da sperimentare. Magari non funzionavano, ma per tante cose ci siamo divertiti. 

Per esempio, la mia collaboratrice e allieva Ilaria Perissi (che vedete nella figura più sopra) ha fatto la sua tesi di dottorato su un nuovo liquido raffreddante per gli impianti solari a concentrazione, quelli di Rubbia per intenderci. Alla fine, non è risultata una cosa pratica, ma era tutto un mondo nuovo e affascinante, quello dei "liquidi ionici," solventi che nessuno aveva mai sperimentato prima per questa applicazione.

Ma, ultimamente, la scienza non la riconosco più. Tutto si è irrigidito, politicizzato, bloccato in conventicole ristrette, gestito non più dagli scienziati ma da chi li finanzia. La "Scienza" (alle volte scritta come "La Scienzah") è diventata una specie di idolo pagano che si deve adorare ma non si può criticare. E gli scienziati alla moda sono diventati quei virologi televisivi che ormai sono degli attori che interpretano il ruolo degli scienziati.

E così, con la mia collaboratrice di lungo corso, Ilaria, ci siamo messi in testa di ritornare alla scienza di una volta. La scienza semplice, la scienza affascinante, la scienza fatta con pochi soldi. La scienza fatta per il puro piacere di farla. Vi dirò che ci siamo divertiti. Anzi, ci siamo divertiti tanto. Anzi, tantissimo! 

Fra le tante cose, vedete nella foto un esperimento fatto sull'effetto termico del biossido di carbonio. Non aveva lo scopo di dimostrare che l'effeto serra esiste (questo già lo sappiamo) ma che la maggior parte degli esperimenti "didattici" che pretendono di dimostrare che esiste, sono sbagliati. 

Poi con Ilaria abbiamo fatto pezzi teatrali sull'economia delle risorse. Abbiamo inventato il "gioco di Moby Dick" in cui i giocatori prendono il ruolo di capitani di navi baleniere e si impegnano in una simulazione del sovrasfruttamento delle risorse. E' un gioco da tavolo, fatto espressamente con l'obbiettivo della semplicità; niente computer, regole semplici, un po' ci si diverte, un po' si imparano cose. Lo trovate nel nostro libro "Il Mare Svuotato." 

Recentemente, ci siamo anche inventata una "sesta legge della stupidità" applicando un nostro modello matematico alle cinque leggi della stupidità umana inventate negli anni 1970s da Carlo Cipolla. Era anche lui uno scienziato che si divertiva a fare il suo lavoro. L'ho conosciuto di persona, era un tipo riservato, ma se entravi un po' in confidenza con lui ti faceva morire dalle risate con le sue idee sulle scienze economiche. E abbiamo anche pubblicato il nostro articolo su una rivista scientifica "seria." 

Non vi dico quanto ci hanno fatto patire i revisori, scandalizzati che si potesse fare scienza non noiosa! Dai report che ci arrivavano sembrava di vedere la faccia disgustata dello scienzatone di turno che scriveva cose tipo "ma chi si credono di essere questi qua?" (non proprio esplicitamente, ma il senso era questo). Abbiamo addirittura avuto l'onore di avere quattro revisori, quando di solito due sono il massimo, tanto l'editore era terrorizzato dal nostro articolo. Ma, alla fine, si sono dovuti arrendere quando si sono accorti che sapevamo di cosa parlavamo.

E, infine, come vedete nella foto all'inizio di questo post, io e Ilaria ci siamo impegnati in un altro esperimento per la pura curiosità di farlo. Niente di meno che la simulazione di un'esplosione nucleare usando trappole per topi! 

L'idea di base non ce la siamo inventata noi: vi ricordate forse di aver visto l'esperimento in un famoso film di Walt Disney "Il Nostro Amico Atomo" (1957). Si tratta di caricare le trappole con delle palline da ping-pong, poi ogni trappola quando scatta spara due palline in aria, le palline fanno scattare altre trappole, e il risultato è un'esplosione di palline da ping pong. E' lo stesso meccanismo che genera le esplosioni nucleari: si chiama "feedback positivo" nella scienza dei sistemi complessi. 

Ma perché rifare un esperimento già fatto più di mezzo secolo fa? Beh, in parte è una questione di curiosità. Se andate sul Web, troverete decine e decine di filmati di questo esperimento in varie forme. Ma questi esperimenti sono di solito fatti in modo dilettantesco, solo per il gusto di vedere palline che volano. Ma la scienza divertente non è scienza fatta male. Anzi, deve essere rigorosa, specialmente considerando che vai a fare cose che ti inventi da te. Non è lo stesso che comprare uno strumento di misura costoso già fatto e seguire il manuale di istruzioni, che è il modo in cui si fa tanta scienza oggi.

Allora, non vi sto a dare i dettagli di questo esperimento con le trappole per topi che si sta rivelando alquanto complicato a fare -- ma ci stiamo riuscendo! (per non parlare di quante volte ci siamo presi una tagliola sulle dita). Quello che vogliamo fare è misurare i parametri dell'esplosione delle palline e poi verificare il meccanismo con un modello matematico. Come vi dicevo, ci sono decine e decine di esperimenti del genere, e nessuno che mai si sia preoccupato di misurare quello che succede e di interpretarlo con un modello. E questa è la cosa interessante: capire se il modello si può applicare a sistemi reali. Scienza divertente ma rigorosa!

