L’Orlando Scienziato ci aspetta domenica 13 aprile presso il parco del Mauriziano a Reggio Emilia. Semi di Scienza sarà presente con i suoi esperti, che proporranno laboratori per esplorare il mondo scientifico.

I buchi neri sono da sempre tra gli oggetti più affascinanti e misteriosi dell’universo. Predetti dalla relatività generale di Einstein e osservati indirettamente attraverso i loro effetti gravitazionali, questi mostri cosmici continuano a sfidare la nostra comprensione della fisica. Uno dei problemi più profondi legati ai buchi neri è il cosiddetto paradosso dell’informazione, che mette in discussione la compatibilità tra la relatività generale e la meccanica quantistica. Negli anni scorsi un gruppo di scienziati, tra cui il compianto Stephen Hawking, ha proposto una soluzione innovativa a questo paradosso, introducendo il concetto di “soft hair” (letteralmente: capelli morbidi). Ma cosa significa tutto questo? E perché è così importante?

Il paradosso dell’informazione

Secondo la relatività generale, un buco nero è una regione dello spazio-tempo con un campo gravitazionale così intenso che nulla, nemmeno la luce, può sfuggirgli. Quando la materia o la radiazione cadono in un buco nero, sembrano scomparire per sempre, portando con sé l’informazione sul loro stato quantistico. Tuttavia, la meccanica quantistica afferma che l’informazione non può essere distrutta. Questo conflitto è noto come paradosso dell’informazione dei buchi neri.

Già negli anni ’70 del secolo scorso, Stephen Hawking dimostrò che i buchi neri non sono completamente “neri”, ma emettono una radiazione termica, chiamata radiazione di Hawking, che fa sì che il buco nero perda gradualmente massa e, alla fine, evapori. Già questo un po’ ci getta nello scompiglio: un oggetto che ha una massa talmente concentrata che… può evaporare. Vabbè, fidiamoci, perché le domande ancora più interessanti devono ancora arrivare. Questa radiazione infatti sembra essere completamente casuale e non contenere alcuna informazione sulla materia che è caduta nel buco nero. Questo ha portato alla domanda: dove va a finire l’informazione?

L’entropia dei buchi neri e la formula di Bekenstein-Hawking

Una delle intuizioni più importanti di Hawking è stata quella di collegare i buchi neri alla termodinamica. In particolare, ha dimostrato che l’entropia di un buco nero (una misura del disordine o dell’informazione contenuta) è proporzionale all’area del suo orizzonte degli eventi, secondo una formula – chiamata formula di Bekenstein-Hawking – che qui non proporremo. Ci basti sapere che questa formula suggerisce che i buchi neri non sono semplici oggetti gravitazionali, ma sistemi complessi che contengono e processano informazione.

I “soft hair” e i modi zero

Nel 2018, Hawking e i suoi collaboratori (Malcolm Perry, Andrew Strominger e Sasha Haco) hanno pubblicato un articolo intitolato Black Hole Entropy and Soft Hair, in cui hanno proposto una soluzione innovativa al paradosso dell’informazione. L’idea è che i buchi neri possano avere “soft hair”, ovvero sottili configurazioni di campi gravitazionali ed elettromagnetici vicino all’orizzonte degli eventi, che agiscono come una sorta di “memoria” del buco nero.

Questi “capelli morbidi” sono associati ai modi zero dei campi, ovvero configurazioni che non trasportano energia ma possono comunque codificare informazione. In pratica, quando la materia cade in un buco nero, lascia delle tracce nei modi zero, che potrebbero conservare l’informazione senza violare i principi della meccanica quantistica.

Calcoli mostruosi e il valore “12J”

Uno degli aspetti più affascinanti di questo lavoro è la complessità dei calcoli coinvolti. Gli scienziati hanno dovuto affrontare equazioni con oltre 1.000 termini, che inizialmente producevano risultati incoerenti: l’entropia del buco nero risultava essere zero o infinita, il che non ha senso fisico. Dopo un lungo e laborioso processo, il team è riuscito a trovare un valore chiave, indicato come “12J”, che ha permesso di risolvere queste incoerenze e ottenere un risultato fisicamente significativo. Un valore che, per i profani, ricorda un po’ la risposta fornita dal super computer (per molti aspetti simili alle recenti intelligenze artificiali che popolano il nostro mondo) presente nel romanzo di Douglas Adams Guida galattica per autostoppisti che, di fronte alla «domanda fondamentale sulla vita, l’universo e tutto quanto», risponde semplicemente «42».

