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Stephen Hawking l’uomo delle stelle

Stephen Hawking, l’uomo delle stelle, è tornato in cielo

Stephen Hawking, illustre astrofisico britannico, tra i più autorevoli scienziati è morto all’età di 76 anni nella sua casa di Cambridge. Da 55 anni combatteva contro una grave malattia, infatti era solo 21enne quando gli era stata diagnosticata la SLA e i medici avevano previsto per lui una speranza di vita non superiore ai due anni.

“Siamo profondamente rattristati per la morte oggi del nostro padre adorato. É stato un grandissimo scienziato e un uomo straordinario. I suoi lavori vivranno ancora per molti anni dopo la sua scomparsa. Il suo coraggio e la sua perseveranza, insieme al suo essere brillante e al suo umorismo, hanno ispirato persone in tutto il mondo.”

Queste le parole del comunicato diffuso dalla stampa con le quali i tre figli del grande scienziato, Lucy, Robert e Tim hanno voluto annunciare la scomparsa del padre. Un uomo a cui ispirarsi perché lui, a quella malattia che aveva progressivamente inibito tutte le sue funzioni vitali,  costringendolo in tutti questi anni, alla sedia a rotelle e a comunicare tramite un sintetizzatore vocale, non si era mai arreso continuando a studiare e a contribuire al progredire della scienza.

Nato a Oxford l’8 gennaio 1942 Stephen Hawking è stato un fisico, astrofisico, cosmologo e matematico. Il suo quoziente intellettivo era, secondo i test, di 160/165 come Albert Einstein e Isaac Newton. Di fama mondiale, i suoi studi più rilevanti sono stati quelli dedicati alla cosmologia quantistica, i buchi neri e l’origine dell’universo. Negli anni il suo contributo alla scienza è stato sempre più consistente, ha formulato teorie rivoluzionarie come quella cosmologica sull’inizio senza confini dell’universo chiamata la radiazione di Hawking, e la termodinamica dei buchi neri. Ha collaborato con altri elaborando numerose teorie fisiche e astronomiche: il multiverso, la formazione ed evoluzione galattica e l’inflazione cosmica.

Da buon britannico il senso dell’umorismo lo ha sempre contraddistinto, portandolo ad ironizzare senza mai perdere la passione per la vita. Dal 1979 al 2009 titolare della cattedra lucasiana di matematica all’Università di Cambridge, direttore del Dipartimento di Matematica Applicata e Fisica Teorica di Cambridge fino a oggi. Membro di numerosi Club e Associazioni Scientifiche come la Royal Society,la Royal Society of Arts e Pontificia Accademia delle Scienze; ha ricevuto moltissimi riconoscimenti come quello assegnatogli nel 2009 dall’allora presidente americano Barack Obama,la Medaglia presidenziale della libertà, la più alta onorificenza degli Stati Uniti d’America.

 

Le basi matematiche della biologia

Uno dei principali problemi della Biologia è il suo non avere ancora dei fondamenti matematici solidi. Mentre fisici e chimici possono contare su modelli che predicono abbastanza accuratamente i risultati dei vari esperimenti, i biologi si devono accontentare, se va bene, di modelli descrittivi e qualitativi, in cui raramente compaiono equazioni e le cui previsioni sono grossolane.

Ciò non dà solo dei problemi prettamente scientifici. E’ infatti molto difficile smentire chi millanta cure miracolose o teorie esotiche, in quanto non esiste dimostrazione matematica che provi ad absurdum la falsità di quanto venga sostenuto. Ed è ancora più difficile convincere il “pubblico” ad accettare le proprie ricerche scientifiche come certe, o quasi certe, come ad esempio per la teoria dell’evoluzione di Darwin, che viene ancora rigettata da gran parte degli integralisti religiosi, che preferiscono il disegno intelligente [1].

