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Fisica

Tlick, l’unità di tempo appena inventata da Facebook

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Si chiama flick, parola coniata mettendo insieme frame (nel senso di fotogramma) e tick (ticchettio). Ed è una nuova unità di misura per il tempo appena inventata dagli scienziati di Facebook (in particolare dal team che si occupa dello sviluppo dei visori Oculus), balzata agli onori della cronaca perché equivalente “al tempo medio trascorso dagli utenti a visualizzare un singolo post”, ovvero riconducibile in qualche modo all’unità di tempo che misura l’attenzione degli utenti stessi. Spiacenti di spoetizzare la questione, ma la vera motivazione che ha spinto i tecnici di Menlo Park a introdurre il flick è di natura molto più tecnica: la nuova unità di misura, infatti, definita come la settecentocinquemilionesimaseicentomillesima parte di un secondo (1/705.600.000 secondi, o 1,4172×10-9 secondi, se preferite), è un escamotage che renderà molto più semplice ed efficiente lo sviluppo di nuovi prodotti audio e video, snellendo i processi di produzione e codifica ed evitando possibili errori di programmazione.

Le unità di misura
Come misuriamo il tempo? Nel Sistema metrico internazionale (il più diffuso sistema di unità di misura, adottato dalla maggior parte dei paesi del mondo) ha come unità di misura fondamentale per il tempo il secondo, definito come “la durata di 9.192.631.770 periodi della radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini […] dello stato fondamentale dell’atomo di cesio, con i suoi sottomultipli (millisecondo, picosecondo, nanosecondo etc.

Le unità di misura derivate, come il minuto, l’ora e il giorno, sebbene siano di comune utilizzo, non fanno invece parte del Sistema internazionale. Altre unità di misura, in ordine rigorosamente sparso, sono il tempo di Planck (definito come il tempo impiegato dalla luce per percorrere una lunghezza di Planck: si tratta del più piccolo intervallo di tempo concepibile), la Time Unit (pari a 1024 microsecondi), l’anno galattico(basato sul tempo di rotazione delle galassie), lo Svedberg (pari a 100 femtosecondi). E, da pochi giorni, il flick.

Dalle stelle al flick
Come dicevamo all’inizio, un flick è pari a un settecentomilionesimo di secondo circa. Perché è stato introdotto? Si tratta, come spiegano i suoi inventori su GitHub, della “più piccola unità di tempo più grande del nanosecondo, che può rappresentare esattamente con numeri interi la durata di un singolo fotogramma alle frequenze di 24, 25, 30, 38, 50, 60, 90, 100 e 120 Hertz”. È importante perché si tratta delle frequenze di campionamento più comunemente utilizzate per la riproduzione di video audio.

film, per esempio, sono riprodotti in genere a 24 fotogrammi al secondo, e un 24esimo di secondo è uguale a un numero intero di flick (29.400.000, per la precisione): lo stesso accade con le altre frequenze. L’adozione di questa unità di misura porterà quindi a una notevole semplificazione nelle operazioni legate alla codifica, alla produzione e all’esportazione di audio e video, perché la base temporale su cui lavorare sarà omogenea e, lavorando solo con numeri interi, non sarà più necessario tagliare i valori a un certo numero di cifre dopo la virgola, riducendo così il rischio di errore legato all’approssimazione.

Cosa è il tempo…
Per comprendere bene la questione è necessario però un breve excursus storico-scientifico su cosa si intende per tempo e su come lo misuriamo. Per quanto il concetto di tempo sia intuitivamente inteso da ognuno di noi, dargli una definizione precisa e univoca è tutt’altro che semplice e ha impegnato per secoli filosofi, matematici e fisici. Un punto colto molto bene, per esempio, da sant’Agostino“Io so cosa è il tempo”, scriveva nell’undicesimo libro delle sue Confessioni“Ma quando mi chiedono di definirlo non so farlo”. L’American Heritage Dictionary of English Language definisce il tempo, un po’ tautologicamente, come “il continuum nonspaziale in cui gli eventi avvengono in successione apparentemente irreversibile dal passato al presente al futuro”, facendo esplicito riferimento dunque ai concetti di passatopresente e futuro, che però incorporano in sé il concetto di tempo. I fisici sono arrivati a un compromesso, enunciando una cosiddetta definizione operativa del tempo, intesa come grandezza identificata dalla sua misura. Più concretamente, dal punto di vista fisico il tempo è una quantità fondamentale (al pari, per esempio, di lunghezzamassacarica elettrica) ed è definito da quello che si legge sugli strumenti che si usano per misurarlo – gli orologi. È proprio in virtù di questa definizione operativa che i metodi di misurazione e le unità di misura del tempo sono sempre stati un aspetto dirimente e fondamentale della questione.

