Zanichelli: Chiavi di lettura

Per molti di noi qualsiasi problema a base di numeri è ostico per definizione. Ma per un matematico, la parola difficoltà ha un significato diverso: anche con l'aiuto dei più potenti computer può essere impossibile trovare la soluzione di un Sudoku, risolvere l'enigma del commesso viaggiatore o scomporre un numero nei suoi fattori primi. Lo studio di questi problemi difficili oggi è una frontiera della ricerca, e ad affrontarla c'è un'inedita alleanza tra scienziati: matematici, informatici ed esperti dei cosiddetti sistemi complessi, che violano le leggi classiche della fisica, come i vetri o le calamite "disordinate". È una storia che inizia con l'antico "problema di Didone", passa per la decifrazione dei messaggi segreti nazisti e porta fino all'uso della crittografia per fare acquisti su Internet. Ed è un'introduzione accessibile e divertente alla matematica dei celebri problemi del millennio ancora irrisolti, per la cui soluzione è in palio un premio milionario.

Nell'estate 2012 l'annuncio della scoperta del "bosone di Higgs" ha fatto conoscere a tutti il CERN di Ginevra e il suo grande anello sotterraneo LHC, la macchina più gigantesca mai costruita dall'umanità. Ma perché i fisici costruiscono acceleratori di particelle sempre più potenti? Che cosa vogliono scoprire? E quegli acceleratori servono soltanto a produrre conoscenza, o hanno anche qualche applicazione nella vita quotidiana? Un protagonista della ricerca scientifica ripercorre un secolo di progressi, dalla storia curiosa della prima radiografia fino alla speciale particella che oggi spiega perché la materia pesa, e la luce invece no.

Tra le numerose leggi della natura scoperte dalla scienza, quattro in particolare guidano e condizionano tutto ciò che avviene nell'universo: sono le leggi della termodinamica, potenti quanto eleganti. Su tutte campeggia il celebre "secondo principio", la legge che spiega perché una fiamma ci riscalda, ma anche perché il nostro cervello riesce a formulare pensieri. Di più, il secondo principio rende conto del perché accada qualcosa, anziché nulla. Ed è la legge che svela addirittura il destino ultimo di tutto ciò che esiste ed esisterà nel cosmo.

Quanta benzina consuma un'auto nella sua vita? Quanto è lungo il DNA di tutti gli esseri umani? Quanta energia solare raggiunge il tetto di casa vostra? Se organizzate un raduno di un milione di persone, di quanto spazio ci sarà bisogno? E quanti gabinetti serviranno? Questo libro insegna a fare valutazioni quantitative sui temi più disparati, anche quando le informazioni disponibili sono poche, con quattro calcoli che si possono fare su un tovagliolo di carta. La tecnica è semplice: chiunque può imparare a ottenere stime precise quanto basta per avere un'idea dei fenomeni e per prendere decisioni.

Il clima del 2050 dipende dalle scelte di oggi. Per questa data, la temperatura media globale avrà superato la soglia di 1,5 gradi in più rispetto alla seconda metà dell’Ottocento. Quali conseguenze ci aspettano? I modelli climatici ci aiutano a costruire proiezioni di possibili scenari futuri e a prendere decisioni consapevoli. Le leggi che descrivono il clima, dalla meccanica alla termodinamica, sono note da secoli. Ma il clima, come il meteo, è un sistema complesso, in cui le variabili interagiscono tra loro e si influenzano a vicenda. Per studiare i cambiamenti climatici, oggi la scienza usa computer sempre più potenti, capaci di elaborare grandi quantità di dati e creare simulazioni sempre più realistiche. Dalla fisica e dalla matematica del clima, agli strumenti per prevedere gli impatti globali e locali, questo libro è una guida per capire il lavoro di chi fa ricerca dietro ai grafici e alle sigle che rimbalzano sui media, compresa la «missione» più difficile: comunicare i dati ai decisori politici.