Personalmente ritengo che sperare di convincere gli scettici ad accettare una teoria dopo una dimostrazione certa e inconfutabile sia un pia illusione. Basti osservare le posizioni di una gran parte della popolazione riguardo agli OGM. Oppure i continui attacchi da parte di estremisti islamici alla teoria eliocentrica o di integralisti cristiani che continuano a negare l’evidenza che l’età del nostro pianeta sia di 4.5 miliardi di anni sostenendo che sia di soli 6000 (eppure le misure di datazione che sfruttano la radioattività naturale sono certe e precise).
E questa è la brutta notizia.

La bella notizia è che negli ultimi 60 anni si è sviluppata un’interessante branca della matematica (o della biologia?): la biologia matematica.
La forza delle scienze fisiche è quella di schematizzare la realtà tramite modelli ideali, più semplici da far digerire ai calcolatori, che, grazie a degli algoritmi, li fanno evolvere nel tempo e arrivano a delle previsioni teoriche. I modelli poi vengono ricondotti il più vicino possibile a quelli “reali” aggiungendo via via più variabili; in questo modo si ottengono risultati di notevole precisione.
Ebbene, questa disciplina cerca di schematizzare i sistemi biologici (dalla cellula, all’organismo, alle interazioni tra vari organismi) usando la matematica dei sistemi dinamici: un tipico esempio è il modello di Lotka-Volterra, sistema di due equazioni differenziali del primo ordine non lineari che descrive abbastanza bene l’andamento delle popolazioni di prede e predatori.

Un grande contributo alla biologia matematica è stato dato dal britannico Alan Turing (1912-1954), noto soprattutto per i suoi lavori sulla computazione e sulla crittografia [2]. Però, mentre di calcolatore universale ne avevano già parlato Leibnitz e Babbage(*) e di crittografia si occupavano già diversi matematici, per quanto riguarda un approccio matematico nel continuum(º) alle scienze della vita, Turing è stato un pioniere assoluto; questo senza nulla togliere agli straordinari contributi che ha dato negli altri campi della matematica.

Alan Turing

Nel 1952, due anni prima del suo suicidio, scrisse un rivoluzionario articolo sulla rivista della London Royal Society [3] che diede inizio allo studio matematico della morfogenesi, ovvero la branca delle biologia che studia come si sviluppano le forme degli organismi.
In questo lavoro Turing usa la matematica per dimostrare che da un sistema di due reagenti chimici (sistema di reazione-diffusione di equazioni differenziali non lineari) in equilibrio omogeneo, si può ottenere, sotto determinate condizioni, un’instabilità che porta ad un nuovo equilibrio disomogeneo, ovvero alla formazione di un certo pattern(∂).
Questa geniale intuizione dà una spiegazione più che convincente sul come abbiano avuto origine i manti striati e a chiazze degli animali [4]. In più, lo studio sui networks(•) di questa Instabilità di Turing sta inziando a dare spiegazione di alcuni pattern che si osservano in neuroscienze e in altri sistemi discreti (º).

Oltre a questo approccio dinamico, che studia l’evoluzione temporale di un sistema, negli ultimi anni si sta rivalutando un approccio informazionale alla biologia [5], già anticipato dal matematico ungherese Von Neumann (1903-1957) e dal fisico statunitense Richard Feynmann (1918-1988). Ciò consiste nel paragonare la vita ad un software, cioè ad un sofisticato algoritmo che si è auto organizzato ed evoluto nel tempo grazie ad un continuo scambio di informazione tra le sue componenti.

Dobbiamo essere pronti ad affrontare, senza pregiudizi, le sfide etiche e filosofiche che deriveranno dalle prossime scoperte. Grazie alle matematica, stiamo facendo enormi progressi nello studio del cervello, stiamo comprendendo più a fondo le interazioni tra molecole complesse, i meccanismi di replicazione delle cellule e tanto altro.
Difficilmente riusciremo a interpretare e scrivere sotto forma di equazioni tutto ciò che accade nel nostro cervello; così come sarà dura avere una teoria matematica consistente che spieghi l’evoluzione delle specie.
In ogni caso la matematizzazione della biologia sta già incassando dei bei risultati; e siamo solo all’inizio!

