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Fisica

Incontri sulla medicina: come sfidare i big data

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L’intervista è stata realizzata durante il Festival della Scienza Medica che si è tenuto a Bologna dal 20 al 23 aprile 2017.

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Professor Bucci, siamo ormai entrati decisamente nell’era dei big data anche nel campo della ricerca scientifica e in particolare della ricerca medica e biologica della quale lei si occupa più direttamente. Nella fisica, che sia la fisica delle particelle o l’astrofisica, è ormai acquisita l’idea che si lavori attraverso l’analisi dei big data. Nella biologia pure? A che punto siamo?

Per la biologia la situazione è piuttosto variegata e siamo ancora in transizione. Vi sono aree in cui l’uso e l’analisi dei big data sono ben sviluppati. Penso per esempio alla genomica e a tutte le aree “eomiche” in cui quotidianamente si utilizzano informazioni in quantità rilevanti.
Ci sono settori come le scienze ambientali che non hanno ancora compiuto completamente questa transizione. Gli scienziati che studiano il clima invece sì. Abbiamo una situazione a macchia di leopardo. Non è ancora alla portata di qualunque ricercatore di queste discipline utilizzare davvero i big data. Per due motivi. Il primo è che l’accesso ai dati, per esempio a migliaia di genomi non è garantito a tutti. E poi perché anche alcuni “tool”, alcuni strumenti che si utilizzano quando si hanno a disposizione i dati, non sono comuni a tutti. In certi casi sono familiari a chi fa analisi di dati, e quindi non ha la conoscenza dei problemi da analizzare, e non sono familiari invece a chi lavora in biologia e sa quali sono i problemi che vorrebbe affrontare e risolvere, ma non sa quali strumenti utilizzare. La gran parte dei ricercatori della comunità biomedica direi che non ha accesso né ai dati né ai tool.

Questo significa che andiamo verso delle nuove specializzazioni, nel senso che ci saranno due figure: l’analista dei big data e il ricercatore puro, ossia il biologo che poi quei dati li interpreta? Oppure sono i ricercatori che devono acquisire queste nuove competenze?

La tendenza è esattamente questa: stanno nascendo delle figure ibride. Ci sono dei biologi che si sono interessati di teoria dell’informazione e, viceversa, degli ingegnerei analisti che sono in grado di appasssionarsi anche ai problemi di biologia. Ne abbiamo esempi in Italia al Politecnico di Torino e abbastanza diffusi in Europa e negli Stati Uniti. Quello che sta avvenendo è che si stanno rompendo alcune barriere. Specialmente nelle generazioni più giovani si stanno creando figure in grado di saltare dall’analisi quantitativa alla comprensione del dato biomedico.

Sarà questa la strada?

Sembra proprio di sì. Naturalmente non tutti riescono a compiere il salto. E quindi si stanno generando professionisti molto ben pagati e scuole di questi professionisti, in grado di fare questo lavoro per tutta la comunità.

Ma c’è il rischio che una fetta dei ricercatori venga tagliata fuori in questo processo?

C’è il rischio, almeno in parte, che una fetta dei ricercatori si tenga fuori da questo processo. Per esempio che non condivida i dati perché non è in grado di comprendere le analisi fatte da altri e voglia proteggersi, proteggere la propria possibilità di pubblicare dei dati anche senza una loro analisi. C’è una sorta di reazione di rigetto verso queste figure più innovative da parte della comunità più tradizionale. Questa barriera va assolutaente superata, attraverso una migliore formazione nelle università.

Parliamo allora degli strumenti di analisi. Perché acquisire big data e saperli elaborare sono due cose molto diverse.

Facciamo un esempio. Quando io faccio una ricerca sul tumore della mammella su Google vengo immediatamente inondato da big data sullo schermo del mio computer. Però l’unico strumento che di solito ho per la loro analisi è la loro lettura. Di fatto io delego la prima parte dell’analisi a Google. In realtà esistono strumenti messi a disposizione persino da Google stesso che danno la possibilità di processare tutti i risultati forniti. E sono strumenti che potrebbero essere insegnati persino nelle scuole, perché sono piuttosto facili da usare. Infattisono utilizati in Paesi emergenti come l’India che stanno formando la prossima generazione di analisti di big data.

