mercoledì 10 agosto 2016

214. Suite: Judy Blue Eyes - The islanders puzzle

I buoni matematici riescono a vedere le analogie.
I grandi matematici riescono a vedere le analogie tra le analogie.
Stefan Banach

C’è un isola con 1000 abitanti, 100 dei quali hanno gli occhi azzurri, mentre i restanti 900 hanno gli occhi marroni. Sull’isola non ci sono specchi ed è assolutamente vietato parlare del colore degli occhi. Inoltre se una persona scopre il colore dei propri occhi, deve abbandonare l’isola immediatamente.
Un giorno, un esploratore arriva sull’isola ed è invitato a tenere un discorso a tutta la popolazione e, essendo all’oscuro delle usanze locali, egli commette un passo falso: “dopo questi lunghi mesi di viaggio in mare, è veramente un piacere rivedere persone con gli occhi blu”. Cosa succede dopo?

Preciso che gli abitanti dell’isola, pur avendo usanze strane, sono persone molto logiche e non disobbediscono mai.

Soluzione

Per risolvere il problema, cominciamo con la variante di un’isola con 1 sola persona con gli occhi blu (che chiameremo A).
Quindi A viene a sapere dalle parole dell’esploratore che è presente almeno una persona con gli occhi blu. Siccome non vede nessuno con queste caratteristiche, A conclude che deve essere lui. Subito dopo abbandona l’isola.
Supponiamo ora che le persone siano 2 (A e B), entrambe con gli occhi blu.
A vede che B ha gli occhi blu e viceversa. Visto che l’altro non se ne va il primo giorno, capiscono che anche loro hanno lo stesso colore. Quindi A e B lasciano l’isola il secondo giorno. Nota: se solo 1 avesse gli occhi blu, il caso sarebbe banale.

Procedendo con questo ragionamento, se gli isolani con occhi blu sono N, per induzione, se ne andranno tutti l’N-esimo giorno.
Nel nostro specifico caso, i 100 abitanti se ne andranno il 100-esimo giorno.

Subito dopo i restanti 900 abitanti con gli occhi marroni realizzano cosa è successo e abbandonano l’isola anche loro.

Tutto chiaro?

Ammesso che sia riuscito a convincervi, il dubbio che resta è che l’esploratore non sembra introdurre nuove informazioni. Eppure lo fa, come viene spiegato dal concetto di  differenti ordini di conoscenza. O meglio, con il concetto di Conoscenza comune.
In logica, la conoscenza comune è un particolare tipo di conoscenza all'interno di un gruppo di giocatori. Esiste conoscenza comune di p in un gruppo di giocatori G, quando tutti i giocatori all'interno di G conoscono p, sanno che tutti conoscono p, sanno che tutti sanno che tutti conoscono p e così via all'infinito.







In modo analogo, Pier Paolo Pasolini nel film-documentario “Comizi d'amore” diretto nel 1965, “aggiunge” all’amore tra Tonino e Graziella, la coscienza del loro amore.

SCENE DA UN MATRIMONIO

“Tonino e Graziella si sposano. Del loro amore sanno solo che è amore. Dei loro futuri figli sanno soltanto che saranno figli. È soprattutto quando è lieta e innocente che la vita non ha pietà. Due ragazzi italiani si sposano e in questo loro giorno tutto il male e tutto il bene precedenti ad essi sembrano annullarsi, come il ricordo della tempesta nella pace.

Ogni diritto è crudele ed essi, esercitando il proprio diritto a essere ciò che furono le loro madri e i loro padri, non fanno altro che confermare, cari come sono alla vita, la lietezza e l'innocenza della vita. Così la conoscenza del male e del bene e la storia, che non è né lieta né innocente, si trova sempre di fronte a questa spietata smemoratezza di chi vive alla sua sovrana umiltà. Tonino e Graziella si sposano e chi sa tace di fronte alla loro grazia che non vuole sapere. E invece il silenzio è colpevole e allora l'augurio sia: al vostro amore si aggiunga la coscienza del vostro amore.”

 





giovedì 4 agosto 2016

213. Bellezza e Verità, Su e Giù, Incanto e Strano


Three quarks for Muster Mark!

Sure he has not got much of a bark

And sure any he has it's all beside the mark.

James Joyce, Finnegans Wake

 

Avete 2 sacchetti di palline: il primo sacchetto contiene palline di colore Scarlatto, il secondo di colore Giallo.

Ad ogni colore corrisponde un numero che viene stampato sulla pallina. Prendiamo ora 3 palline: 2 di un colore e 1 dell’altro.