La comparsa di un nuovo virus su scala globale ha amplificato le fragilità delle nostre comunità e ha catalizzato mutamenti sociali, culturali ed economici radicali. Allo stesso tempo, ha generato una circolazione rapida, massiccia e incontrollata di informazioni che ha messo in discussione il ruolo della scienza e la sua capacità di comunicare: un’infodemia di cui le fake news sono solo la forma più distruttiva. I toni della narrazione che leggiamo sui media richiamano spesso quelli di una guerra; sono diventate di uso comune parole nuove o dimenticate, come paziente zero, quarantena, spillover, coprifuoco, droplet, green pass, morbilità; i numeri della pandemia (contagi, decessi, guarigioni) polarizzano la nostra attenzione, disorientati come siamo da voci contrastanti e non sempre autorevoli. Ripercorrere le tappe della prima pandemia al tempo dei social e imparare dall’esperienza può spronarci a ripensare il rapporto tra chi fa ricerca e chi lavora nella comunicazione, per affrontare in modo più consapevole le emergenze future.

Il rumore della pioggia di un temporale improvviso ci distrae, ma dopo poco non lo sentiamo più. Ci invaghiamo di una persona, ma con il passare del tempo perdiamo interesse. Dopo mesi di bollettini medici quotidiani, l’ennesimo annuncio sui numeri della pandemia ci lascia quasi indifferenti. Che cosa è successo? Siamo caduti nell’abituazione: la ripetizione dello stesso stimolo o della stessa situazione non ci fa più effetto e smettiamo di rispondere. L’abituazione riflette un meccanismo automatico, presente in tutti gli animali, che permette di ignorare gli stimoli ripetitivi irrilevanti, ma che a volte può ridurre il nostro interesse anche nei confronti di stimoli importanti. Una forma di apprendimento basilare che può avere conseguenze inattese nella nostra vita: nei legami affettivi, nel rapporto con il cibo, nella risposta a farmaci e stupefacenti, nella nostra capacità di reagire emotivamente a notizie drammatiche ripetute. Non possiamo controllare l’abituazione, perché non dipende dalla nostra volontà, ma sapere che cos’è e come agisce può aiutarci a tenerla a bada e a imparare ad avere cura di tutto ciò che ci è caro.

I virus sono strutture semplici, con pochissimi geni. Eppure alcuni di loro possono cambiare le sorti della storia. Questo era noto da prima che arrivasse Sars-Cov-2, un virus che non è giunto inaspettato: già nel 2002 l’epidemia di SARS avrebbe dovuto metterci in guardia. Di fronte a un nuovo virus, gli esseri umani sono indifesi come qualsiasi altra specie. Abbiamo però una carta importante da giocare: la ricerca scientifica. I virus vanno studiati tanto dal punto di vista biologico, per capire come funzionano, quanto da quello ecologico, per scoprire come nascono e come si diffondono. Negli ultimi decenni, il passaggio di virus dagli animali agli umani è diventato sempre più frequente a causa della distruzione degli ambienti naturali e dell’aumento della popolazione umana, che invade gli spazi dove vivono le specie selvatiche. I virus, però, non sono sempre nocivi. Alcuni sono innocui, altri possono anche essere nostri alleati, per esempio come vettori nella terapia genica o per distruggere cellule del cancro. Le principali novità della nuova edizione riguardano: Aggiornamento degli 8 capitoli della prima edizione, con nuovi dati ed esempi. Ampliamento del quinto (Malattie virali) e settimo capitolo (Sfide emergenti) con descrizione e analisi di Covid-19, Mers, e influenza Spagnola. Ampliamento dell’ottavo capitolo (Difendersi dai virus) con tre nuovi paragrafi: nuovi farmaci contro Hiv; selezione e riuso di vecchi farmaci contro malattie virale; vaccini e immunoterapia. Un nuovo capitolo (I virus come alleati), dedicato alle nuove applicazioni della ricerca sui virus.