Note:

(*) In realtà il filosofo tedesco Gottfried Leibnitz (1646-1716) e lo scienziato inglese Charles Babbage (1791-1871) non sono stati i primi a parlare di calcolatore, si pensi ai lavori di Pascal o addirituttra a quelli dei matematici alessandrini. Però il concetto di calcolatore universale del filosofo tedesco è quello più vicino alla macchina di Turing teorizzata negli anni ’30 dal matematico britannico, mentre Babbage è stato il primo a costruire una macchina calcolatrice (a vapore) che facesse qualcosa di più che sommare due o tre numeri.
(º) Un esempio di insieme continuo è la retta reale R, dove tra due valori μ e μ` (vicini quanto si vuole) ce ne sono infiniti. Un esempio di insieme discreto è la serie dei numeri naturali N, dove i valori sono definiti e non c’è modo di passare da uno all’altro senza “fare un salto”.
(∂) Il vocabolo pattern è lasciato in lingua originale in quanto di difficile traduzione in questo ambito, infatti in gergo tecnico si usa sempre il termine inglese. In questo caso il termine è inteso come un “disegno”: ad esempio il manto chiazzato del leopardo è un pattern.
(•) Un network o grafo è una struttura matematica discreta.

Per approfondire:

[1] Nicola Nosengo, Daniela Cipolloni, Compagno Darwin, l’evoluzione è di destra o di sinistra?;
[2] Andrew Hodges, Alan Turing. Storia di un Enigma;
[3] Alan Turing, The Chemical Basis of Morphogenesis;
[4] James Murray, How the leopard gets its spots;
[5] Gregory Chaitin, Darwin alla prova. L’evoluzione vista da un matematico.

Riccardo Muolo

Un chimico, un fisico, un matematico, un filosofo

Da chimico un giorno avevo il potere
di sposare gli elementi e di farli reagire,
ma gli uomini mai mi riuscì di capire
perché si combinassero attraverso l’amore.
Affidando ad un gioco la gioia e il dolore.


Sono alcuni mesi che convivo con tre fisici e un matematico, con i quali mi ritrovo a parlare delle nostre diverse visioni del mondo. La loro definizione della realtà è precisa e razionale ma quando si parla di “definizioni”, di definire l’esistenza di un determinato fenomeno nella realtà circoscritta, ecco che preferiscono “definirsi” empirici. Allo scienziato piace la definizione, ma per quanto riguarda il risultato, la sperimentazione, esso è in continuo progredire. Di esperimento in esperimento si cresce il livello di conoscenza della realtà, in un costante procedere ricercando e scoprendo ciò che è innato, non soltanto nel mondo ma in tutto l’universo.

Ma ciò che accomuna gli uomini di scienza -il fisico, il chimico, il matematico, e anche il filosofo- mi propone uno dei fisici, è una visione del mondo in prospettiva, in “apertura”, in cui l’evolversi della conoscenza si identifica con una sorta di uscita dalla caverna di Platone: tutto esiste, come le idee di Platone, come la realtà che colui che riesce ad uscire dalla caverna vede per la prima volta di fronte a sé, ma sta allo scienziato, a colui che ricerca, trovare la chiave di accesso. La ricerca scientifica è un’uscita dalla caverna continua, è un lento prendere conoscenza di ciò che esiste, il quale se esiste è conoscibile, ma se non è conoscibile non sembrerebbe poter esistere. Il paradosso è che per gli scienziati Tutto è potenzialmente conoscibile. Anche ciò di cui non abbiamo prove, ciò che il passato ha cancellato, ciò che il futuro ancora non vede. Per questo la visione scientifica deve essere o bianca o nera, inflessibile con ciò che trova di fronte a sé, poiché non può ammette errori di metodo, o meglio può ma solamente in quanto confutazioni per verificare o meno una teoria scientifica e la sua efficacia.

