Tratto da Scienze FanPage

L’universo è come un quadro di Escher: parola di Stephen Hawking

Nel suo ultimo studio, il cosmologo Stephen Hawking e i suoi collaboratori ipotizzano che la forma piatta dell’universo sia solo l’effetto di un’illusione ottica come in un quadro di Escher.

Se chiedete a qualcuno di descrivervi com’è l’universo, vi sentirete probabilmente rispondere che è infinito. Si tratta di un’affermazione errata, e qualcuno forse vi saprà dire che l’universo non è in realtà infinito, ma solo privo di limiti, che è un’altra cosa (anche se il concetto, facile da afferrare, risulta difficile da digerire). È molto improbabile che qualcuno – a meno che non si tratti di uno scienziato, o di un appassionato – vi sappia rispondere anche a una domanda sulla forma dell’universo. Di fatto, i cosmologi ritengono che l’universo sia fondamentalmente piatto, con una geometria euclidea, quella cioè in cui la somma degli angoli interni di un triangolo darà sempre 180°, e che sperimentiamo quotidianamente. Disponiamo di molti indizi sul fatto che l’universo è piatto, come per esempio i calcoli sulle distanze delle supernove. Ma non tutti i cosmologi sarebbero disposti a scommetterci il loro stipendio.

L’universo di Escher

Stephem Hawking.

Tra questi c’è Stephen Hawking, non certo l’ultimo arrivato: nonostante i suoi freschi settant’anni e una malattia neurodegenerativa tra le più terribili, il suo cervello lavora a pieno ritmo e ha da poco sfornato, anche grazie al lavoro di una eminente équipe di collaboratori, una nuova teoria: l’universo non è piatto, ma assomiglia piuttosto a un quadro di Escher. Il famosissimo grafico olandese ne sarebbe stato onorato: del resto molte delle sue opere si basano su illusioni ottiche tratte dalla geometria e della matematica che hanno letteralmente fatto impazzire ammiratori del calibro del cosmologo Roger Penrose, suo noto estimatore, e del giornalista premio Pulitzer, Douglas Hofstadter, che a Escher ha dedicato un bestseller imponente, Godel, Escher, Bach.

Ora, Hawking e il suo collega Thomas Hertog, dell’Istituto di Fisica Teorica dell’Università Cattolica di Leuven, in Belgio, si sono ispirati a una delle opere più famose di Escher per spiegare la loro teoria: Limite circolare IV. Angeli e demoni si tengono quasi per mano dando l’impressione della sfericità del piano, che è invece piatto. Una splendida illusione ottica che potrebbe essere associata al nostro universo e risolvere parecchi problemi. Il principale si chiama, nientedimeno, teoria del tutto: è l’obiettivo ultimo della fisica, una teoria capace di spiegare tutto, dall’origine dell’universo al suo destino ultimo, dalla dinamica dei moti delle galassie ai componenti più piccoli della materia. Il problema è che le due più grandi teorie della fisica, gravità e meccanica quantistica, non sono conciliabili: la prima funziona bene nello spiegare l’universo su grande scala, la seconda descrive perfettamente l’universo su scala subatomica. Ma, insieme, non funzionano proprio.

Tra le diverse geometrie dell'universo, quella proposta da Hawking e colleghi presenta una curvatura negativa ed è di tipo iperbolico.

La soluzione al problema della teoria del tutto

Anche il cosmologo Roger Penrose condivide l'idea di un universo "di tipo Escher".

La migliore candidata come teoria del tutto si chiama teorie delle stringhe e piace molto ai matematici, non solo perché è davvero complicata – prevedendo, al posto delle 3 dimensioni spaziali note, ben 10 (o 11) dimensioni – ma perché sembra funzionare bene nel coniugare le due grandi teorie della fisica in una spiegazione ultima dell’universo. C’è solo un particolare che guasta: la costante cosmologica. Sappiamo da molti anni che l’universo si sta espandendo a un ritmo che accelera nel tempo, e che la ragione di quest’espansione si chiama energia oscura. Cosa sia non lo sappiamo ancora, ma i cosmologi semplificano la questione inserendo nelle equazioni della relatività generale un fattore noto come costante cosmologica, di segno positivo, che dà come risultato un universo in espansione, in accordo con le osservazioni. Questa costante cosmologica di segno positivo scombina i piani della teoria delle stringhe: universi di questo tipo sono estremamente instabili alla luce di questa teoria, un po’ come una penna in equilibrio sulla sua punta, che tenderà sempre appena possibile a ritornare nel suo stato naturale, distesa sul tavolo. La teoria funzionerebbe molto meglio se la costante cosmologica avesse segno negativo. Tuttavia, se ciò fosse vero, l’universo non sarebbe piatto, come invece sembra, e quindi è un bel pasticcio.