Anche se il significato esatto del “12J” rimane un dettaglio tecnico, è chiaro che rappresenta un passo importante nella comprensione di come l’informazione viene conservata nei buchi neri. Questo risultato suggerisce che i “soft hair” e i modi zero potrebbero davvero giocare un ruolo chiave nella risoluzione del paradosso dell’informazione.

Il lavoro sperimentale di Silke Weinfurtner

Mentre la fisica teorica avanza con idee audaci come i “soft hair”, c’è anche un lato sperimentale che cerca di testare queste teorie in laboratorio. Una figura di spicco in questo campo è Silke Weinfurtner, ricercatrice all’Università di Nottingham, che guida un team che simula i buchi neri in laboratorio utilizzando modelli fisici in scala ridotta.

Weinfurtner e il suo gruppo lavorano con una grande vasca d’acqua in cui creano vortici e onde per studiare il comportamento dello spazio-tempo vicino a un buco nero. In particolare, osservano come le onde si propagano in presenza di un flusso vorticoso, che può essere paragonato all’orizzonte degli eventi di un buco nero. Quando le onde si avvicinano al vortice, alcune vengono “intrappolate” e non possono più sfuggire, proprio come la luce o la materia che cadono in un buco nero.

Questi esperimenti rientrano nel campo della gravità analogica, che esplora le somiglianze matematiche tra sistemi fisici apparentemente molto diversi, come i buchi neri e i fluidi in movimento. Anche se questi modelli non possono riprodurre esattamente i buchi neri reali, permettono di testare alcune previsioni teoriche in un contesto controllato.

Punti di contatto tra teoria e esperimento

Il lavoro di Weinfurtner e quello di Hawking e colleghi sono due facce della stessa medaglia. Da un lato, la teoria propone idee innovative come i “soft hair” per risolvere il paradosso dell’informazione; dall’altro, gli esperimenti di gravità analogica cercano di verificare se queste idee hanno un riscontro nella realtà fisica.

Ad esempio, i modi zero e i “soft hair” potrebbero avere analoghi nei sistemi fluidi studiati da Weinfurtner. Se questi effetti fossero osservati in laboratorio, ciò fornirebbe un supporto indiretto alle teorie di Hawking e colleghi. Inoltre, gli esperimenti potrebbero aiutare a identificare nuove proprietà dei buchi neri che non erano state previste teoricamente.

Implicazioni per la fisica teorica e sperimentale

Il lavoro di Hawking, Perry, Strominger, Haco e Weinfurtner non è solo una curiosità accademica, ma ha implicazioni profonde per la fisica teorica e sperimentale. Se i “soft hair” possono davvero conservare l’informazione, questo potrebbe aprire la strada a una teoria più completa della gravità quantistica, che unisca la relatività generale e la meccanica quantistica.

Inoltre, questi studi potrebbero avere applicazioni in altri campi della fisica, come lo studio delle onde gravitazionali o della cosmologia. I buchi neri, infatti, non sono solo oggetti esotici, ma laboratori naturali per testare le leggi fondamentali dell’universo.

In conclusione possiamo senz’altro dire che il paradosso dell’informazione nei buchi neri rimane uno dei problemi più profondi e affascinanti della fisica moderna. Grazie al lavoro pionieristico di Stephen Hawking e dei suoi collaboratori, siamo forse più vicini a una soluzione. I “soft hair” e i modi zero rappresentano una proposta audace e innovativa, che potrebbe rivoluzionare la nostra comprensione dei buchi neri e dell’universo stesso.

Allo stesso tempo, il lavoro sperimentale di ricercatori come Silke Weinfurtner dimostra che la fisica non è fatta solo di equazioni complesse, ma anche di creatività e ingegno nel trovare modi per testare queste idee in laboratorio. Anche se molti dettagli tecnici rimangono da chiarire, una cosa è certa: i buchi neri continuano a essere una fonte inesauribile di meraviglia e di domande, spingendo i confini della conoscenza umana sempre più in là.

