O’ Scienza, where art thou?

Uno spettro si aggira tra le commissioni d’esame della maturità nei licei scientifici. I prof. e le prof. di italiano, storia e filosofia si sono alleati in una caccia spietata contro questo spettro.

Lo spettro è la scienza.

Mi spiego. Gli studenti ne dicono di cose assurde all’esame di maturità (che, per inciso, reputo inutile nella sua forma attuale), castronerie che necessiterebbero il commento della Gialappa’s Band, visto che noi della commissione non possiamo fare battute sferzanti. Alcune sono castronerie molto gravi: per esempio il fascismo che nasce prima del 1915 o Kafka che improvvisamente diventa siciliano (giuro, entrambe quest’anno). Sono gravi, lo ribadisco. Una gravità inaudita.

Ve ne racconterò un’altra: pensate, uno studente ha detto che la forza elettromotrice è una forza. Un momento. Percepisco della perplessità: non vi sembra una castroneria? Magari provo a spiegarla meglio. La f.e.m., forza elettromotrice appunto, è un sinonimo di potenziale elettrico, ovvero di generatore di un circuito.

Come dite? Troppo tecnico? Va bene, allora vi racconto un’altra castroneria. Uno studente ha detto che in un materiale la luce ha velocità maggiore della velocità della luce nel vuoto. Ancora perplessi? OK, provo a spiegare anche questa: la luce nel vuoto viaggia a 300 mila km/s (la velocità della luce nel vuoto, appunto) mentre in un qualsiasi materiale, poiché interagisce con atomi e molecole, viaggia a velocità minore di 300 mila km/s. Tra l’altro, non conosciamo nulla al momento che possa viaggiare più veloce della luce, quindi insomma è molto grave come affermazione.

Ma non vi sento proprio convinti, c’è qualcosa, lo so, che comunque fa sembrare il Kafka siciliano un errore più grave. Vi dirò la verità, e ve la dirò da insegnante di fisica: ho percepito anche io questa disparità. Ma come mai?

Molto spesso la risposta è nella vita quotidiana. Capita più spesso che qualcuno si vanti di non saper risolvere le equazioni o capita più spesso che qualcuno si vanti per non leggere neanche un libro? Capita più spesso che qualcuno dica “troppi numeri già mi frigge il cervello” oppure “non sono mai stato bravo in matematica e fisica, mai capito nulla” o capita più spesso che qualcuno dica “non sapevo che nel mezzo del cammin di nostra vita fosse l’inizio della Divina Commedia di Dante”? Ecco, ci siamo capiti forse.

A dire il vero, nulla di nuovo, ma scontrarsi con la realtà dà sempre quel sottile brivido che solo i film di Indiana Jones sanno darti: lo sai che Harrison Ford si salva e ne esce vivo, però non puoi fare a meno di preoccuparti per lui. E così è stato.

Lo so, lo so: non sapere nulla di matematica e fisica è universalmente accettato in Italia come un difetto ammissibile. Guai a non sapere che la ginestra di Leopardi era quella del Vesuvio, invece sulla differenza tra nucleo e atomo possiamo chiudere un occhio. Facepalm.

Naturalmente non vorrei mai che accadesse il contrario, che la parte scientifica surclassasse la sezione umanistica, ci mancherebbe altro. Qui stiamo parlando di parti equamente fondamentali dello scibile umano. Il punto che voglio sottolineare è smetterla di considerare gli errori matematico-fisici meno importanti di quelli di letteratura. Perché non saper studiare una funzione è più universalmente accettato rispetto al non sapere il significato di X agosto di Pascoli? Ovvio, qui parlo principalmente di maturità scientifica, quella che sto facendo come commissario interno dal 17 giugno, ma il discorso si può applicare a qualsiasi indirizzo.

Non credo di esagerare se provo ad azzardare che questo atteggiamento non è il risultato bensì la causa di tutti i mali della cultura scientifica in Italia. La cultura umanistica è la cultura prevalente a scapito di quella scientifica, trascurabile per molti: mi pare un dato di fatto.

Come tutte le cose, colto il problema e compreso il conflitto che c’è dietro è necessario agire per impostare non una nuova supremazia ma anzi una nuova sinergia. Posso parlare solo per matematica e fisica, certo, ma credo possa essere un ottimo spunto di partenza per un eventuale dibattito serio su questo tema.