I ricercatori avrebbero strumenti efficienti di analisi anche gratutiti. Non hanno la formazione per poterli utilizzare. Soprattutto in Paesi come l’Italia non hanno neanche la formazione di base su che cosa significhi analisi del dato. Mancano una formazione e una attitudine alla trattazione quantitativa dei problemi. Gli strumenti esistono, sono lì, si possono scaricare con pochi clic. Richiedono un minimo di apprendimento per poter essere utilizzati. Ma i ricercatori in Italia non sanno che esistono, tranne in  alcuni posti, e non sanno neanche formulare i problemi che andrebbero analizzati con questi strumenti. C’è un problema culturale.

Enrico Bucci big data

Enrico Bucci

Lei come è arrivato occuparsi di big data?

Io sono un biologo molecolare. Mi sono trovato a trattare quantità di dati sempre più grandi. A un certo punto ho cominciato a lavorare sull’analisid ella letteratura scientifica e quindi avevo davanti amgari trenta milioni di articoli da analizzare tutti insieme. Ho dovuto sviluppare degli algoritmi. Alcuni mi sono serviti a scprire il problema della qualità dei dati o magari della frode scientifica. Altri mi sono serviti poi a fare le analisi. La cosa curiosa è che io all’università ho avuto dei corsi per esempio di teoria dell’errore o di statistica, ma questi corsi sono tenuti come un semino in una scatola buia. Durante la vita di laboratorio raramente un ricercatore viene sollecitato a usare quelle conoscenze e la mancanza di uso le fa atrofizzare, come succede a un organo. Con la conseguenza che il ricercatore, senza neanche rendersene conto, pensa che fossero conoscenze inutili. Ci si dimentica nei progetti di ricerca di impostare i problemi in modo che possano avere una risposta quantitativa e di far capire ai giovani che cosa significhi una risposta quantitativa. Ci si limita a una sorta di storytelling e non si va a fondo nel capire che fenomeno si sta studiando.

Il fatto che questi strumenti di elaborazione dei dati siano continuamente in evoluzione rappresenta un problema in più?

Gli strumenti, come software, sono in continua evoluzione. Gli algoritmi che usano risalgono magari all’Ottocento.

Non c’è il rischio che i risultati della ricerca vengano decisi da chi padroneggia questi algoritmi?

Se ci pensiamo in molti settori è già così. I risultati della ricerca clinica sono in mano agli analisti dei clinical trials, cioè degli statistici, di chi è in grado di isolare gli effetti di un farmaco all’interno di uno studio clinico. Non nelle mani del medico che fa le sperimentazioni ma di chi ha la cultura per estrarre il dato dalle sperimentazioni.

Ed è un sistema che funziona?

Nel campo dei clinical trials funziona piuttosto bene. Cè un pericolo di corruttibilità degli analisti che in qualche caso ha portato a conseguenze gravi. Penso al caso del Vioxx, tanto per non fare nomi. In generale, quello che è auspicabile e che dovrebbe succedere è che i ricercatori tornino a capire quello che diceva Galileo, cioè che il gran libro della natura è scritto in formule matematiche e non c’è possibilità di fare scienza senza questo.

 
  

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le Scienze

Detective presso Computer Crime Research Center. Investigazioni Roma. Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni Seminario Analisi del Crimine Violento Università di Roma

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Vega C si prepara al lancio. Un video ci porta dietro le quinte della missione

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Partirà da Kourou, in Guyana francese, nella seconda metà del 2019, spinto da un motore straordinario che gli conferirà una potenza senza concorrenti tra i vettori spaziali della sua categoria. Vega-C, così si chiama, è l’ultimo arrivato tra i sistemi di lancio europei, e rappresenta un motivo di orgoglio anche per la scienza e tecnologia italiane: il cuore del suo sistema è stato infatti elaborato da un’azienda italiana con sede a Colleferro.

In questo video l’Agenzia spaziale europea ci porta dietro le quinte della missione.

 

 
  

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Il gatto di Schrödinger? Ha temperature diverse contemporaneamente

Dopo decenni, un team di fisici dell’Università di Exeter ha enunciato un nuovo principio di incertezza nel mondo dei quanti, che stavolta riguarda la relazione tra temperatura e energia di un oggetto

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Se il gatto di Schrödinger può essere vivo e morto allo stesso tempo, potrà (giustamente) avere due temperature diverse contemporaneamente? La risposta dei fisici dell’Università di Exeter è sì, nel mondo dei quanti è così. E nel loro articolo pubblicato su Nature Communications enunciano una nuova relazione di incertezza quantistica che condanna gli oggetti nanoscopici in un limbo di temperature. Un principio che, a detta degli autori, cambierà il modo in cui gli scienziati misurano la temperatura di gatti di punti quantici, piccoli semiconduttori o singole cellule.