Nel loro studio, Hawking, Hertog e colleghi sono riusciti a elaborare un modello che prevede universi con costante cosmologica negativa che si comportano analogamente al nostro. Alcuni di questi universi, infatti, si espandono e mostrano anche un’accelerazione come l’osservazione sembra dimostrare. Ma c’è un problema: un universo con costante cosmologica negativa non è piatto, ma curvo, con una curvatura negativa, e quindi una geometria non euclidea. E dalle osservazioni non risulta affatto che la geometria del nostro universo sia di questo tipo. Le osservazioni potrebbero però essere difettate da una sorta di illusione ottica. Torniamo al quadro di Escher: l’immagine è curva o piatta? L’immagine in realtà è la proiezione di una geometria alternativa chiamata “spazio iperbolico”, così come il planisfero è la proiezione piana di una forma sferica. Le figure nel quadro sembrano restringersi man mano che si avvicinano all’orlo dell’immagine, ma in realtà in uno spazio iperbolico hanno tutte la stessa dimensione: la distorsione è il prodotto della proiezione su piano, così come per esempio nel planisfero alcuni continenti sembrano più grandi – o più piccoli – di quanto non siano in realtà sulla sfera. Allora, spiega Hertog, così come la geometria di Newton funziona bene nel descrivere lo spazio che sperimentiamo nel quotidiano, ma deve cedere il passo alla geometria di Einstein quando si tratta di descrivere lo spazio su scala più grande, in prospettiva potremmo scoprire che anche la geometria einsteniana dovrà cedere il passo a una descrizione dell’universo del tipo immaginato da Escher su scala cosmica.

Approfondimenti: energia oscura

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Da Scienze - "La Stampa"

Nel cervello c’è un “area social”

Possibile bersaglio di future terapie contro i disturbi del comportamento, come autismo, schizofrenia e disordini bipolari.

È stata individuata nel cervello un’area “social”. Si tratterebbe di una piccola regione essenziale per memorizzare le relazioni sociali, ossia la capacità degli animali di riconoscere un individuo della stessa specie.

Pubblicato su Nature e ottenuto negli Stati Uniti, il risultato si deve al gruppo di ricerca del Columbia University Medical Center coordinato da Steven Siegelbaum. 

L’area è stata individuata nei topi e, se confermata nell’uomo, potrebbe diventare il bersaglio di future terapie contro i disturbi del comportamento, come autismo, schizofrenia e disordini bipolari.

Chiamata CA2, l’area si trova nell’ippocampo, una regione già nota per il ruolo cruciale che gioca nella nostra capacità di ricordare. Recenti studi hanno dimostrato che le differenti sotto-regioni dell’ippocampo sono specializzate in funzioni specifiche per distinguere, ad esempio, ambienti simili già visti o per richiamare un ricordo da spunti parziali. «Tuttavia - rileva Siegelbaum - il ruolo di questa regione era rimasta in gran parte sconosciuto». 

Per saperne di più i ricercatori hanno creato un topo transgenico in cui le cellule nervose della regione CA2 potevano essere selettivamente “silenziate”. Una volta silenziati i neuroni, sui topi sono stati condotti test comportamentali. 

«Normalmente - spiega il primo autore Frederick Hitti - i topi mostrano curiosità verso un topo che non hanno mai incontrato, ma passano più tempo a scrutare un loro simile sconosciuto rispetto a uno familiare». 

Nell’esperimento, però, gli animali non hanno mostrato alcuna preferenza per un topo nuovo contro uno già noto, e ciò indica, secondo Hitti, mancanza di memoria sociale. Anche nell’uomo è stato osservato che le lesioni dell’ippocampo compromettono la memoria sociale e questo fenomeno è associato a comportamenti sociali alterati, dalla schizofrenia all’autismo. Se l’area sarà individuata anche nell’uomo, sottolinea Siegelbaum, potrebbe costituire un nuovo bersaglio terapeutico per tali malattie.

Da "Oggiscienza"

Gli “universali” del cervello che legge

Pubblicato da Eleonora Viganò

 I circuiti attivati nel cervello per leggere un testo in cinese e uno in francese, o in un’altra lingua alfabetica, sono gli stessi, come hanno dimostrato i ricercatori guidati da Stanislas Dehaene del National Institute of Health and Medical Reserach in Francia in uno studio pubblicato su PNAS . Identiche inoltre non sono solo le aree coinvolte ma anche i due network, quello visivo e quello motorio, presi in considerazione dallo studio, anche se con intensità differenti tra ideogrammi e alfabeto. Aver considerato occhio e mano – e non udito, come nelle ricerche precedenti – ha quindi permesso di dare una svolta ai circuiti cerebrali in funzione e alle caratteristiche universali della lettura.