Domanda, di che numero devono essere le varie palline per avere come somma:

1 se si prendono 2 palline Scarlatte e 1 Gialla,

0 se si prendono 2 palline Gialle e 1 Scarlatta?

La risposta si può ottenere risolvendo le 2 equazioni:

2S + G = 1       e        S + 2G = 0

se si prende 2 volte la prima equazione e si sottrae la seconda, si ottiene:

3S = 2    cioè    S = 2/3

sostituendo in una delle 2 equazioni il valore di S si ha G = -1/3.

Essendo un sistema di 2 equazioni in 2 incognite, questa è l’unica soluzione.

Una domanda simile se la devono essere posta anche alcuni fisici come Murray Gell-Mann, George Zweig e Yuval Ne'eman, alla fine degli anni ’50. Nel loro caso 1 e 0 erano rispettivamente la carica del Protone e quella del Neutrone.

Nel loro caso le palline vennero chiamate quark: rispettivamente Su (quelle con carica elettrica 2/3) e G (quelle con carica elettrica -1/3).

Ma non è finita qui. Prendendo 3 quark Su si ottiene una particella di carica 2; mentre, con 3 quark Giù, si ottiene una particella di carica -1. 

Queste particelle esistono:   Delta ++  e   Delta

 


I quark sono fermioni, chiamati così in onore di Enrico Fermi. Sono particelle, che seguono la statistica di Fermi-Dirac, dotate di spin semintero (1/2, 3/2, 5/2, ...). Sono raggruppati in 3 generazioni, ognuna composta da 2 leptoni e 2 quark (più le loro antiparticelle dette antiquark). In totale si originano in questo modo 6 tipi o “sapori” di quark: la prima generazione è composta dai quark up e down; la seconda include i quark charm e strange; della terza fanno parte i quark top e bottom (che inizialmente vennero chiamati true e beauty) . Ossia su, giù, incanto, strano, alto, basso.










In accordo con il modello standard della fisica delle particelle, il quark up ed il quark down sono i costituenti fondamentali dei nucleoni:
il Protone contiene 2 quark up e 1 quark down, mentre il Neutrone contiene 1 quark up e 2 quark down; è da notare che la maggior parte della massa nei nucleoni proviene dall'energia del campo gluonico che tiene insieme i quark, e non dalle masse dei quark stessi.


https://it.wikipedia.org/wiki/Particella_elementare

domenica 31 luglio 2016

212. Bellezza e Verità


 non ci sono più maestri, ci sono solo esperti del settore

Armando (Enzo Jannacci)

La bellezza del somaro (2010)

Si dice che la bellezza stia negli occhi di chi guarda, o, come ebbe a dire David Hume: "La bellezza delle cose esiste nella mente di chi le contempla". E nella mente degli scienziati, la bellezza assume un significato profondo, spesso reale e a volte “complesso”.

Capita spesso a fisici e matematici di ricercare nelle loro teorie la bellezza, e di riuscire a trovarla in una qualche forma di simmetria, altre volte in una forma particolarmente semplice o infine in un’espressione elegante o equa. Se leggete che ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria (terzo principio della dinamica), anche se di fisica ne capite poco, potete comunque percepire che questa affermazione sia corretta a priori.

Tra i tanti libri che parlano di questo argomento, ce ne sono 2 che mi sento di consigliare in modo particolare:

P.A.M. Dirac, La bellezza come metodo, ed.Indiana

S. Chandrasekhar, Verità e bellezza, ed.Garzanti

Di Dirac (premio Nobel per la fisica nel 1933 assieme a Schrödinger) se ne è parlato in un precedente post, qui mi limiterò ad esporre la famosa equazione scritta sulla targa che è stata posta, il 13 novembre 1995, all’interno dell’Abbazia di Westminster a Londra nei pressi di quella di Isaac Newton.



 

L'equazione di Dirac è una formulazione relativistica dell'equazione di Schrodinger (che in meccanica quantistica determina l'evoluzione temporale dello stato di un sistema, ad esempio di una particella, di un atomo o di una molecola), ammette, però, soluzioni ad energia negativa. Dirac ipotizzò l'esistenza di un mare infinito di particelle che occupano tali stati ad energia negativa. Dopo lo sviluppo della teoria quantistica dei campi gli stati ad energia negativa furono identificati con le antiparticelle, con l'introduzione di un nuovo numero quantico (che vale +1 per le particelle e -1 per le antiparticelle), in modo da risolvere alcuni paradossi originati dall'ipotesi del mare di Dirac. Senza rendersene conto aveva scoperto l'antimateria.