La nuova relazione di incertezza quantistica stabilisce che “più si conosce con precisione la temperatura degli oggetti in un sistema quantistico meno si può stabilire la loro energia, e viceversa”. Chiaro? Probabilmente no. Per cercare di intuire il principio possiamo partire dal principio di indeterminazione nella relazione tra temperature e energia formulato da Heisenberg e Bohr negli anni ’30 del secolo scorso.

Uno dei metodi per misurare con precisione la temperatura di un corpo è quello di immergerlo in un serbatoio (per esempio una vasca di acqua) a temperatura nota e misurare il tempo necessario al raggiungimento dell’equilibrio termico, lo scenario in cui l’oggetto immerso raggiunge la stessa temperatura del fluido del serbatoio. Dal punto di vista microscopico, l’equilibrio termico si raggiunge perché corpo e serbatoio si scambiano continuamente pacchetti di energia infinitesimali: è questo il motivo per cui temperatura ed energia sono intrinsecamente legate. Ed è anche il motivo per cui la misura della temperatura del corpo fa oscillare la misura della sua energia, che quindi resta quantificabile solo all’interno di un certo margine d’errore.

Il ragionamento vale anche nel verso opposto: volendo definire l’energia, si può poi risalire alla sua temperatura? No, perché per misurare l’energia all’interno di un sistema non quantistico dovrei isolare l’oggetto, impedendogli di scambiare energia con qualsiasi cosa. Ma così facendo si preclude la possibilità di misurare la sua temperatura usando il metodo del serbatoio. E dunque, in questo caso, l’incertezza risiederebbe proprio nella temperatura.

I fisici di Exeter hanno portato l’incertezza su scala quantistica e grazie al paradosso del gatto di Schrödinger – l’esperimento ideale pensato dall’omonimo fisico austriaco per spiegare il principio di sovrapposizione e il collasso degli stati, due leggi fondamentali della meccanica quantistica – hanno dimostrato matematicamente che le cose si fanno ancora più strane. Gli scienziati, in particolare, hanno mostrato che il principio di sovrapposizione vale anche per la temperatura, ossia che un sistema quantistico può trovarsi in due (o più) stati di temperatura diversi nello stesso momento. A ciascuno di tali stati corrispondono altrettanti stati di energia, dal momento che – come abbiamo visto – energia e temperatura sono grandezze intrinsecamente legate; e la misurazione della temperatura (proprio come l’apertura della scatola che contiene il gatto) fa sì che il sistema collassi su uno dei tanti stati che componevano la sovrapposizione.

 
  

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Che cosa dice veramente sulla realtà la teoria quantistica?

A quasi un secolo dalla formulazione della teoria quantistica, fisici e filosofi non sanno ancora dare una risposta a questa domanda. Ma si continuano a condurre esperimenti per capire qualcosa di più sulle sue leggi spesso paradossali e sul confine tra il mondo microscopico e quello macroscopico

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Per essere una dimostrazione in grado di ribaltare le grandi idee di Isaac Newton sulla natura della luce, era incredibilmente semplice. “Può essere ripetuto con grande facilità, ovunque splenda il Sole”, disse il fisico inglese Thomas Young ai membri della Royal Society di Londra nel novembre del 1803, descrivendo l’esperimento oggi noto come esperimento della doppia fenditura.
Young non era melodrammatico. Aveva ideato un esperimento elegante e relativamente semplice per mostrare la natura ondulatoria della luce, e così facendo aveva confutato la teoria di Newton che la luce fosse fatta di corpuscoli, o particelle.

Ma la nascita della fisica quantistica nei primi anni del 1900 chiarì che la luce è composta da unità minuscole, indivisibili, o quanti, di energia, che noi chiamiamo fotoni.