Per comprendere meglio questi processi e i risvolti pratici dello studio abbiamo intervistato Alfonso Caramazza, direttore del Laboratorio di neuropsicologia cognitiva dell’Università di Harvard e del Centro Interdipartimentale Mente–Cervello dell’Università degli Studi di Trento.

Alfonso Caramazza, cosa accade quando si legge?

Durante la lettura una stringa di elementi visivi viene trasformata in una sequenza di suoni e in un significato. Prendiamo la parola “sedia”: mentre la leggiamo trasformiamo questo pattern visivo in un suono e in un concetto. La stessa cosa accade di fronte all’immagine di una sedia, grazie alla quale ci verrà sicuramente in mente sia il significato sia il suono della parola. Qual è la differenza tra parola e immagine? Nel rapporto tra oggetto (o immagine) e suono non esiste un pezzo dell’immagine che corrisponde a una delle lettere che compongono la parola sedia, mentre quando leggiamo c’è corrispondenza tra parti della parole e parti del suono. Viceversa non esiste sovrapposizione tra parole e elementi del significato, ma quando vediamo una sedia, alcuni elementi dell’immagine corrispondono a parti del significato: lo schienale per esempio sorregge le spalle.

Quindi tra immagini e parole …

La differenza risiede nella composizione. Durante la lettura, la composizione delle parole corrisponde alla composizione dei suoni, mentre quando vediamo un’immagine la composizione degli oggetti corrisponde al significato dell’oggetto rappresentato. Quando imparo a leggere, imparo a unire le lettere ai suoni.

Nel cervello cosa succede?

L’ipotesi è che vi sia un’area nella zona temporale posteriore deputata all’analisi dello stimolo visivo, chiamata visual word-forming area (VWFA).  Qui vengono riconosciute le lettere e le sequenze di lettere e l’informazione viene condivisa con altre parti del cervello: la parte superiore del lobo temporale è deputata a riconoscere il significato della parola, il lobo parietale è coinvolto nella unione tra elemento visivo e suono, il lobo frontale è invece chiamato in causa per pronunciare la parola. Queste aree sono attivate grazie alla componente visiva.

Quando leggiamo tuttavia si è visto che vengono attivate sia queste aree sia aree motorie corrispondenti ai gesti compiuti mentre scriviamo la parola stessa, soprattutto se la parola è scritta in corsivo, con una grafia distorta e veloce.

Esiste un’area per questa componente motoria?

Sì, l’area di Exner, localizzata nella parte laterale del lobo frontale, è coinvolta nella scrittura e nella lettura attraverso la percezione mentale dei movimenti compiuti scrivendo quella parola.

Dove risiede l’universalità?

Nella lettura esiste un sistema universale condiviso tra tutte le culture composto da questi due sistemi:  quello percettivo/visivo e quello motorio.

… e la diversità?

Esistono ovviamente delle differenze tra le varie lingue, in relazione al peso che assumono queste due componenti. Nelle lingue alfabetiche la parte motoria è meno sfruttata rispetto all’elemento percettivo, soprattutto se si utilizzano le lettere in carattere stampatello e non in corsivo. La componente motoria è inoltre propria del linguaggio: se nell’esperimento i ricercatori avessero utilizzato immagini e figure, il circuito motorio non si sarebbe attivato perché non devo riconoscere nessun carattere.

Mi ricordo quando parlavo di caratteri cinesi con una mia dottoranda: lei muoveva la mano per riprodurre quel carattere. In inglese e in italiano al limite possiamo fare lo spelling, mentre per lingue come il cinese non esiste una decomposizione del carattere come avviene con le lettere. Quindi per comporre un carattere complesso, come nella lingua cinese, è necessario attingere al circuito motorio.

Una ricaduta pratica?

Si potrebbe mettere a punto un esperimento dove consideriamo persone affette da un qualche deficit motorio e verificare quanto sia facile per loro imparare a leggere in cinese e in una lingua alfabetica. Nella dislessia il problema principale consiste nel collegare lettere e suoni, scomporre la parola in fonemi e ricomporla. Questa capacità si acquisisce e si sviluppa durante lo sforzo compiuto per leggere, mentre nel dislessico vi è proprio una difficoltà a unire la parte visiva con quella sonora.

Quando vogliamo imparare una lingua straniera cosa succede?

L’attivazione è identica. Ho lavorato su un progetto che coinvolgeva partecipanti cinesi senza udito e senza la capacità di parlare, uno dei soggetti produceva addirittura suoni irriconoscibili, ma abbiamo visto che le aree attivate durante l’apprendimento erano le stesse di chi può parlare e imparare le lingue alfabetiche.