Per molto tempo, gli scienziati sono rimasti perplessi dall’incredibile efficienza della fotosintesi: quando la luce colpisce una foglia, quasi ogni fotone catturato viene convertito in energia utilizzabile dalla pianta, con un’efficienza che supera il 95% in condizioni ottimali, motivo per cui la foglia è diventata oggetto di studio nei laboratori che si occupavano di creare efficienti pannelli solari.

Proprio all’interno di questi studi, quasi per serendipità, Engel e colleghi (1) hanno scoperto il segreto di questa straordinaria efficienza: la fotosintesi sfrutta il principio di sovrapposizione quantistica per garantire la massima produzione di ossigeno e nutrienti, nonostante la continua variazione delle condizioni ambientali esterne. E, contro ogni precedente convinzione, la coerenza quantistica viene mantenuta per tutta la cascata elettronica che è alla base della fotosintesi stessa. Infatti l’implicazione più sorprendente di questa scoperta è il fatto che questi delicati effetti quantistici possano persistere in un ambiente caldo e rumoroso della cellula, sopravvivendo al rumore termico. Le ricerche suggeriscono che le proteine che circondano i complessi fotosintetici creino un ambiente protettivo, permettendo agli stati quantistici di sopravvivere abbastanza a lungo da svolgere il loro ruolo cruciale. Sembra che le membrane plasmatiche siano fra gli elementi chiave che permettono alle cellule di creare al loro interno ambienti protetti e separati. Concettualmente questo processo è simile a quello che avviene nei nostri acceleratori di particelle, dove gli scienziati creano un ambiente totalmente separato dall’esterno, caratterizzato da precise condizioni ambientali che permettono ai delicati processi quantistici di mantenere la loro efficienza senza collassare.

Vediamo un po’ più nel dettaglio il meccanismo scoperto da Engel e colleghi: nel centro di reazione fotosintetico, le molecole di clorofilla formano strutture che possiamo chiamare “antenne”. Quando un fotone viene assorbito da queste molecole, crea uno stato di eccitazione che deve viaggiare attraverso questo complesso fino a raggiungere il centro di reazione. Secondo la fisica classica, questa energia dovrebbe “rimbalzare” casualmente tra le molecole, perdendo molta energia nel processo.

Invece, grazie al mantenimento della coerenza quantistica all’interno del complesso fotosintetico, l’energia si comporta come un’onda quantistica, esplorando simultaneamente tutti i possibili percorsi verso il centro di reazione. Questo fenomeno, chiamato “sovrapposizione quantistica”, permette all’energia di trovare istantaneamente il percorso più efficiente, come se fosse guidata da un GPS.

C’è un’immagine comunemente usata spiegare la sovrapposizione al pubblico non specializzato (Fig. 1), in cui il lettore può vedere un vaso o due facce, ma le due figure esistono allo stesso tempo. È “la scelta” della mente del lettore a rendere visibile l’una o l’altra. Questa “scelta” potrebbe rappresentare ciò che viene descritto come collasso della funzione d’onda. Gli elettroni nei processi fotosintetici sono in uno stato “sovrapposto” fino a quando non “collassano”, in base alle condizioni ambientali, innescando la cascata biochimica che trasforma i fotoni in energia chimica, nel miglior pannello solare conosciuto (1–4).

La fotosintesi quantistica ci mostra come la natura abbia evoluto sistemi in grado di sfruttare i più sottili effetti della meccanica quantistica per sostenere la vita sulla Terra. Questa scoperta non solo ha rivoluzionato la nostra comprensione della biologia, ma sta anche ispirando una nuova generazione di tecnologie sostenibili.

Fig. 1

Letture per approfondire:

1.           Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mančal T, Cheng YC, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. 2007;446(7137):782–6.

2.           Calvillo L, Parati G. Immune System and Mind-Body Medicine – An Overview. In: Brain and Heart Dynamics [Internet]. Cham, Switzerland: Springer International Publishing; 2019. p. 1–19. Available from: http://link.springer.com/10.1007/978-3-319-90305-7_9-1

3.           Calvillo L, Redaelli V, Ludwig N, Qaswal AB, Ghidoni A, Faini A, et al. Quantum Biology Research Meets Pathophysiology and Therapeutic Mechanisms: A Biomedical Perspective. Quantum Rep. 2022 Apr 4;4(2):148–72.