…e come lo si misura
La storia della misura del tempo inizia già 30mila anni fa, quando le prime comunità umane notano per la prima volta delle regolarità negli eventi naturali. Anzitutto quelli astronomici, come il movimento di Sole stelle nel cielo e le fasi lunari; poi quelli legati al clima e alla lunghezza del giorno e della notte – venti e piogge, esondazioni dei fiumi, fioritura degli alberi, migrazioni animali. Da queste prime osservazioni emerge, quasi naturalmente, l’idea di una suddivisione dell’anno in quattro stagioni: in questo senso, la stagionalità può essere considerata la prima e più basilare suddivisione del tempo in unità di misura. Altri marker temporali utilizzati in epoche passate sono stati, per esempio, la prima apparizione in cielo della stella Sirio – che in Egitto coincideva con l’esondazione del Nilo –, la posizione all’orizzonte del Sole all’alba, la lunghezza dell’ombra di uno gnomone.

Successivamente, con l’aumentare della complessità delle società umane, la misurazione del tempo diventa una necessità sempre più sentita, specie per esigenze agricole, commerciali e militari: si iniziano così a mettere a punto delle tavole astronomiche e a costruire i primi rudimentali strumenti di misura, come clessidre a sabbiameridiane orologi ad acqua. I punti di svolta arrivano con i lavori di Galileo Galilei, che per primo osserva le oscillazioni costanti del pendolo e le usa per misurare lo scorrere del tempo, di Christiaan Huygens, che perfeziona il pendolo stesso, e di Isaac Newton, che prosegue lo studio quantitativo del tempo e delle leggi che lo legano, per esempio, alla forza e all’accelerazione dei corpi.

In epoca più recente, il contributo più significativo è stato quello di Albert Einstein, che con la sua teoria della relatività (prima ristretta e poi generale) ha completamente ridefinito il concetto di tempo, declassandolo a grandezza relativa e postulando per la prima volta l’idea dell’esistenza di uno spazio-tempo a quattro dimensioni che costituisce il tessuto del nostro Universo. La discussione sulla natura del tempo e su come misurarlo, naturalmente, non si è mai esaurita, e continua a tenere banco tra la comunità dei fisici teorici: “Il funzionamento del tempo”, ha raccontatorecentemente a Wired.com Sean Carroll, fisico del Caltech che da tempo studia l’evoluzione dell’Universo, “è una questione complessa e dalle molteplici sfaccettature. La maggior parte delle quali sono riconducibili alla teoria di Einstein e a come misuriamo il tempo nel nostro sistema di riferimento. L’aspetto più interessante, a mio avviso, riguarda la freccia del tempo, cioè, in altri termini, il fatto che il passato sia diverso dal futuro. Ci sono processi apparentemente irreversibili, che indicano che la freccia del tempo scorre solo in una direzione. Sappiamo che questo fenomeno è legato alla seconda legge della termodinamica: l’entropia – cioè la misura del disordine di un sistema fisico – non può che crescere. Ma perché è così? E perché lo stato iniziale del nostro Universo, prima del Big Bang, era uno stato estremamente ordinato, con entropia minima?”. Come a dire: per comprendere esattamente il senso del tempo e della sua misurazione, è indispensabile risalire ai principi primi, e capire cosa è accaduto negli istanti di vita iniziali dell’Universo.