Ma come si concilia il metodo razionalistico dello scienziato con la sua propensione empirica alla sperimentazione costante, visione che si insinua nei meandri nascosti, che frammenta microcosmi, che viviseziona il particolare? Come può dirsi empirico uno scienziato se il suo metodo si basa su fondamenti razionalistici? “Tutto ciò che è reale è razionale, tutto ciò che è razionale è reale” asseriva Friedrich Hegel per cui lo sviluppo della realtà, quella osservata e analizzata dagli uomini di scienza, è “ragione in movimento”: tutto ciò che è parte della realtà deve corrispondere al pensiero, e viceversa. La novità della logica hegeliana rispetto alla logica classica si fonda proprio su questo compenetrarsi circolare e dialettico tra pensiero razionale e realtà circostante, la cui “sintesi” rappresenta il risultato “nuovo”, non a priori ma esito di una dialettica con la realtà che non esclude ma arricchisce di contenuto.

Alla scienza, poiché fondata su leggi e operazioni matematiche, devono sempre tornare i conti; eppure a causa della dipendenza dall’esattezza della matematica (la quale se fosse ufficialmente scienza sarebbe “scienza esatta”) viene spesso frainteso il punto di vista scientifico come forma di chiusura, di sistematizzazione; quando invece il più moderno panorama scientifico si evolve verso l’apertura totale, verso la ricerca di nuovi orizzonti (non solo tecnologici). Oggi la scienza si evolve attraverso processi di sperimentazione in continua evoluzione, laddove ogni volta nuove eccezioni subentrano a stravolgere le teorie del passato, portando a rivoluzioni inaspettate, come nel caso della recente scoperta degli “Echi” del Big Bang.

Pochi giorni fa gli scienziati del BICEP2 coordinati da John Kovac dell’Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics di Cambridge, hanno rivelato “tracce” di quando l’universo si gonfiò, ovvero subito dopo l’ipotetico scoppio del Big Bang miliardi di anni fa. Ciò è avvenuto grazie ad un telescopio, il quale posizionato ad un punto del Polo Sud ha percepito indirettamente “onde gravitazionali primordiali” osservando la “radiazione cosmica di fondo”. Queste onde gravitazionali, o “increspature nello spazio-tempo”, furono teorizzate nel 1916 nella Relatività Generale e oggi, quasi un secolo dopo le previsioni di Einstein, questa “nuova esistenza” apre a sorpresa le porte a nuovi studi sulla forza di gravità e sui componenti dell’universo.

Quando la coscienza individuale dello scienziato prende piede nel processo di visualizzazione del mondo, la prospettiva si allarga verso nuove sfumature che rivoluzionano la monocromaticità del bianco e del nero. Einstein fu uno dei pochi del passato a vedere le sfumature, a superare la dicotomia dello scienziato bianco-nero: si distinse per il suo “atteggiamento filosofico” (cit. da Reichenbach), e giunse a dichiarare il suo “credo epistemologico” come sintesi della sua visione filosofica, nella quale il sistema scientifico e le sue teorie -create dall’uomo- sono “semplificatori” per collegare i dati della realtà: il ruolo del pensiero logico è di costruire quella teoria che, connettendo intuitivamente i dati, darebbe senso (significato) alle esperienze sensibili.

E la visione del mondo, accrescendo di senso, rendendo lo scienziato uomo “empirico” (che segue l’esperienza) e allo stesso tempo “razionale” (“oeconomicus” – che segue ragionamenti logici), lo rende sempre più vicino alla figura ideale del filosofo, secondo cui la sintesi perfetta sarebbe la complementarità dei due aspetti: il controllo della realtà, del perché delle cause e degli effetti. Il Dio dello scienziato contemporaneo, del fisico, del chimico, è l’esperimentabile: lo scienziato si affida al proprio linguaggio per poter leggere la realtà, pure laddove non è ancora giunto, come per esempio nello spazio. Il Dio dello scienziato, del fisico, del matematico è un universo di segni collegati e dotati di senso: un linguaggio razionale e finalizzato costruito per saper leggere il mondo. Fino a poter giungere a quel punto in cui non aver bisogno di nient’altro per vivere se non della propria conoscenza del mondo.

Ma guardate l’idrogeno tacere nel mare
guardate l’ossigeno al suo fianco dormire:
soltanto una legge che io riesco a capire
ha potuto sposarli senza farli scoppiare.
Soltanto la legge che io riesco a capire.

Un Chimico, F. De Andrè