4.           Al-Khalili J. Life on the Edge: The Coming of Age of Quantum Biology. Bantam Press; 2014.

L’iniziativa è rivolta alle scuole secondarie di primo grado. Qui il link al sito dell’associazione:

https://associazionelagrange.it/wp-content/uploads/2024/09/MSR-CAMPUS-MEDIE-MARINA-DI-MASSA-2025-word.pdf

Una rivoluzione silenziosa:

Nel 2007, un articolo scientifico ha rivoluzionato la comprensione dei processi biologici, rivelando l’incredibile ruolo della meccanica quantistica nei sistemi viventi. La ricerca di Engel e colleghi (1) ha dimostrato che la fotosintesi clorofilliana raggiunge la sua straordinaria efficienza proprio grazie ai principi quantistici.

In particolare nei meccanismi della fotosintesi, gli elettroni sfruttano il principio di sovrapposizione, permettendo loro di:

– Esistere simultaneamente in più punti

– Selezionare istantaneamente il percorso energeticamente più efficiente

– Trasformare la luce solare in ossigeno e nutrienti con un’efficacia sorprendente

Esploriamo brevemente insieme i principi fondamentali della meccanica quantistica, per comprendere come questi meccanismi si manifestino nei sistemi biologici.

I concetti della fisica quantistica sfidano persino i fisici che li hanno sviluppati, rivelando un universo subatomico che si comporta in modo sorprendentemente diverso dalle nostre aspettative classiche. Questa nuova comprensione della materia ha rivelato proprietà estremamente controintuitive che mettono in discussione la nostra percezione della realtà fisica.

Le proprietà quantistiche più affascinanti includono:

1. La sovrapposizione quantistica, per cui un elettrone può esistere simultaneamente in più posizioni, sfidando la logica della fisica classica.

2. L’effetto tunnel quantistico, che permette alle particelle di attraversare barriere energetiche teoricamente invalicabili, quasi come se potessero “oltrepassare i muri”. Questo fenomeno sovverte completamente la nostra comprensione classica delle interazioni energetiche.

3. L’entanglement quantistico, un legame misterioso che consente a particelle separate da enormi distanze di rimanere istantaneamente connesse, comunicando istantaneamente trascendendo lo spazio-tempo.

Questi postulati descrivono un universo intrinsecamente probabilistico, fluido e interconnesso, dove la realtà è molto più complessa di quanto appaia.

Fin dagli anni ’20, scienziati pionieristici come Niels Bohr ed Erwin Schrödinger, e successivamente Frohlich (2–4), hanno iniziato a esplorare le implicazioni di questi fenomeni quantistici per la comprensione dei sistemi biologici. Bohr ha dedicato diverse conferenze alla natura quantistica della vita, aprendo nuove prospettive sulla connessione tra fisica atomica e biologia.

Per molto tempo, la comunità scientifica ha ritenuto che l’ambiente cellulare – caldo, umido e dinamico – fosse incompatibile con i delicati meccanismi quantistici, che erano stati sempre osservanti in condizioni estreme di vuoto e temperature prossime allo zero assoluto, rendendo difficile immaginare questi processi nelle strutture biologiche.

Con il loro lavoro, Engel e i suoi colleghi hanno definitivamente confutato questa convinzione, aprendo la strada a successive ricerche che hanno dimostrato come certi enzimi (proteine indispensabili alla vita) riescano a far avvenire le reazioni chimiche necessarie alla cellula grazie al principio di tunneling quantistico, e come la capacità di orientamento degli uccelli migratori sia correlata alla proprietà dell’entanglement. Infatti nella retina di questi animali alcuni elettroni possono “agganciare” il campo magnetico terrestre seguendolo fino a destinazione.

Queste scoperte in breve hanno rivoluzionato la biologia e hanno riportato in auge lavori e teorie pubblicati negli anni ’90 del novecento che indagavano persino la natura della coscienza umana, considerandola come un processo quantistico.

Di questo e di altro parleremo nei successivi articoli incentrati su questa nuova branca della fisica quantistica (5,6), entrando più nello specifico nella descrizione di questi fenomeni.