L’esperimento di Young, quando viene effettuato con singoli fotoni o anche singole particelle di materia, come elettroni e neutroni, è un enigma su cui riflettere, poiché solleva domande fondamentali sulla natura stessa della realtà. Alcuni l’hanno perfino usato per sostenere che il mondo quantistico è influenzato dalla coscienza umana, dando alle nostre menti un ruolo e una collocazione nell’ontologia dell’universo. Ma quel semplice esperimento fa davvero una cosa del genere?

Nella moderna forma quantistica, l’esperimento di Young consiste nell’inviare singole particelle di luce o materia verso due fessure o aperture praticate in una barriera per il resto opaca. Dall’altro lato della barriera c’è uno schermo che registra l’arrivo delle particelle (per esempio, una lastra fotografica nel caso dei fotoni).

Il buon senso porta ad aspettarci che i fotoni passino attraverso una o l’altra delle fenditure, accumulandosi dietro ciascuna di esse.

Invece non lo fanno.

Al contrario, vanno verso alcune parti dello schermo e ne evitano altre, creando bande alternate di luce e di buio. Queste cosiddette frange di interferenza sono del tipo che si ottiene quando due insiemi di onde si sovrappongono. Quando le creste di un’onda si allineano con le creste di un’altra, si ottiene un’interferenza costruttiva (bande luminose), e quando si allineano con gli avvallamenti si ottiene un’interferenza distruttiva (buio).

Ma c’è solo un fotone che attraversa l’apparecchiatura in ogni dato momento. È come se il fotone stesse attraversando entrambe le fessure contemporaneamente, interferendo con se stesso. E questo non ha senso nella fisica classica.

Dal punto di vista matematico, tuttavia, ciò che attraversa entrambe le fessure non è una particella fisica o un’onda fisica, ma una cosa chiamata funzione d’onda, una funzione matematica astratta che rappresenta lo stato del fotone (in questo caso la sua posizione).

La funzione d’onda si comporta come un’onda che investe le due fenditure; nuove onde generate da ogni fenditura sul lato opposto si propagano e alla fine interferiscono l’una con l’altra. La funzione d’onda combinata può essere usata per calcolare le probabilità di dove potrebbe trovarsi il fotone.

Il fotone ha un’alta probabilità di trovarsi dove le due funzioni d’onda interferiscono costruttivamente e una bassa probabilità di trovarsi in regioni d’interferenza distruttiva. Si dice che la misurazione – questo caso l’interazione della funzione d’onda con la lastra fotografica – fa “collassare” la funzione d’onda, che passa dall’essere diffusa prima della misurazione all’essere concentrata in uno dei punti in cui il fotone si materializza dopo la misurazione.

Questo apparente collasso indotto dalla misurazione della funzione d’onda è la fonte di molte difficoltà concettuali nella meccanica quantistica. Prima del collasso, non c’è modo di dire con certezza dove inciderà il fotone: potrà apparire in uno qualsiasi dei punti di probabilità diversa da zero. Non c’è modo di seguire la traiettoria del fotone dalla sorgente al rivelatore. Il fotone non è reale nel senso in cui è reale un aereo che vola da San Francisco a New York.

Werner Heisenberg, tra gli altri, interpretò questa matematica sostenendo che la realtà non esiste fino a che non viene osservata. “L’idea di un mondo reale oggettivo le cui parti più piccole esistono oggettivamente nello stesso senso in cui esistono le pietre o gli alberi, indipendentemente dal fatto che le osserviamo o meno … è impossibile”, ha scritto.

Anche John Wheeler ha usato una variante dell’esperimento della doppia fenditura per sostenere che “nessun fenomeno quantistico elementare è un fenomeno fino a quando non si tratta di un fenomeno registrato (“osservato”, “registrato in modo indelebile”)”

Illustrazione dell'esperimento di Young

Illustrazione dell’esperimento di Young della doppia fenditura (Credit: Alexandre Gondran Wikimedia (CC BY-SA 4.0)

Ma la teoria quantistica non è del tutto chiara su che cosa costituisca una “misurazione”. Postula che il dispositivo di misurazione debba essere classico, senza definire dove sia il confine tra classico e quantistico, lasciando così la porta aperta a chi pensa che per il collasso debba essere invocata la coscienza umana.

Lo scorso maggio, Henry Stapp e colleghi hanno sostenuto  che l’esperimento della doppia fenditura e le sue varianti moderne forniscono la prova che “un osservatore consapevole potrebbe essere indispensabile” per dare un senso al regno quantistico e che una mente transpersonale è alla base del mondo materiale.