È stata formulata nel 1928 ed è un passo fondamentale per l’unificazione di meccanica quantistica e relatività ristretta. Ha consentito di spiegare la struttura fine dello spettro dell'atomo di idrogeno e il fattore giromagnetico dell'elettrone.

Riporto infine un suo pensiero:

La bellezza matematica è una qualità che non può essere definita, non più di quanto la bellezza possa essere definita per l'arte, ma chi studia matematica, di solito, non ha difficoltà ad apprezzarla.” 

Nota: PAM sta per Paul Adrien Maurice, mentre OM per Order of Merit.




Che una scoperta matematica trovi la sua esatta replica nella natura, mi convince ad affermare che la bellezza è ciò a cui la mente umana risponde nei suoi recessi più profondi e segreti. Che la semplicità è l’impronta del vero e che la bellezza è lo splendore della verità.      

Verità e bellezza, Chandrasekhar op. cit.

Subrahmanyan Chandrasekhar (1910 – 1995) è stato un fisico, astrofisico e matematico indiano naturalizzato statunitense. Uno dei maggiori contributi da lui forniti all'astrofisica è il "Limite di Chandrasekhar". Esso costituisce un valore critico nelle scale di grandezza delle stelle nane bianche. In particolare il Limite di Chandrasekhar (pari a 3·1030 kg, circa 1,44 volte la massa solare) segna il limite superiore della massa di una nana bianca. Una stella non rotante che, al termine della propria permanenza nella sequenza principale, nella fase cioè di bilanciamento tra forza gravitazionale e pressione di degenerazione degli elettroni dovuta alla fusione degli atomi di idrogeno, è destinata a collassare in una nana bianca, se al momento del collasso gravitazionale la massa del nucleo è al di sotto del Limite di Chandrasekhar. Se, invece, la massa del nucleo supera il Limite di Chandrasekhar, essa collasserà in forma di una stella di neutroni o di un buco nero. Subrahmanyan è stato premio Nobel per la fisica nel 1983.

Suo zio, sir Chandrasekhara Venkata Raman (1888 – 1970) è stato un fisico indiano, premio Nobel per la fisica nel 1930 per i suoi studi sulla diffusione della luce e per la scoperta dell'effetto Raman, che da lui prende il nome. Nel 1921 cominciò gli esperimenti sulla diffusione anelastica della luce. La spettroscopia Raman è basata su questo fenomeno.

http://www.enchantedlearning.com/subjects/astronomy/stars/lifecycle/
Nel 1975 Chandrasekhar tenne una conferenza dal titolo  Shakespeare, Newton e Beethoven, ovvero modelli di creatività” raccolta nel libro “Verità e bellezza – 1990” 



 

Domanda: un computer potrebbe riconoscere la bellezza?



Non sempre la bellezza matematica traspare nello stesso modo, come si può verificare in questi 2 esempi:



 

domenica 10 luglio 2016

211. Il limite del cerchio


Fino al 1954, fuori dall’Olanda, pochi matematici conoscevano i lavori di Maurits Cornelis Escher  (Leeuwarden, 1898 – Laren, 1972), ma quell’anno l’International Congress of Mathematicians (ICM) venne svolto ad Amsterdam, e per l’evento venne organizzata una mostra delle opere di Escher dove erano esposte anche le stampe relative alla simmetria.

 

1938, Giorno e Notte





Al congresso partecipava anche Harold Coxeter (Londra, 1907 – Toronto, 2003) grande matematico inglese, che svolse la maggior parte della sua attività nel campo della geometria. Coxeter acquistò due stampe e ne approfittò per cominciare un fecondo scambio di idee, che proseguì anche negli anni successivi. In seguito Escher ebbe a dire che “… ho finito per ritrovarmi nel regno della matematica. Pur essendo totalmente privo di una formazione nel campo delle scienze esatte, mi sembra di avere più cose in comune con i matematici che con i miei colleghi artisti.” Nel 1957 Coxeter scrisse a Escher chiedendogli il permesso di utilizzare due dei suoi disegni per illustrare uno scritto a cui stava lavorando, dedicato alla simmetria dei cristalli. L’esperienza dell’artista risaliva alle sue frequenti visite all’Alhambra di Granada, in Spagna, un tempio della tassellatura geometrica. 