Per un primo approfondimento consiglio la seguente bibliografia:

1.           Engel GS, Calhoun TR, Read EL, Ahn TK, Mančal T, Cheng YC, et al. Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems. Nature. 2007;446(7137):782–6.

2.           Bohr N. I QUANTI E LA VITA UNITA’ DELLA NATURA. UNITA’ DELLA CONOSCENZA. Boringhieri B, curatore. Hoepli; 2012.

3.           Schrodinger E. What is Life? With Mind and Matter and Autobiographical Sketches. Cambridge: Cambridge University Press, curatore. 1992.

4.           Frohlich H. Long-Range Coherence and Energy Storage in Biological Systems. 1968;11:641–9.

5.           Ball P. Physics of life: The dawn of quantum biology. Nature. 2011;474(7351):272–4.

6.           Calvillo L, Redaelli V, Ludwig N, Qaswal AB, Ghidoni A, Faini A, et al. Quantum Biology Research Meets Pathophysiology and Therapeutic Mechanisms: A Biomedical Perspective. Quantum Rep. 4 aprile 2022;4(2):148–72.

Attività principali svolte (ottobre 2022 – ottobre 2024)

1. Eventi culturali e divulgativi
   • 13 ottobre 2022: Presentazione online del libro Non tutto il mare è perduto di Giuseppe Ungherese.
   • 20-29 ottobre 2022: Partecipazione al Festival della Scienza di Genova con la mostra The Sound of Science, visitata da oltre 3.500 persone.
   • 19 febbraio 2023: Conferenza Una questione energetica presso il Circolo ARCI di Via d’Acqua (Pavia) e piantumazione di un albero nel Parco della Vernavola.
   • 8 settembre 2023: Cena divulgativa Il Mondo che si muove, l’arte che parla di ambiente a Livorno.
   • 14 marzo 2024: Conferenza La matematica fa schifo in occasione del Pi Greco Day a Pontassieve (FI).
   • 22 marzo 2024: Evento divulgativo Vedere l’infinito: le dieci virtù di un matematico a Firenze.
2. Laboratori e attività didattiche
   • 12 marzo 2023: Laboratorio Giochiamo con l’energia presso la Città del Sole di Pisa.
   • 7 maggio 2023: Laboratorio didattico Energeticamente e laboratorio formativo per adulti Affresco del clima a Firenze.
   • 19 giugno 2024: Laboratorio Energicamente – Alla ricerca dell’energia sostenibile presso la Ludoteca Scientifica di Pisa.
   • 21-22 settembre 2024: Evento sulle comunità energetiche rinnovabili durante HORTI APERTI a Pavia.
3. Progetti finanziati dall’Otto per Mille della Chiesa Valdese
   • Profili Antropici: Monitoraggio scientifico dei rifiuti spiaggiati (25 febbraio 2023) e presentazione finale dei risultati (4 maggio 2024).
   • Cambiamo Energia: Lancio del progetto (19 gennaio 2024) e successive attività educative.
4. Collaborazioni e partecipazioni a festival
   • 24-28 aprile 2024: Crociere scientifiche in barca a vela con la Stazione Zoologica di Napoli.
   • 26 maggio – 9 giugno 2024: Installazione della mostra The Sound of Science presso lo spazio LANArchico di Prato.
   • 24 marzo 2024: Partecipazione al Festival della Scienza Orlando Scienziato a Reggio Emilia.
5. Progetti scolastici
   • Progetto Energicamente: Coinvolgimento di circa 80 classi in Toscana, finanziato da Toscana Energia.
   • Olimpiadi della Scienza: Iniziativa nazionale che ha coinvolto 10.000 studenti di scuole secondarie di primo grado.

Pubblicazioni e comunicazione online

• Pubblicazione di articoli originali ogni 15 giorni sul nostro blog.
• Organizzazione di eventi online trasmessi sul nostro canale YouTube.

Negli ultimi anni, il sapere scientifico ha dimostrato di essere un elemento chiave per affrontare le sfide globali, dalla crisi climatica all’innovazione tecnologica. La scienza non solo contribuisce al progresso, ma rappresenta anche un ponte tra conoscenza e responsabilità, ispirando soluzioni concrete e sensibilizzando le persone al cambiamento. Il nostro impegno continuerà a essere orientato verso la promozione di una scienza al servizio della società e delle future generazioni.