La predisposizione alle lingue è riconducibile a una spiccata attivazione?

Le basi delle differenze nella predisposizione all’apprendimento delle lingue sono individuali e ancora sconosciute, come accade per altre doti e abilità, come la matematica. Io per esempio dopo anni ad Harvard parlo ancora l’inglese americano con accento italiano e l’italiano con un forte accento inglese americano, e c’è chi invece non ha accento. Di certo sappiamo che, nella universalità dei meccanismi e dei circuiti cerebrali coinvolti, ci sono enormi differenze.

Scienze e ricerca

La paura che passa di padre in figlio

Una ricerca svela la natura ereditaria del disagio scatenato da alcuni odori. Un meccanismo che fa sì che si trasmetta di generazione in generazione

03 dicembre 2013 di Sandro Iannaccone

“L' odore delle case dei vecchi”. Rispondeva così, Jep Gambardella, lo scrittore edonista de La Grande Bellezza di Paolo Sorrentino, a chi gli chiedeva quale fosse la cosa che preferiva nella vita. Per capire il motivo di una risposta così bizzarra, magari avremmo dovuto chiedere ai nonni o ai genitori dell'artista: stando a una ricerca pubblicata su Nature Neuroscience, infatti, le sensazioni che derivano dall'annusare un odore (in particolare la paura e il disagio) si tramandano di generazione in generazione. I ricercatori della Emory University School of Medicine di Atlanta, infatti, guidati da Brian Dias e Kerry Ressler, hanno scoperto che i topi i cui genitori o nonni avevano imparato ad associare l'odore di fiori di ciliegio con una scossa elettrica diventavano più nervosi in presenza del profumo, ed erano più sensibili a

ll'odore rispetto a topi “neutri”. Il lavoro costituisce la migliore evidenza sperimentale mai fornita finora sull'ereditarietà delle memorie, e getta nuova luce sul meccanismo biologico per cui i tratti si tramandano attraverso le generazioni.

In passato, altri studi avevano già dimostrato che eventi stressanti potessero influenzare il comportamento emotivo o il metabolismo delle generazioni successive attraverso cambiamenti chimici nel Dna, un meccanismo noto come eredità epigenetica. Purtroppo, in generale non è semplice individuare i cambi epigenetici rilevanti, perché i geni coinvolti nella maggior parte dei disturbi sono troppo numerosi. Per l'olfatto, invece, la situazione è più semplice: gli odori singoli, come l' acetofenone (che profuma, appunto, di fiori di ciliegio) sono spesso legati a specifici recettori sul bulbo olfattivo, l'interfaccia tra naso e cervello – il recettore stimolato nei topi di Dias e Ressler si chiama M71. Nell'esperimento, gli animali maschi sono stati condizionati ad associare l'odore dell'acetofenone con una scossa elettrica: di conseguenza, dopo qualche tempo hanno sviluppato più recettori M71, il che ha consentito loro di rilevare acetofenone anche a livelli più bassi.

In seguito, i ricercatori hanno usato lo sperma dei topi condizionati per fecondare delle femmine. Ed è arrivata la scoperta sorprendente: la prole esposta all'acetofenone ha mostrato segni di nervosismo e paura anche se non aveva mai annusato quest'odore. E, tra l'altro, è stato osservato lo stesso comportamento anche nei nipoti dei topi condizionati – mentre il gruppo di controllo è rimasto pressoché impassibile. “Nella prole abbiamo trovato più recettori M71”, spiega Dias, “il che suggerisce che ci sia qualcosa nello sperma che favorisca l'ereditarietà dell'informazione acquisita dai genitori”. Il sequenziamento del Dna dello sperma dei topi, inoltre, ha rivelato marchi epigenetici sul gene che codifica l'M71, anche questi non osservati sui topi di controllo. Non si hanno ancora informazioni, invece, su quanto accade alle femmine di topo.

Resta ancora da indagare, spiegano i ricercatori, quanto a lungo permanga il cambiamento epigenetico – e se alla fine possa alla fine trasformarsi in un tratto genetico fissato. E, comunque, qualcuno resta ancora scettico. Anche perché non tutti i discendenti dei topi condizionati si erano mostrati più facili da spaventare rispetto ai topi di controllo, e i ricercatori non hanno fornito prove che il cambio epigenetico trovato nello sperma fosse direttamente responsabile dei cambi funzionali del cervello. “L'idea che un odore annusato possa essere trasmesso attraverso le generazioni è sorprendente, ma penso ci sia bisogno di dati veramente affidabili per sostenerlo”, dice Isabelle Mansuy della University of Zurich. “È questione così importante, che tocca concetti fondamentali in genetica ed epigenetica, e quindi il design sperimentale deve essere rigoroso e i dati devono essere interpretati con cautela”.