Dopo anni spesi a sviluppare in modo quasi ossessivo il tema delle divisioni regolari del piano, sentiva il desiderio di liberarsi del piano euclideo e creare una nuova rappresentazione dell’infinito. Un giorno del 1958, una lettera di Coxeter diede “una grande scossa” alla creatività di Escher. Quando vide alcune illustrazioni contenute nella busta, ebbe l’illuminazione che attendeva da tempo: alcune figure matematiche rappresentavano la simmetria non-euclidea nel piano iperbolico e sulla sfera. 



 

Escher cominciò subito a lavorare e, poco dopo, il contenuto della lettera si trasformò nella prima incisione su legno. La chiamò Limite del cerchio I e scrisse: “La ritengo la tassellatura del tipo con tassellature sempre più piccole più bella che abbia mai realizzato.” 



 

Se avete occasione di passare da Milano quest’anno, potete approfittarne per visitare a Palazzo Reale la mostra dedicata a Escher. 

 










 

M.C.Escher, Esplorando l’infinito, Garzanti

Siobhan Roberts, Il re dello spazio infinito, Rizzoli

 

sabato 2 luglio 2016

210. Dinastie


 Prima di cominciare il post, voglio ricordare che è stato pubblicato

Il (non) Carnevale della Fisica #15”.

E’ sempre un piacere leggerlo ed è un onore poter fornire un contributo.

Per il lavoro svolto voglio ringraziare l’instancabile e poliedrica Annarita.


  


Quando si studia la matematica o la fisica del XVIII secolo i nomi che ricorrono sono ad esempio: Eulero, Gauss, Leibniz, Bernoulli, Lagrange e Laplace. Per ognuno di questi sono stati pubblicati molti lavori in diversi campi delle scienze fisiche e matematiche; sembra impossibile che una sola persona abbia potuto pubblicare così tanti scritti, e viene da pensare che esistessero più di un Eulero o più di un Gauss. Ecco, nel caso dei Bernoulli è proprio così.

La famiglia Bernoulli aveva origini in Anversa. Da qui fuggì nel 1583 per sottrarsi al massacro degli Ugonotti.

Il giovane Bernoulli (Daniel) era sempre stato fiero di discendere da una illustre famiglia di matematici. Era figlio di (Johann) un famoso matematico vivente e nipote di un altro matematico altrettanto famoso (Niklaus).

Quella sera di autunno del 1734, però, quando il padre rincasò, Daniel lo salutò porgendogli una lettera senza dir niente sul suo contenuto. Con aria perplessa, il padre la prese e vi lesse che quell’anno l’Accademia delle Scienze francese aveva deciso di assegnare a entrambi, il primo premio della competizione scientifica che veniva attribuito ai migliori scienziati dell’epoca. Il giovane Daniel pensò che a questo punto lui e suo padre si sarebbero abbracciati per la gioia, ma non fu così. Qualcosa non andava e il padre reagì con un cupo silenzio. Dopo aver finito di leggere, accartocciò la lettera e apostrofò il figlio con una raffica di accuse.

La lite degenerò, al punto che poche ore dopo aver ricevuto il prestigioso premio, il povero Daniel si trovò sbattuto fuori casa. Era appena tornato in famiglia, a Basilea, dopo 7 anni trascorsi all'Accademia Imperiale Russa di San Pietroburgo, dove nel frattempo era divenuto molto famoso.

Non ancora trentenne, infatti, Daniel Bernoulli aveva svelato il segreto dei fluidi.

Nel 1729, Daniel stava riflettendo su come misurare la pressione del sangue. A quel tempo andavano di moda i salassi, e molti pazienti morivano più per le cure che per la malattia. Misurare la pressione sembrava una buona idea per capire quando si stava esagerando. Bernoulli, pensando al sangue che schizzava verso l'alto quando veniva bucata un'arteria, si rese conto che misurando quell'altezza poteva valutare la pressione del sangue. Mise quindi a punto una cannula di vetro che veniva infilata in un'arteria del paziente: misurando l'altezza della colonnina di sangue che si formava si poteva misurare la pressione del sangue senza dissanguare lo sventurato paziente.

Misurando come cambiava la pressione in un condotto idraulico al variare della sua sezione, si rese conto che dove il condotto si restringeva, il fluido aumentava di velocità e la pressione diminuiva. Viceversa, se la velocità diminuiva, la pressione aumentava. La somma dei valori di pressione e velocità del fluido (e quindi della sua energia cinetica) rimaneva costante. Era stata scoperta l'equazione nota oggi come teorema di Bernoulli, che sta alla fluidodinamica come le equazioni di Newton stanno alla dinamica dei corpi solidi.