Probabilmente noi insegnanti di matematica e fisica dobbiamo rivedere tutti le nostre strategie e metodologie: è evidente che sono anni che non funzionano se un ex-ministro della Repubblica farebbe obiezione di coscienza pur di non risolvere equazioni e disequazioni. C’è qualcosa che non va nel docente quadratico medio di matematica e fisica; un’idea, magari malsana ma tendente alla verità, è che i docenti di matematica e fisica insegnano matematica e fisica come materie e non come parti di una materia unica, la scienza.

Sembra una sciocchezza, ma se ci pensiamo un attimo la differenza è gigante: considerare matematica, fisica e scienze tre materie separate delle superiori è esattamente ciò che le fa odiare. Gli studenti pensano spesso di avere tre compartimenti stagni, che si parlano poco e soprattutto (per loro) con tre voti differenti. Gli insegnanti possono anche essere diversi, ci sta, ma bisogna trovare un modo per fare interagire queste tre materie, esattamente come interagiscono italiano, storia e filosofia. La soluzione l’abbiamo sempre avuta davanti agli occhi, non abbiamo mai voluto vederla. Le tre materie scientifiche devono diventare un unicum in grado di comporre la mentalità scientifica di base, calibrata su una scala di grigi a seconda ovviamente dell’indirizzo di studi preciso della scuola superiore che si frequenta. E infine, perché no, aggrapparsi come in un giro di vite proprio alla letteratura, alla storia e alla filosofia.

È questo il salto di qualità richiesto: la cultura scientifica è trascurata perché come istituzione scolastica non siamo in grado di creare contenuti trasversali. Se il sistema educativo di un paese non riesce a rendere sistematico l’approccio scientifico, allora non ce la potremo mai fare.

Ora, la vedo molto dura attendere una riforma scolastica in questo senso, di questi tempi. Non sono solito dare consigli sul fai da te ma in questa fase onestamente mi sembra molto meglio che, in ogni classe, i docenti di queste tre materie accartocino ogni programma definito per immergersi nell’iperuranio della formazione culturale scientifica. È così, e lo dico anche io che in fondo poi sono solo un docente pivello: dobbiamo osare, caspita, sì che dobbiamo.

Focalizziamo la nostra attenzione sulla formazione culturale scientifica e non sulla conoscenza del singolo argomento. Quando gli studenti non sanno quale sia il contributo di Faraday alla scienza, non stanno soltanto ignorando una precisa casella di conoscenza: ignorano una domanda che non si sono posti e che noi docenti non siamo stati in grado di rendere evidente o sottolineare, ignorano la loro curiosità innata.

Se noi docenti scientifici non siamo in grado di stimolare questa curiosità, non riusciremo mai a ribaltare le sorti dell’area scientifica. Perché se noi docenti di fisica conosciamo bene Leopardi, Pascoli, Marx non è solo per cultura o per pavoneggiarsi, ma è perché la nostra curiosità si è spinta oltre la solita siepe per arrivare ad apprezzare la sete di conoscenza espressa a parole dalla letteratura o dalla filosofia. Per esempio l’emergenza Covid-19 lo ha dimostrato una cosa lampante. Improvvisamente tutti volevamo la scienza (anche non specifica del virus in certi casi, a volte proprio la metodologia della scienza), ma la vera domanda è: perché quella cultura scientifica richiesta non c’era già su grande scala tra il pubblico? Al di là delle potenziali risposte, facciamo prima un onesto mea culpa: noi insegnanti, ma forse anche semplicemente noi divulgatori, abbiamo sbagliato qualcosa.

Quello che voglio dire in questo post è che il problema di coloro che si vantano di non capire un’acca di matematica e la fisica e di coloro che lo ammettono con nonchalance è un problema che esiste ma che non va ribaltato, perché non è una gara tra umanesimo e scienza. Al di là delle effettive difficoltà, il fatto che ci siano lacune più tollerabili di altre rischia di relegare infine la scienza sempre in secondo piano, producendo danni che sul lungo termine potrebbero portare a un clima di sfiducia totale o di abnegazione totale verso la scienza: sono entrambe prospettive errate, perché la scienza si nutre di spirito critico.

Al contrario, questo problema indica che noi che insegnamo scienza dobbiamo trovare una soluzione, come ogni problema scientifico che si rispetti, per riuscire a stimolare le domande nel cuore degli studenti.

