Il mistero della trappola per topi: di reazioni a catena e sistemi complessi

 

Tradotto da "The Seneca Effect" Lunedì 11 luglio 2022

La "reazione a catena della trappola per topi" dal film Disney del 1957 "Il nostro amico, l'atomo". Un affascinante esperimento che porta una domanda curiosa: perché la trappola per topi è l'unica cosa che puoi acquistare in un negozio di ferramenta che può creare una reazione a catena? Un altro mistero relativo alle trappole per topi è perché, con così tanti esperimenti fatti, finora nessuno aveva provato a effettuare misurazioni per quantificare i risultati? Alla fine, due ricercatori italiani, Ilaria Perissi e Ugo Bardi, hanno riesaminato questo vecchio esperimento, mostrando come possa essere visto come molto più di una rappresentazione di una reazione nucleare, ma come un paradigma del comportamento di sistemi complessi. 

Il film di Walt Disney del 1957, "Il nostro amico l'atomo ", è stato un capolavoro assoluto in termini di diffusione della conoscenza scientifica. Ovviamente è stato sponsorizzato dal governo degli Stati Uniti per promuovere la loro politica energetica che, all'epoca, era basata sul concetto di "atomi per la pace". Quindi, il film era propaganda ma, allo stesso tempo, è sbalorditivo pensare che negli anni '50 il governo degli Stati Uniti stesse facendo uno sforzo per ottenere un consenso informato dai suoi cittadini, invece di limitarsi a spaventarli per indurli alla sottomissione! Le cose cambiano, appunto. Ma possiamo ancora imparare molto da questo vecchio film. 

Quindi, "Il nostro amico, l'atomo " è un'esplorazione di ciò che si sapeva della fisica atomica all'epoca. Le immagini sono sbalorditive, le spiegazioni chiare e la storia è affascinante con un mix di scienza e fantasia, come la storia del genio e del pescatore. Quando ero studente di chimica, mi rimanevano in mente le immagini del film. Ancora oggi, tendo a vedere nella mia mente i protoni come rossi, i neutroni come bianchi e gli elettroni come verdi, come sono stati mostrati nel libro. 

Uno degli elementi affascinanti della storia è stata la reazione a catena realizzata con le trappole per topi. Rimasi talmente colpita da quell'esperimento che ho sempre avuto in mente di rifarlo e, finalmente, l'anno scorso, la mia collega Ilaria Perissi ha accettato di darmi una mano. Insieme, abbiamo costruito la nostra meravigliosa macchina per trappole per topi nuova e migliorata! Abbiamo sfidato i rischi delle palle sibilanti e siamo riusciti a fare i nostri esperimenti con solo lievi danni alle nocche delle dita. E siamo stati i primi, a quanto pare, a effettuare misurazioni quantitative di questo vecchio esperimento. 

Di seguito vedremo i dettagli dei nostri risultati ma, prima, un po' di storia. L'idea della reazione a catena della trappola per topi fu proposta per la prima volta nel 1947 da Richard Sutton (1900-1966). Era un fisico che lavorava all'Haverford College, in Pennsylvania: un insegnante di fisica anticonformista che amava creare dimostrazioni di fenomeni scientifici. E, senza dubbio, l'idea di utilizzare trappole per topi per simulare una reazione nucleare a catena è stata un colpo di genio. Peccato che Sutton non sia menzionato nel film di Disney. 

 

Ecco come Sutton ha proposto l'esperimento: 

Sembra che Sutton abbia effettivamente eseguito la sua dimostrazione davanti ai suoi studenti, anche se non abbiamo immagini o registrazioni. Abbiamo provato a utilizzare la stessa configurazione, ma abbiamo scoperto che i tappi sono troppo leggeri per attivare le trappole e la reazione cessa immediatamente. Funziona solo se le trappole non sono fissate al tavolo e sono lasciate libere di volare in giro. Infatti, Sutton non dice che ha fissato le trappole al tavolo. Il "problema delle trappole volanti " affligge la maggior parte delle configurazioni sperimentali di questo esercizio. Ma se la reazione a catena è generata dalle trappole e non dai tappi/palline, non è più una simulazione di una reazione a catena atomica. 