Simulare il flusso del sangue in un’arteria occlusa, prevedere che tempo farà domani, ottimizzare l’aerodinamica di una barca a vela: per risolvere questi problemi, cardiologi, meteorologi e ingegneri possono contare sull’aiuto della matematica. Il matematico lavora in équipe con gli specialisti del campo, con cui stabilisce le domande a cui dare risposta. Per modellizzare l’apparato circolatorio deve tener conto dell’elasticità delle pareti arteriose, che si deformano al passaggio del sangue, e dei moti vorticosi che si formano a valle delle biforcazioni delle arterie. Per progettare una barca a vela in grado di conquistare la Coppa America deve ottimizzare l’aerodinamica dello scafo e delle vele, tenendo conto della variabilità del vento e dell’interazione con le imbarcazioni avversarie. Non basta, poi, «scrivere le formule»: ogni equazione dev’essere tradotta in algoritmi informatici, cercando il miglior compromesso tra l’accuratezza della simulazione e il costo computazionale. Il campo d’azione del matematico è illimitato: i modelli che inventa possono prevedere di tutto, dal tempo di cottura ideale dei bucatini a come si diffonde una pandemia.

Nel 2050 saremo in 9 miliardi, 2 miliardi in più di adesso. Oggi coltiviamo la metà della terra abitabile: come potremo dar da mangiare alle generazioni future senza distruggere l’ambiente in cui viviamo? Dovremo diventare più efficienti. Con telecamere a infrarossi e droni valuteremo la salute delle piante nei campi. Squadre di robot agricoli e sistemi automatici useranno questi dati per distribuire acqua, fertilizzanti e fitofarmaci solo alle piante che ne hanno bisogno. Avremo fattorie verticali ricavate da spazi abbandonati delle metropoli, dove verdure e ortaggi cresceranno tutto l’anno e a kilometro zero. Rispetto a un campo all’aperto, per coltivare un chilo di pomodori risparmieremo 65 litri d’acqua. La digitalizzazione ci permetterà di creare filiere trasparenti, per sapere dove e come è stato coltivato e trasformato ogni prodotto: basterà uno smartphone per esaminare la carta di identità di quello che mettiamo nel piatto. Saranno quindi i big data, la genomica e l’automazione a guidare la nuova Rivoluzione verde. Solo così potremo mettere tutti a tavola e garantire un’alimentazione sostenibile che sia anche di qualità, senza lasciare nessuno indietro.

La meravigliosa complessità del mondo è conseguenza di leggi fisiche che poco a poco negli ultimi secoli siamo riusciti a svelare. Ma da dove vengono queste leggi? Chi le ha create? Con rigore scientifico, ma non senza umorismo, Peter Atkins rivisita qui i grandi princìpi di conservazione, la meccanica classica e quantistica, la termodinamica e l’elettromagnetismo, ne distilla l’essenza più profonda e propone un’idea sorprendente: le leggi della natura sono nate spontaneamente, senza alcun atto creativo. Atkins mostra infatti che per generare le leggi basta una combinazione di indolenza (non si altera la simmetria perfetta del nulla primigenio), di anarchia (ogni particella è libera di muoversi a proprio piacimento) e di ignoranza (non si conosce il comportamento individuale delle particelle, soltanto quello collettivo). Se così è, restano da spiegare soltanto i valori di alcune costanti fondamentali, come la carica dell’elettrone, e il prodigio forse più grande: perché la matematica inventata dall’Homo sapiens sia così efficace nel descrivere l’universo.

Siamo soli nell’universo? Hanno cominciato a chiederselo i filosofi greci, e ancora cerchiamo una risposta. Ma dalle parole si è passati ai fatti. Un quarto di secolo dopo la scoperta del primo pianeta extrasolare, adesso ne conosciamo migliaia, molti simili alla Terra. Sappiamo che ogni stella della nostra galassia ha almeno un pianeta e questo moltiplica le possibilità di trovarne altri abitabili, con altre forme di vita. Ma ancora non sappiamo come descrivere gli “alieni”. Per non farci trovare impreparati, continuiamo a esplorare il cielo con telescopi e sonde spaziali. E le sorprese sono continue. Inseguiamo l’acqua e la troviamo ovunque: un lago sotterraneo nel polo sud di Marte, ghiaccio sull’asteroide Cerere, oceani con sorgenti termali su Encelado, lo splendido satellite ghiacciato di Saturno. Ma iniziamo a trovare acqua anche nell’atmosfera di alcuni pianeti extrasolari. Non abbiamo ancora trovato una nuova Terra, ma siamo sulla buona strada. Ancora per un po’ di tempo però possiamo continuare a considerarci esseri speciali e a pensare che i marziani siamo noi.