Le domande verranno agli studenti quando loro saranno pronti. Ma noi saremo pronti a rispondere con la soddisfazione di chi chiude una discussione o saremo pronti a scavare ancora di più nel loro cuore scientifico alla ricerca di nuove interessanti domande?

Questa è la vera sfida di chi insegna scienze, fisica e matematica.

Luci verdi sul pianeta rosso: ESA TGO osserva l’aurora su Marte

Non omini verdi ma luci verdi su Marte. Il satellite ESA ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) ha osservato per la prima volta la caratteristica luce verde dell’aurora, proprio come quella dell’aurora polare verde che vediamo sulla Terra.

Questo fenomeno era già previsto da decenni, ma finalmente ora abbiamo dei dati corroboranti. In realtà, qui su Quantizzando abbiamo già parlato in passato di aurore marziane; tuttavia si trattava di un fenomeno molto diverso da quello che genera la luce verde delle aurore polari (di cui invece parliamo oggi).

Per prima cosa, un breve riassunto: le aurore polari di formano quando le particelle del vento solare vanno a collidere con gli atomi di ossigeno dell’atmosfera di un pianeta. Particelle cariche e ossigeno: questi sono gli ingredienti principali per ottenere l’aurora. L’aggettivo polare invece nasce dal fatto che le particelle cariche seguono il campo magnetico del pianeta e sono dirette verso i poli (tutto il fenomeno l’ho spiegato in questo post).

Come dicevamo, sono 40 anni che questo fenomeno è considerato dagli astrofisici, ma non era mai stato osservato. Per questo gli astrofisici hanno avuto un’idea: proviamo a studiare le aurore verdi marziane proprio come fanno gli astronauti sulla Stazione Spaziale Internazionale quando scattano foto spettacolari dell’aurora terrestre. Quindi, per osservare il fenomeno su Marte, ESA TGO ha studiato il lato di Marte illuminato dal Sole, in particolare guardando al bordo, cioè allo strato di atmosfera che avrebbe dovuto brillare di verde.

In questo modo, e grazie alle capacità degli strumenti di ESA TGO, alla fine ce l’abbiamo fatta: la luce verde emessa dall’ossigeno è stata osservata anche su Marte. Non solo: i dati sono molto in accordo con i modelli. E questa cosa è molto importante.

Grafico che mostra come varia la luminosità della luce verde dell’aurora marziana in funzione dell’altitudine, mettendo a confronto modello teorico e osservazioni con barre di errore – Tratto da Gérard, J., Aoki, S., Willame, Y. et al. Detection of green line emission in the dayside atmosphere of Mars from NOMAD-TGO observations. Nat Astron (2020). https://doi.org/10.1038/s41550-020-1123-2

Già, perché è importante? Sulla Terra le aurore polari sono uno spettacolo pazzesco e meta di gite e pellegrinaggi alle latitudini polari. Il fatto di vedere un fenomeno simile su Marte non è solo una curiosità, bensì è qualcosa di fondamentale in vista di eventuali future missioni spaziali con equipaggio. Conoscere bene l’atmosfera marziana, quindi anche studiare le aurore appena osservate su Marte, permette di capire meglio quale siano la densità e la composizione dell’atmosfera del pianeta rosso. Questi dati non sono solo utili poi per i futuri astronauti ma anche dal punto di vista tecnico possono aiutare a far atterrare senza problemi rover e moduli scientifici che necessitano di un paracadute (Do you remember Schiaparelli?).

Come sempre, la ricerca di base, come è quella in astrofisica, parte dallo studio dei fenomeni naturali e arriva a risvolti importanti. In questo caso, la luce verde dell’ossigeno marziano è in grado di farci capire che cosa dobbiamo fare per esplorare personalmente Marte.

L’anello di Marte

Oggi parliamo di Marte, il pianeta rosso. Marte ha due lune, Phobos e Deimos.

Diciamo la verità, non sono delle lune memorabili, bellissime. Ma tant’è.