La prossima invenzione ve la accenno soltanto, ma è una simulazione del ruolo delle balene nel cambiamento climatico. Non so se mai funzionerà, ma non vi immaginate quante cose si possono imparare a cercare di fare un modello matematico di una cosa del genere. 

Per concludere, due cose. La prima è ringraziare Ilaria per avermi seguito (e per continuare a seguirmi) in questa ricerca un po' originale. Poi, vi passo qualche paragrafo tradotto da un post recente di Matthew Crawford che mi ha ispirato questo testo.

Come la Scienza è Stata Corrotta

Di Matthew Crawford (estratto)

Quando ero piccolo, mio ​​padre faceva esperimenti in casa. Quando soffi sulla parte superiore di una bottiglia di vino, quanti modi di vibrazione ci sono? Come si ottengono le note più alte? 

Un'altra volta, la questione in esame potrebbe essere "l'angolo di riposo" di un mucchio di sabbia, come in una clessidra. Dipende dalla dimensione delle particelle? Sulla loro forma? Questi fattori determinano la velocità con cui una clessidra si svuota? 

La mia preferita era la domanda su quale tecnica svuoterà una brocca d'acqua più velocemente. Dovresti semplicemente capovolgerla e lasciare che l'aria entri (come deve, per sostituire l'acqua) in quel modo instabile, glug-glug-glug, o tenerlo con un'angolazione più delicata in modo che il versamento non venga interrotto? Risposta: capovolgi la brocca e agitala energicamente per creare un effetto vortice. Questo crea uno spazio vuoto al centro del flusso, dove l'aria è libera di entrare. La brocca si svuoterà molto rapidamente. 

Mio padre è diventato famoso per questi esperimenti di "fisica in cucina" dopo aver incluso compiti basati su di essi in un libro di testo da lui scritto, pubblicato nel 1968 e amato da generazioni di studenti di fisica: Waves (Berkeley Physics Course, Vol. 3). Mia sorella ed io, di due e cinque anni, siamo citati nei ringraziamenti per aver ceduto i nostri Slinky alla causa. <...>

La pandemia ha messo in rilievo una dissonanza tra la nostra immagine idealizzata della scienza, da un lato, e il lavoro che la “scienza” è chiamata a svolgere nella nostra società, dall'altro. Penso che la dissonanza possa essere ricondotta a questa discrepanza tra la scienza come attività della mente solitaria e la sua realtà istituzionale. 

La grande scienza è fondamentalmente sociale nella sua pratica, e con ciò derivano alcune implicazioni. In pratica, la "scienza politicizzata" è l'unico tipo che esiste (o meglio, l'unico di cui probabilmente sentirai parlare). Ma è proprio l'immagine apolitica della scienza, come arbitro disinteressato della realtà, che la rende uno strumento così potente della politica. Questa contraddizione è ora allo scoperto. 

Le tendenze “antiscienza” del populismo sono in misura significativa una risposta al divario che si è aperto tra la pratica della scienza e l'ideale che ne sostiene l'autorità. Come modo di generare conoscenza, è l'orgoglio della scienza essere falsificabile (a differenza della religione). Tuttavia, che tipo di autorità sarebbe quella che insiste che la propria comprensione della realtà è solo provvisoria? 

Presumibilmente, l'intero scopo dell'autorità è spiegare la realtà e fornire certezza in un mondo incerto, nell'interesse del coordinamento sociale, anche a prezzo della semplificazione. Per svolgere il ruolo assegnatole, la scienza deve diventare qualcosa di più simile alla religione. Il coro di lamentele su una "fede nella scienza" in declino espone il problema in modo quasi troppo franco. I più reprobi tra noi sono gli scettici del clima, a meno che non siano i negazionisti del Covid, accusati di non obbedire alla scienza. Se tutto questo ha un suono medievale, dovrebbe farci riflettere.

Epidemie, Petrolio, Trappole per Topi, e Esplosioni Nucleari: L'universo funziona sempre nello stesso modo.

C'è una certa logica nel modo in cui funziona l'universo e quindi non sorprende che gli stessi modelli possano descrivere fenomeni che sembrano essere completamente diversi. Qui, vi faccio vedere come le stesse equazioni descrivono le reazioni a catena che governano fenomeni così diversi come la diffusione di un'epidemia, il ciclo di estrazione del petrolio greggio e persino la reazione nucleare che crea esplosioni atomiche. Tutti questi fenomeni dipendono dall'efficienza del trasferimento di energia, il parametro noto negli studi energetici come EROEI (energy return on energy invested), e "fattore di trasmissione" (R) nei modelli epidemiologici. Anche il classico esperimento fatto con trappole per topi e palline da ping-pong può essere descritto con le stesse equazioni.