Dopo che Sutton ha pubblicato la sua idea, eseguire l'esperimento della trappola per topi in pubblico sembra essere diventato di moda. Si può trovare un'altra configurazione nel libro del 1955 di Margaret Hyde: " Atoms today and Tomorrow . " 

Notate come è cambiato l'esperimento, probabilmente a causa dei problemi per farlo funzionare con i tappi. Ora non ci sono più tappi di sughero, ma una biglia viene utilizzata per attivare una trappola, che è collegata ad altre trappole per topi da un "filo pesante". Forse funziona, ma non è quello che aveva proposto Sutton, ed è difficile presentarlo come una simulazione di qualcosa. 

Quindi, nel 1956, i realizzatori della Disney si stavano probabilmente grattando la testa e pensando a come avrebbero potuto far funzionare l'esperimento con la trappola per topi. Alla fine, hanno deciso di utilizzare palline da ping-pong. Potete vedere i risultati nel film: le trappole volano dappertutto. Stesso problema: questo non è ciò che l'esperimento avrebbe dovuto fare. E un motivo c'è: anche in questo caso abbiamo provato a utilizzare la stessa configurazione e abbiamo scoperto che le palline da ping pong sono troppo leggere per far scattare le trappole. Se le trappole sono fissate al tavolo, l'esperimento non funziona. Al massimo, riesci ad attivare un paio di trappole. 

Stranamente, poche persone hanno notato il problema: un'eccezione è stata il fisico nucleare Ivan Oelrich , ma era nel 2010! La maggior parte degli esperimenti di trappole per topi che si possono trovare sul Web (e ce ne sono molti) sono del tipo "trappole volanti". È un problema con la scienza per il pubblico: è spesso appariscente e spettacolare e non significa nulla. 

Abbiamo trovato solo due esperimenti sul Web in cui le trappole sono state fissate alla piastra di supporto, come avrebbero dovuto essere. Ma, anche in questi due casi, non sono state effettuate misurazioni quantitative. Strano, ma c'è questa maledizione con la scienza popolare da disprezzare spesso e, a volte, portare un segno negativo sulla carriera di un fisico. 

Ma non importa. Il vostro "dream team", Ilaria e Ugo, si è impegnato a realizzare l'esperimento nel modo corretto, con trappole fisse, e allo stesso tempo a misurare i parametri dell'esperimento. Il nostro trucco consisteva nell'usare palline di legno relativamente pesanti che potessero innescare bene le trappole. Abbiamo anche ampliato l'area delle linguette metalliche utilizzando dei dischetti di cartone. Quindi, abbiamo utilizzato le fotocamere di telefoni cellulari commerciali per registrare i risultati. 

C'è voluta molta pazienza: non è facile caricare 50 trappole con 100 palline di legno, evitando che si mettano in moto quando non si vuole. Per non parlare di quando la trappola scatta direttamente sulle dita dello sperimentatore. Doloroso, ma non causa di danni permanenti. L'abbiamo fatto in nome della scienza e ha funzionato! Naturalmente, alcuni revisori sono rimasti inorriditi da un articolo che non utilizzava apparecchiature costose e calcoli complicati e misteriosi. Ma, con pazienza, siamo riusciti a vederlo pubblicato su una seria rivista scientifica. 

Mi dovete scusare se sono orgoglioso della nostra idea, ma ho davvero trovato elegante il modo in cui potevamo descrivere i nostri dati con un semplice modello matematico. E come l'installazione della trappola rispecchi non solo la reazione a catena in un'esplosione nucleare, ma anche molti altri fenomeni che divampano e poi si attenuano. Ad esempio, la rete delle trappole può essere vista come un simulatore meccanico della curva di Hubbert, con le trappole come pozzi di petrolio e le sfere come petrolio estratto. Può anche simulare la caccia alle balene, vari casi di sfruttamento eccessivo delle risorse naturali, la diffusione di memi nel cyberspazio e altro ancora. Niente male per un oggetto, la trappola per topi, che era stato sviluppato con un solo scopo: uccidere i topi. 