Ma quegli esperimenti non costituiscono una prova empirica di tali affermazioni. Nell’esperimento della doppia fenditura con singoli fotoni, tutto ciò che si può fare è verificare le previsioni probabilistiche della matematica. Se le probabilità sono confermate nel corso dell’invio di decine di migliaia di fotoni identici attraverso la doppia fenditura, la teoria afferma che la funzione d’onda di ciascun fotone è collassata, grazie a un processo mal definito chiamato misurazione. È tutto.

Ci sono anche altri modi d’interpretare l’esperimento della doppia fenditura.

Per esempio, la teoria di de Broglie-Bohm afferma che la realtà è sia ondulatoria sia particellare. Un fotone si dirige verso la doppia fenditura con una posizione definita in ogni momento e attraversa una fenditura o l’altra; quindi ogni fotone ha una traiettoria. Il fotone sta “cavalcando” un’onda pilota, che attraversa entrambe le fenditure e produce l’interferenza: viene quindi guidato in una posizione d’interferenza costruttiva.

Nel 1979, Chris Dewdney e colleghi del Birkbeck College di Londra simularono la previsione della teoria per le traiettorie di particelle che attraversavano la doppia fenditura.

Nell’ultimo decennio, i fisici sperimentali hanno verificato che tali traiettorie esistono, anche se hanno utilizzato una tecnica controversa chiamata misurazione debole. Nonostante le controversie, gli esperimenti mostrano che la teoria di de Broglie-Bohm è ancora in corsa come spiegazione del comportamento del mondo quantistico. Cruciale il fatto che la teoria non ha bisogno di osservatori né di misurazioni né di una coscienza non-materiale.

E nemmeno ne hanno bisogno le cosiddette teorie del collasso, che sostengono che le funzioni d’onda collassano in modo casuale: quanto più è elevato il numero di particelle nel sistema quantistico, tanto più è probabile il collasso. Gli osservatori si limitano a scoprire il risultato.

Il gruppo di Markus Arndt dell’Università di Vienna, in Austria, ha testato queste teorie inviando molecole sempre più grandi attraverso la doppia fenditura.

Le teorie del collasso prevedono che, quando hanno masse che superano una certa soglia, le particelle di materia non possano rimanere in una sovrapposizione quantistica e così attraversare entrambe le fenditure contemporaneamente: ciò distruggerà la figura d’interferenza. Il gruppo di Arndt ha inviato una molecola con oltre 800 atomi attraverso la doppia fenditura e ha continuato a vedere interferenze. La ricerca della soglia continua.

Werner Heisenberg (!901-1976) in un ritratto d’epoca (Wikimedia Commons)

Roger Penrose ha una sua versione di una teoria del collasso, nella quale quanto più è massiccio l’oggetto in sovrapposizione, tanto più velocemente collasserà in uno stato o nell’altro, a causa delle instabilità gravitazionali. Ancora una volta, si tratta di una teoria indipendente dall’osservatore. Non è necessaria alcuna consapevolezza. Dirk Bouwmeester dell’Università della California a Santa Barbara, sta testando l’idea di Penrose con una versione dell’esperimento a doppia fenditura.

Concettualmente, l’idea è non solo di mettere un fotone in una sovrapposizione di stati in modo che passi attraverso due fenditure contemporaneamente, ma anche di porre una delle fenditure in una sovrapposizione di due posizioni contemporanee.

Secondo Penrose, la fessura dislocata rimarrà in sovrapposizione o collasserà mentre il fotone è in volo, portando a diversi tipi di schemi di interferenza. Il collasso dipenderà dalla massa delle fenditure. Bouwmeester ha lavorato a questo esperimento per un decennio e potrebbe presto essere in grado di verificare o confutare le affermazioni di Penrose.

Se non altro, questi esperimenti stanno dimostrando che non possiamo ancora fare affermazioni sulla natura della realtà, anche se sono ben motivate matematicamente o filosoficamente. E dato che neuroscienziati e filosofi della mente non sono d’accordo sulla natura della coscienza, affermare che essa fa collassare le funzioni d’onda è prematuro, nella migliore delle ipotesi, e fuorviante e scorretto nel peggiore dei casi.

Crediti :

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