Potreste trovare sorprendente che i modelli epidemiologici condividono lo stesso nucleo di equazioni dei modelli che descrivono il ciclo di estrazione del petrolio. Ma è proprio così, e non è solo questione di petrolio: gli stessi modelli sono usati per descrivere reazioni chimiche, il sovrasfruttamenteo delle risorse naturali, l'industria della pesca, la diffusione di memi sul Web, e anche la reazione a catena nucleare che porta a esplosioni nucleari. È sempre la stessa idea: il sistema cresce rapidamente sfruttando una risorsa disponibile: petrolio, pesce, nuclei atomici, o persone da infettare. Poi, esaurita la risorsa, le cose si calmano. Alla fine, è forse il modo più tipico che l'universo utilizza per dissipare i potenziali energetici che ha a disposizione. Come sempre, l'entropia governa tutto!

Modellare questi fenomeni ha una storia che inizia con il modello sviluppato negli anni ' 20 da Vito Volterra e Alfred Lotka. Oggi, va sotto il nome di modello di "Lotka-Volterra" o, a volte, modello "predatore-preda". Questa origine non è normalmente riconosciuta da quelli che lavorano nel campo dell'epidemiologia, ma il "nocciolo" del modello è lo stesso: il virus è un predatore e noi siamo la preda. L'unica differenza è che un ciclo epidemico è così breve, tipicamente pochi mesi, che la preda, le persone, non si riproducono durante il ciclo. Quindi, se pensiamo che le compagnie petrolifere siano predatori e che i giacimenti petroliferi siano la preda, allora abbiamo di nuovo lo stesso modello. E possiamo anche vedere la reazione a catena che si svolge durante la fissione nucleare come generato da neutroni che agiscono come predatori e nuclei atomici che agiscono come preda. Nell'interpretazione mostrata nella clip sopra, le palline da ping-pong sono il predatore e le trappole per topi sono la preda.

Per descrivere il modello, concentriamoci sull'epidemiologia. Questi modelli sono spesso chiamati "SIR", con l'acronimo che viene dai termini in inglese "susceptible, infected, recovered". In Italiano, abbiamo "suscettibile, infetto, guarito." L'idea è che lo stock delle persone infette cresce proporzionalmente sia agli stock delle persone suscettibili, sia a quello degli infetti, è un ciclo di feedback. E' questo che genera la crescita attraverso un meccanismo che si chiama feedback, ovvero più il sistema cresce, più cresce rapidamente. Con il progredire dell'epidemia, ovviamente, il virus esaurirà le persone suscettibili, la crescita rallenterà e, alla fine, lo stock degli infetti inizierà a diminuire. Poi, l'epidemia sarà finita.

Quindi, vediamo cosa produce il modello nella sua versione più semplice. L'ho fatto usando il pacchetto Vensim (TM) di dinamica dei sistemi.

Nota come il numero di persone sensibili (curva blu) diminuisce gradualmente. Invece, il numero di casi per unità di tempo (curva verde) e le persone infette totali (curva rossa) mostrano un ciclo di crescita e declino. Infine, le persone guarite (curva grigia) crescono e poi si stabilizzano. (potrebbero anche morire, le equazioni non cambiano.)

Nel caso dell'epidemia di Covid, il mostriciattolo peduncoluto ci ha fatto impazzire non poco arrivando a ondate invece che in una sola curva. Ma se guardate le curve recenti, vedrete che le "curve a campana" sono quelle, anche se sono più d'una, principalmente come risultato di fattori stagionali e di varianti che si susseguono a ondate.

Confrontiamo con i modelli di estrazione di minerali: i nomi delle variabili cambiano, ma il modello è lo stesso

Sensibili - > Risorse Petrolifere
Tasso di infezione - > produzione di petrolio
Infetto -> Petrolio Estratto

Lo illustriamo con un caso molto evidente: quello della produzione di carbone in Inghilterra (figura di Ugo Bardi)

La curva è sempre la stessa, come vedete.

Si può fare la stessa cosa con altri fenomeni. Ad esempio, nel caso del "modello di trappola per topi" vista all'inizio di questo post, abbiamo

Sensibili -> palline intrappolate
Tasso di infezione -> numero di trappole che scattano per unità di tempo.
Infetto -> numero di palline in volo
Guariti -> palline a terra

Quello che vedete nella figura è un grafico fatto a partire dal filmato messo on line dal Dr. Little dell'Università di Berkeley.

E ritorniamo alla curva di Hubbert! La cosa curiosa è che sul web trovate decine di questi esperimenti con le trappole per topi e nessuno che abbia mai usato la teoria SIR o Lotka-Volterra per interpretarli. 

Bene, insieme a Ilaria Perissi, la mia collaboratrice, ci stiamo lavorando sopra. Abbiamo un modello che dovrebbe descrivere i risultati dell'esperimento, quindi si tratta di provare.

Vedete Ilaria impegnata con le trappole per topi. Vi dirò che la cosa si è rivelata per niente facile: le maledette trappole tendono a scattare per conto loro. Per ora, siamo riusciti più che altro a farci male alle dita. Probabilmente non è così difficile come costruire una bomba atomica, ma un certo impegno lo richiede. Prima o poi, ci riusciremo. 

E da quel punto in poi, si aprono infinite possibilità!