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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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Fisica

Come estrarre ossigeno dalla polvere lunare

L’Agenzia spaziale europea è riuscita nell’impresa: ha creato un prototipo di impianto di estrazione dell’ossigeno dalle polveri lunari. Un passo importante per futuri viaggi spaziali e per aumentare la durata della permanenza umana sul satellite

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Rappresentazione artistica di una possibile base di attività sulla Luna (foto: Esa)

Ormai è certo: nel 2024 torneremo sulla Luna ed ora è aperta la caccia ai turisti dello spazio che accompagneranno il primo privato cittadino che andrà sulla Luna, il milionario giapponese Yusaku Maezawa. Ma i motivi per studiare la luna e la sua composizione sono tanti e non riguardano solo i viaggi spaziali. L’Agenzia spaziale europea (Esa) ha già pianificato una missione che avrà l’obiettivo di studiare la possibilità di riuscire a estrarre alcuni elementi, come ossigeno e acqua, naturalmente presente nel suolo, o meglio nella regolite, una sorta di polvere che ricopre la Luna. Oggi, l’Esa informa che ha messo a punto un prototipo per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. Ecco perché è un risultato importante.

Polveri lunari per ottenere ossigeno

La regolite è un materiale granuloso presenti sul suolo lunare – e non solo, si trova anche sulla Terra, su Marte, su altri pianeti, asteroidi e lune. Questo materiale è composto da polveri, detriti, frammenti di rocce e gas, e si è formata in seguito all’impatto di meteoroidi piccoli e spessi, al bombardamento costante di frammenti di materiale celeste. I campioni lunari riportati a terra dalle missioni hanno mostrato che questa polvere è abbondante e per questo sceglierla come candidato per produrre ossigeno potrebbe essere una scelta valida.

Poter ottenere ossigeno dalle polveri lunari potrebbe favorire i futuri viaggi e la nostra permanenza sulla Luna, un tema sempre più attuale. Per questo gli scienziati si sono già messi all’opera e un gruppo guidato dall’università di Glasgow ha recentemente spiegato come procedere.

Un nuovo impianto

Oggi l’Esa annuncia di aver messo a punto un impianto per estrarre l’ossigeno dalle polveri lunari. “Avere la nostra strumentazione ci permette di concentrarci sulla produzione di ossigeno”, commenta Beth Lomax dell’università di Glasgow, “misurandolo con uno spettrometro di massa non appena estratto dal ‘simulante’ di regolite”. Il simulante di regolite è un materiale terrestre che serve per creare un composto quanto più possibile somigliante alla regolite e che è utile per gli esperimenti e per studiare le possibili condizioni di permanenza sulla luna.

L’estrazione dell’ossigeno dalla polvere di Luna

Inizialmente l’ossigeno generato nel processo veniva rilasciato come biossido di carbonio e monossido di carbonio. “Questo significa che i reattori non sono progettati per resistere all’ossigeno stesso”, spiega Lomax, che racconta che gli scienziati hanno riprogettato una nuova versione per avere ossigeno libero da misurare. Il nuovo impianto è anche silenzioso e l’ossigeno viene scaricato in un tubo apposito. Verrà poi accumulato non appena i ricercatori realizzeranno il prossimo aggiornamento delle apparecchiature.

Per ottenere l’ossigeno i ricercatori si sono serviti dell’elettrolisi per separare l’idrogeno e l’ossigeno che compongono una molecola d’acqua. Il tutto avviene attraverso la presenza di cloruro di calcio, che funge da elettrolita, riscaldato a 950 °C. La separazione è avvenuta e l’ossigeno è stato estratto.

“Il processo di produzione lascia dietro di sé un groviglio di metalli diversi”, aggiunge Alexandre Meurisse, ricercatore dell’Esa, “e questa è un’altra linea di ricerca importante per vedere quali sono le leghe più utili che potrebbero essere prodotte a partire dal materiale e quali applicazioni potrebbero avere”. La precisa combinazione di metalli, specifica l’esperto, potrebbe dipendere dal punto in cui vengono raccolte le polveri lunari, dato che ci potrebbero essere importanti differenze.