L’idea generale è che queste due lune si siano formate in passato come residui dopo l’impatto di un grosso oggetto con Marte. Phobos è più grande e vicina a Marte rispetto a Deimos. Phobos si sta pian piano avvicinando a Marte, la gravità del pianeta è all’opera in modo incessante. Quando un giorno Phobos si avvicinerà troppo, quando supererà una certa distanza limite (detta in generale limite di Roche) dal pianeta rosso, allora Phobos verrà disintegrato in tantissimi piccoli pezzi. Questo è il processo che ha portato alla formazione degli anelli di Saturno, per esempio. Lo stesso discorso si dovrebbe applicare, tra circa 50 milioni di anni, anche a Phobos.

Fin qui sembrerebbe una storia triste, ma in astrofisica il colpo di scena è dietro l’angolo, anche se le orbite sono circolari. Infatti da anni c’è in giro l’idea che magari l’anello di Marte sia un fenomeno ciclico, ovvero: una luna si disintegra, poi si forma l’anello, poi i pezzettini dell’anello si ricompattano a formare una nuova luna più piccola che poi a sua volta si disintegrerà e così via.

Lo so: pazzesco. L’idea è questa: quando la nuova luna più piccola si forma, allora l’interazione del pianeta e di ciò che resta dell’anello spinge la nuova luna a una distanza maggiore dal pianeta (è un fenomeno chiamato momento torcente di Lindblad, roba di forze di marea comunque); la nuova luna fa un po’ tira e molla, l’anello pian piano sparisce perché i detriti finiscono sul pianeta, e il ciclo si ripete.

Nell’immagine qui sotto la palla arancione è Marte, la pallina blu è la nuova luna, la striscia grigia è l’anello: le varie fasi corrispondono a una situazione iniziale in cui c’è solo l’anello, fino a una situazione in cui la luna si ri-avvicina al pianeta prima di disintegrarsi.

Abbiamo evidenze che ciò possa essere vero? Guardiamo l’altra luna, Deimos, quella più lontana da Marte. L’orbita di Deimos è inclinata: questo fatto è noto da tempo, ma è sempre stato piuttosto trascurato. Ora forse però si può incastrare questa osservazione in un contesto più complicato, un contesto che coinvolge anche l’eventuale formazione di un anello attorno a Marte.

Partiamo dall’inizio. Se il modello dell’anello ciclico di Marte fosse vero, allora Phobos è oggi il risultato di questo ciclo; in passato, una luna progenitrice di Phobos, una luna più grande, avrebbe fatto il tira e molla che dicevamo, prima allontandosi da Marte, poi in seguito ri-avvicinandosi prima di disintegrarsi e dare vita a una luna più piccola (e arrivare, dopo una serie di cicli, a Phobos oggi). Quando la luna progenitrice però si spinge verso l’esterno a causa delle forze mareali, allora influenza l’altra luna, Deimos. L’impatto più evidente che dovrebbe aversi è che le orbite delle lune entrano in risonanza: cioè, le due lune si trovano nella stessa posizione rispetto a Marte dopo che hanno fatto un certo numero intero di orbite.

Nell’esempio qui sotto, relativo alle orbite delle lune di Giove, la situazione iniziale delle posizioni delle lune si ripresenta dopo un preciso numero di orbite.

Ora, Phobos e Deimos hanno le orbite in risonanza e quindi ecco un indizio a favore del modello dell’anello ciclico. Ma non solo: il movimento della luna progenitrice di Phobos deve aver avuto, come ci aspettiamo anche un impatto sull’inclinazione dell’orbita di Deimos, caratteristica che oggi osserviamo. Quindi abbiamo due vincoli: la risonanza orbitale e l’inclinazione dell’orbita di Deimos. Se produciamo un modello, con ipotesi la teoria dell’anello ciclico, e otteniamo come risultato ciò che osserviamo oggi, allora ecco che magari tutto diventa plausibile. Questo è stato fatto da Matjia Cuk e i suoi collaboratori del SETI Institute.

Detta così sembra tutta una roba molto fumosa e teorica. E infatti lo è. Per fortuna però nei prossimi anni la JAXA, l’agenzia spaziale giapponese, ha intenzione di inviare una sonda spaziale per studiare proprio le lune di Marte.

La missione si chiamerà Mars Moon Exploration e dovrebbe raccogliere anche dei campioni di terreno dalla superficie di Phobos nel 2024. Per esempio, riuscire a verificare che Phobos è molto più giovane di Deimos, cioè che Phobos si è formata più di recente, potrebbe essere un’ulteriore evidenza a supporto della teoria dell’anello ciclico. Staremo a vedere.