Il biennio appena trascorso ha confermato il ruolo centrale dell’Associazione Semi di Scienza come promotrice di una cultura scientifica accessibile e coinvolgente. La diversità delle attività svolte, il numero crescente di partecipanti e il consolidamento di collaborazioni strategiche ci spingono a guardare al futuro con entusiasmo.

Con l’inizio del nuovo anno, desideriamo rinnovare il nostro impegno nella divulgazione scientifica, auspicando nuove scoperte e una sempre maggiore partecipazione della comunità. Auguriamo a tutti un 2025 ricco di conoscenza, curiosità e azioni concrete per un mondo più sostenibile.

Buon anno da tutto il team di Semi di Scienza!

Tutte le info QUI.

La nuova pubblicazione Advancing the Protection Principle di Let’s Be Nice to the Ocean, pubblicata il 30 ottobre 2024 a Cali, Colombia, in occasione della COP sulla Biodiversità, delinea le proposte chiave per migliorare la conservazione degli oceani attraverso il Principio di Protezione alla prossima Terza Conferenza delle Nazioni Unite sull’Oceano (UNOC3) che si terrà a Nizza, in Francia, nel giugno 2025.

Il Principio di Protezione chiede che la protezione degli oceani diventi la norma, non l’eccezione, garantendo che l’onere della prova ricada sulle industrie estrattive e inquinanti, in modo che la preservazione e il ripristino della salute degli oceani e degli ecosistemi abbiano la precedenza sullo sfruttamento.

“Il documento chiede che il Piano d’azione per l’oceano di Nizza, nel giugno 2025, approvi il principio di protezione come obiettivo ambizioso” ha detto Rémi Parmentier, autore di Advancing the Protection Principle.

Con questo in mente, come movimento Let’s Be Nice to the Ocean proponiamo che il Piano d’azione per l’oceano di Nizza accetti di formare un gruppo ad hoc per redigere un rapporto su modalità e opzioni e una tabella di marcia prima della quarta conferenza delle Nazioni Unite sugli oceani nel 2028.

Perché adesso?

Il ruolo dell’oceano come “sala macchine” del sistema climatico globale è inconfutabile. Assorbe il 90% del calore in eccesso generato dalle attività umane e circa il 25% delle emissioni di anidride carbonica, mitigando gli impatti climatici. Tuttavia, ciò ha un costo elevato, poiché l’oceano deve affrontare un riscaldamento, un’acidificazione e una perdita di biodiversità senza precedenti.

Il rapporto Advancing the Protection Principle delinea raccomandazioni cruciali per i politici e le parti interessate, tra cui l’approvazione del principio di protezione come obiettivo ambizioso a Nizza, l’eliminazione della pesca dannosa e di altri sussidi dannosi per l’ambiente, una moratoria sull’estrazione mineraria in acque profonde e sulla pesca a strascico d’altura, e la protezione dell’Oceano Meridionale e del Mar Mediterraneo. Queste azioni ambiziose mirano ad affrontare le crisi ambientali efficacemente interconnesse: cambiamento climatico, perdita di biodiversità e inquinamento.

A Nizza, a sostegno del principio di tutela dei diritti e della giustizia dell’oceano

A Nizza, i governi dovrebbero approvare il Principio di Protezione per trasformare il modo in cui gestiamo la nostra biodiversità oceanica condivisa, ripensando gli approcci ai diritti di accesso, alle responsabilità e alle quote, soprattutto perché il cambiamento climatico intensifica le pressioni sugli ecosistemi marini. Questo nuovo quadro si allinea con la nozione emergente di diritti dell’oceano e affronta i principi alla base della giustizia oceanica, che richiedono un uso equo e sostenibile delle risorse oceaniche, in particolare per le popolazioni indigene e le comunità costiere vulnerabili che dipendono dall’oceano per il loro sostentamento e il loro patrimonio culturale.

Il tempo per l’oceano sta per scadere. Se i governi non coglieranno l’opportunità di Nizza di invertire la tendenza, uno tsunami di conseguenze – l’innalzamento dei mari, la morte delle barriere coralline e il collasso della pesca – raggiungerà presto le nostre coste.

Per scaricare Advancing the Protection Principle clicca qui