Verso la Luna e Marte

L’obiettivo finale, concludono i ricercatori, potrebbe essere realizzare un impianto simile direttamente sulla Luna, così da avere direttamente ossigeno disponibile. “Stiamo spostando il nostro approccio ingegneristico verso la possibilità di un uso sistematico delle risorse lunari in situ”, conclude Tommaso Ghidini dell’Esa, “per fornire un metodo operativo ideale e tecnologie essenziali come questa, affinché sia possibile la presenza umana sulla Luna e un giorno forse anche su Marte.



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Fisica

Arriva il primo “robot vivente”, creato con cellule staminali

Deriva da cellule staminali di rana, il nuovo robot vivente non è né una macchine tradizionale né una nuova specie animale. Ecco cos’è e perché potrebbe essere molto utile in medicina e per combattere l’inquinamento

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In futuro i robot saranno sempre più spesso ispirati alle nostre caratteristiche biologiche. Ma oggi il mondo delle tecnologie ci stupisce con una proposta finora inedita: un gruppo di ricerca ha creato un nuovo prototipo che non solo prende ispirazione dalla biologia ma che  è interamente costituito da materiale biologico. I creatori, dell’università del Vermont e di Tuft, parlano per questo di robot vivente, primo nel suo genere, una macchina minuscola, per niente somigliante all’idea che abbiamo di robot – quella dell’automa. Le applicazioni potrebbero riguardare diversi campi, dalla ricerca delle contaminazioni radioattive ad usi clinici. I risultati sono pubblicati su Proceedings of the National Academy of Sciences.

Negli anni scorsi ci sono stati dei tentativi anche di successo di creare organismi viventi semi-sintetici. In questo caso parliamo di un oggetto molto diversi, come spiegano gli scienziati, che hanno progettato e realizzato la “prima macchina biologica interamente messa su a partire dal nulla”, o meglio da cellule. I ricercatori la hanno chiamata xenobot perché deriva dall’elaborazione di cellule staminali della rana africana Xenopus laevi, spesso utilizzata come modello animale nella ricerca in biologia. “Il dna dell’organismo realizzato è al 100% quello della rana”, specifica Michael Levin, uno dei due coordinatori dello studio, ricercatore all’università di Tuft, “ma non è una rana”“Non sono né robot tradizionali né nuove specie animali”, sottolineano i ricercatori, che chiariscono che si tratta di nuova classe di artefatti, oggetti artificiali che sono organismi viventi e programmabili.

Gli scienziati hanno progettato i nuovi robot con i supercomputer dell’università del Vermont e poi li hanno assemblati e testati all’università Tuft. Prima hanno prelevato le cellule staminali dagli embrioni di rana, separate in singole cellule e fatte crescere in laboratorio, in una sorta di incubatrice per farle moltiplicare e differenziare in tessuti diversi. Successivamente le hanno tagliate e aggiuntate attraverso l’uso di un microscopio per ottenere il design desiderato, selezionato col computer. In questo modo, si sono formate delle cellule dalla forma inedita in natura che hanno cominciato a funzionare e lavorare insieme. Qui il video.

La loro forma è quasi sferica. La pelle ha un’architettura abbastanza statica, mentre il muscolo cardiaco è più attivo: le sue contrazioni sono tali da generare movimenti ordinati, che seguono quanto scelto in base alla progettazione del computer. In pratica si tratta di materia vivente assemblata e programmata per lavorare in un determinato modo, selezionato dagli autori.

I risultati mostrano che questi organismi si muovono in modo coerente e che possono spostarsi e sondare l’ambiente acquoso in cui si trovano per giorni o settimane. Tuttavia, anche loro falliscono: se si ribaltano somigliano a coleotteri capovolti che non sono più in grado di muoversi. Inoltre, gli autori hanno osservato che si spostano creando un cerchio e alcuni sono stati progettati per creare una struttura con un buco al centro. “È un passo avanti verso l’uso di organismi creati dal computer per l’invio intelligente di farmaci”, ha spiegato Joshua Bongard dell’università del Vermont, che sottolinea che sono completamente biodegradabili e una volta aver assolto al loro compito, dopo una settimana, sono solo cellule di pelle morta.