 

Il teorema di Bernoulli è il principio della conservazione dell'energia per i fluidi ideali in regime stazionario o in flusso laminare.

 




     

 
Jakob Bernoulli (noto anche come Jacques) (Basilea 1654 – Basilea 1705) è stato un matematico e scienziato svizzero. Era il fratello maggiore di Johann Bernoulli e lo zio di Daniel Bernoulli. Sviluppò il calcolo infinitesimale. Ha tenuto una corrispondenza con Gottfried Leibniz dai cui primi scritti sull'argomento apprese il calcolo differenziale che sviluppò nei decenni successivi, con la collaborazione del fratello, Johann, e sempre sotto la supervisione dello stesso Leibniz. I suoi primi scritti sulle curve trascendentali (1696) e isoperimetria (1700, 1701) sono i primi esempi di tali applicazioni. La sua opera principale è Ars Conjectandi pubblicato postumo nel 1713, un lavoro fondamentale della teoria delle probabilità. I concetti campionamento bernoulliano, teorema di Bernoulli, variabile casuale bernoulliana e numeri di Bernoulli sono legati ai suoi lavori e nominati in suo onore. Inoltre il primo teorema del limite centrale, ovvero la legge dei grandi numeri, venne formulata da Jakob.
 
Johann I Bernoulli (o Jean I) (Basilea 1667 – Basilea 1748) è stato un matematico svizzero, uno dei più importanti scienziati della famiglia Bernoulli, fratello minore di Jakob, il capostipite della famiglia. Educò il grande matematico Eulero ed è conosciuto per i suoi contributi al calcolo infinitesimale.
 
Nicolaus Bernoulli (noto anche come Niklaus o Nikolaus) (Basilea 1687 – Basilea  1759), è stato un matematico svizzero, nipote di Jakob e Johann Bernoulli. Fu uno dei primi e più importanti matematici della famiglia Bernoulli. Ottenne il dottorato con una tesi sulla teoria della probabilità. Nel 1716 ottenne la cattedra che era stata tenuta da Galileo all'Università di Padova; qui lavorò sulle equazioni differenziali e sulla geometria.
 
Nicolaus II Bernoulli (conosciuto anche come Niklaus II o Nikolaus II) (Basilea 1695 – San Pietroburgo 1726), è stato un matematico e fisico svizzero. Lavorò principalmente sulle curve, le equazioni differenziali, e la probabilità. Fu contemporaneo di Leonardo Eulero. Diede importanti contributi anche allo sviluppo della fluidodinamica. Fu fratello più anziano di Daniel Bernoulli.
 
Daniel Bernoulli (Groninga 1700 – Basilea 1782) è stato un matematico e fisico svizzero. Il suo principale lavoro fu Hydrodynamique, pubblicato nel 1738; nella sua struttura assomiglia alla Méchanique Analytique di Joseph Louis Lagrange: tutti i risultati sono conseguenza di un singolo principio, e precisamente quello di conservazione dell'energia. L'opera fu seguita da una memoria sulle teorie delle maree, alla quale, insieme alle memorie di Eulero e Colin Maclaurin, l'Accademie Royale des Sciences francese assegnò un premio: queste tre memorie contengono tutto ciò che sull'argomento venne scritto tra i Philosophiae Naturalis Principia Mathematica di Isaac Newton e le investigazioni di Pierre-Simon Laplace. Statistica: Daniel Bernoulli fu anche autore nel 1738 di Specimen theoriae novae de mensura sortis (Esposizione di una nuova teoria di misura del rischio), in cui il paradosso di San Pietroburgo è considerato la base dell'avversione al rischio, il premio e l'utilità. Uno dei primi tentativi di analizzare un problema di statistica utilizzando dati tenuti nascosti è stata l'analisi di Bernoulli del 1766 sulla diffusione del vaiolo e i relativi dati di mortalità, per dimostrare l'efficacia del vaccino. Fisica: Daniel Bernoulli fu uno dei primi scienziati a formulare la teoria cinetica dei gas ed applicare la legge di Boyle. Egli lavorò con Eulero sull'elasticità e sulla formulazione dell'equazione di Eulero-Bernoulli. Il principio di Bernoulli è largamente utilizzato in aerodinamica e fluidodinamica.
 
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Michael Guillen - Le 5 equazioni che hanno cambiato il mondo

 


 
 -  Niklaus Bernoulli – commerciante
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