Concludiamo il nostro articolo su "Systems" con il seguente paragrafo: 

Le trappole per topi sembrano essere l'unico semplice dispositivo meccanico che può essere acquistato in un negozio di ferramenta che può essere utilizzato per creare una reazione a catena. Non sappiamo perché questo fenomeno sia così raro nei negozi di ferramenta, ma le reazioni a catena sono sicuramente comuni nei sistemi adattivi complessi. Riteniamo che i risultati riportati in questo articolo possano essere utili per comprendere tali sistemi e, se non altro, per illustrare come le reazioni a catena possano facilmente andare fuori controllo, non solo in una massa critica di uranio fissile ma anche in dinamiche simili che si verificano nell'ecosistema che vanno sotto il nome di “overshoot” e “oversfruttamento”.

Sì, davvero, perché le trappole per topi sono così eccezionali? Chi l'avrebbe mai detto?

 

Ecco il post che ho pubblicato qualche mese fa su questo argomento. 

L'esperimento con le trappole per topi: modellare la memesfera

 Ripubblicato da "The Seneca Effect" 22 novembre 2021

 Ilaria Perissi con il nostro modello meccanico basato su trappola per topi di una rete completamente connessa. Puoi trovare una descrizione dettagliata del nostro esperimento  su ArXiv

Potreste aver visto l '"esperimento trappola per topi" eseguito come un modo per dimostrare il meccanismo della reazione a catena che ha luogo nelle esplosioni nucleari. Una delle sue prime versioni è apparsa nel film di Walt Disney "Our Friend, the Atom" nel 1957. 

Noi (io e Ilaria Perissi) abbiamo recentemente rifatto l'esperimento con 50 trappole per topi e 100 palline di legno. Ed eccolo qui.

Ma perché preoccuparsi di rifare questo vecchio esperimento (proposto per la prima volta nel 1947)? Uno dei motivi era che  nessuno aveva mai provato una misurazione quantitativa.  Cioè, misurare il numero di trappole innescate e palle volanti in funzione del tempo. Quindi, abbiamo fatto esattamente questo. Abbiamo utilizzato telecamere al rallentatore di telefoni cellulari per misurare i parametri dell'esperimento e abbiamo utilizzato un modello di dinamica del sistema per adattare i dati. Ha funzionato magnificamente. Potete trovare un pre-print dell'articolo su ArXiv.  Come si può vedere nella figura seguente,  i dati sperimentali e il modello vanno ragionevolmente bene insieme. Non è un esperimento sofisticato, ma è la prima volta che viene tentato.

Ma il motivo principale per cui ci siamo impegnati in questo esperimento è che  non si tratta solo di reazioni nucleari. È molto più generale e descrive un tipo di rete chiamata "completamente connessa", ovvero dove tutti i nodi sono collegati a tutti gli altri nodi. Nell'allestimento le trappole sono nodi della rete, le palle sono elementi che innescano la connessione tra i nodi. È un tipo di comunicazione basata su feedback "positivo".

Questo esperimento può descrivere una varietà di sistemi. Immaginiamoci che le trappole siano pozzi di petrolio . Quindi, le palline sono l'energia creata dall'estrazione dell'olio. E puoi usare quell'energia per scavare e sfruttare più pozzi. Il risultato è la curva di Hubbert "a campana", niente di meno!  Lo potete vedere nella figura sopra: è il numero di palline volanti "prodotte" dalle trappole.

Abbiamo trovato questo tipo di curva per una varietà di sistemi socioeconomici, dall'estrazione mineraria alla pesca (per quest'ultima potete vedere il nostro libro (mio e di Ilaria) " Il mare svuotato ". Quindi,  le trappole per topi possono descrivere anche il comportamento della pesca  e hanno qualcosa a che fare con la storia di Moby Dick raccontata da Melville.