Ma molti sono preoccupati dei possibili sviluppi. “Questa paura non è irragionevole”, aggiunge Levin. E “questo studio fornisce un contributo diretto per comprendere meglio ciò di cui le persone hanno paura, ovvero le conseguenze indesiderate”. Se inizieremo a manipolare sistemi complessi che non conosciamo, spiega l’esperto, potremmo avere esiti inattesi e non desiderati. Per questo capire in che modo la complessità emerge da sistemi semplici sarà una sfida fondamentale del futuro.



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Un acceleratore di particelle in miniatura

Dimostrata la possibilità di accelerare fasci di elettroni in un canale di dimensioni nanoscopiche ricavato in un chip al silicio. Questo prototipo potrebbe servire da base per lo sviluppo di nuove apparecchiature per la radioterapia dei tumori

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Immagine al microscopio della sezione del chip al silicio attraversato dagli elettroni (©Neil Sapra)

Agli albori del calcolo automatico i computer occupavano un’intera stanza. Ora una loro versione semplificata e miniaturizzata può stare addirittura nel palmo di una mano. Gli acceleratori di particelle, che attualmente occupano tunnel lunghi chilometri, potrebbero in futuro seguire la stessa linea di sviluppo, secondo uno studio pubblicato su “Science” da Jelena Vuckovic, della Stanford University, e colleghi. Nell’ambito del progetto Accelerator on a Chip International Program (ACHIP), questi ricercatori hanno realizzato un acceleratore di particelle in miniatura che potrebbe aprire la strada a diverse applicazioni, tra cui nuovi metodi per trattare i tumori con la radioterapia.

L’idea è nata considerando il principio di funzionamento di un acceleratore convenzionale: in questa macchina i fasci di particelle corrono in tubi a vuoto per alcuni chilometri, con impulsi di microonde che li accelerano sempre di più, fino a raggiungere velocità prossime a quella della luce.

Le microonde hanno una lunghezza d’onda dell’ordine di dieci centimetri. Usando impulsi di radiazione diversa, per esempio nello spettro infrarosso, con lunghezze d’onda molto più piccole delle microonde, si può in linea di principio accelerare le particelle su distanze assai più piccole. Il problema è che anche che le dimensioni fisiche del supporto devono essere delle stesse dimensioni, ponendo una sfida d’ingegnerizzazione non indifferente.

Vuckovic e colleghi hanno ricavato una cavità di dimensioni nanoscopiche all’interno di un chip al silicio, sigillandolo poi in una camera a vuoto. Successivamente hanno sparato un fascio di elettroni in questa cavità, accelerandoli con impulsi di luce infrarossa, a cui il silicio è trasparente.

Il dispositivo è ancora allo stato di prototipo. Gli autori però sostengono che le tecniche di progettazione e fabbricazione sono applicabili anche per altre dimensioni, e possono fornire fasci di particelle adatti a esperimenti in chimica, biologia e scienza dei materiali, dove non è richiesta la potenza di un enorme acceleratore.

“Gli acceleratori più grandi in assoluto sono come potenti telescopi. Ce ne sono solo pochi al mondo”, ha spiegato Vuckovic. “Vogliamo miniaturizzare la tecnologia dell’acceleratore in modo da renderla uno strumento di ricerca più accessibile.”

Ma l’applicazione più probabile è nel campo delle apparecchiature medicali, soprattutto in campo oncologico. Attualmente, le apparecchiature mediche per produrre raggi X occupano una stanza e forniscono una radiazione difficile da concentrare sui tumori, richiedendo ai pazienti di indossare elementi di piombo per ridurre al minimo i danni collaterali.

“In questo articolo iniziamo a mostrare come si potrebbe inviare il fascio di elettroni direttamente su un tumore, lasciando inalterato il tessuto sano”, ha sottolineato Robert Byer, della Stanford University, che guida il progetto ACHIP.



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