Si potrebbe anche dire che  la rete delle trappole per topi è un  olobionte  perché gli olobionti sono reti non gerarchiche di entità che comunicano tra loro. È una specie di olobionte che esiste in natura, ma non è comune. Pensa a uno stormo di uccelli che si nutrono in un campo. Un uccello vede qualcosa di sospetto, vola in alto e in un attimo tutti gli uccelli volano via. Non avevamo uccelli per provare questo esperimento, ma abbiamo trovato una clip sul Web che mostra esattamente questo fenomeno.

È una reazione a catena. Il gregge è dotato di un certo grado di intelligenza. Può elaborare un segnale e agire su di esso.  Nella figura puoi vedere la nostra misurazione del numero di uccelli in volo. È una funzione logistica, l'integrale della curva a campana che descrive le palle volanti negli esperimenti con la trappola per topi

In natura, gli olobionti non sono normalmente completamente connessi.  Le loro connessioni sono a corto raggio e i segnali viaggiano più lentamente attraverso la rete. Viene spesso chiamata "intelligenza dello sciame" e può essere utilizzata per ottimizzare i sistemi. L'intelligenza dello sciame trasmette un segnale, ma non lo amplifica senza controllo, come fa una rete completamente connessa, almeno normalmente. È un buon sistema di controllo: lo usano colonie di batteri e formiche. I nostri cervelli sono molto più complicati: hanno connessioni a corto raggio ma anche a lungo raggio e probabilmente anche connessioni elettromagnetiche collettive. 

Un sistema che è  quasi completamente connesso è il World Wide Web . Immagina che le trappole siano persone mentre le palle sono memi. Quindi quello che stai vedendo con l'esperimento della trappola per topi è un modello di  un meme che sta diventando virale sul Web. Le idee (chiamate anche memi) divampano sul Web quando vengono stimolate è il potere della propaganda che colpisce tutti.

È un sistema intelligente perché può amplificare un segnale. Questo è il modo in cui reagisce a una perturbazione esterna. Potremmo vedere le trappole per topi come un elaborato sistema di rilevamento per le palle vaganti. Ma può solo divampare e poi declinare. Non può essere controllato. 

Questo è il problema del  nostro moderno sistema di propaganda:  è dominato da memie che divampano senza controllo. Gli attori principali di questo flaring sono quei "supernodi" (i Media) che hanno un numero enorme di connessioni a lungo raggio. Ciò può causare molti danni: se il meme che va fuori controllo è un meme malvagio  e implica, ad esempio, andare in guerra contro qualcuno o sterminare qualcuno. È successo e continua a ripetersi finché la memesfera è organizzata così com'è, come una rete completamente connessa. I meme vanno fuori controllo.

Tutto ciò significa  che siamo bloccati con una memesfera completamente incapace di gestire sistemi complessi. Eppure, questo è il modo in cui funziona il sistema. Dipende da queste ondate di segnali fuori controllo che spazzano il web e poi diventano verità accettate. Coloro che gestiscono il sistema di propaganda sono molto bravi a spingere il sistema a sviluppare questo tipo di onde memetiche, di solito a beneficio dei loro datori di lavoro. 

La memesfera può essere riorganizzata in modo più efficace, trasformandola in un buon olobionte? Probabilmente sì. Gli olobionti sono entità evolutive che nessuno ha mai progettato. Sono stati progettati per tentativi ed errori a seguito della scomparsa dell'inadatto. Gli olobionti non si battono per il meglio, si battono per il meno peggio. Può succedere che la stessa pressione evolutiva agisca sulla memesfera umana. 

Il trucco dovrebbe consistere nell'isolare i supernodi (i media) in modo da ridurre la loro influenza malvagia sul Web. Ed ecco, potrebbe accadere: la grande memesfera potrebbe riorganizzarsi nella forma di un olobionte più efficiente e connesso localmente. Non hai sentito  quante persone dicono di non guardare più la TV ? Né aprono i collegamenti ai media sul Web. Questa è esattamente l'idea. Provate e forse iniziereteuna reazione a catena in cui tutti si libereranno della loro TV. E il mondo sarà molto migliore. 

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!