LA MATEMATICA È UMANISTICA O SCIENTIFICA?

Il tema portante dell'ormai imminente Carnevale della Matematica n. 187, che sarà tenuto da Dioniso Dionisi (ovvero Flavio Ubaldini), è davvero interessante.

Trattasi infatti di una domanda: la matematica è umanistica o scientifica?

Provo dunque qui a delineare brevemente il mio punto di vista sulla questione.

Partiamo da un fatto certo; senza dubbio la matematica è legata in modo indissolubile alla scienza.

Gran parte della conoscenza scientifica è espressa e si è potuta sviluppare soltanto grazie all'ausilio del linguaggio matematico.

Galileo Galilei (1564-1642), il padre del metodo scientifico moderno, asseriva infatti ne Il Saggiatore:

«La filosofia naturale è scritta in questo grandissimo libro che continuamente ci sta aperto innanzi agli occhi, io dico l’universo, ma non si può intendere se prima non s’impara a intender la lingua e conoscer i caratteri nei quali è scritto. Egli è scritto in lingua matematica, e i caratteri son triangoli, cerchi ed altre figure geometriche, senza i quali mezzi è impossibile a intenderne umanamente parola; senza questi è un aggirarsi vanamente per un oscuro labirinto».

Senza poi lo strumento matematico del calcolo infinitesimale, portato in auge, nel XVII secolo, da Newton e Leibniz (ricordiamo che alcune premesse ad esso si ritrovano già ai tempi di Archimede), difficilmente si sarebbero potute avere le immense conquiste della fisica che ci hanno portato a conoscere la meccanica, la termodinamica, l'elettromagnetismo, la relatività ristretta e poi quella generale, la meccanica quantistica e la teoria quantistica dei campi, sino ai più recenti tentativi di trovare una teoria del tutto.

In un'edizione del Carnevale della Matematica, tenuta proprio qui sul blog Scienza e Musica (cliccate qui per vederla), abbiamo anche potuto constatare come la matematica sia molto vicina pure alla spiegazione della vita e alla medicina. 

Spostandoci sul piano della comunicazione della scienza, è anche vero che si può riuscire a svolgere buona divulgazione scientifica nei confronti del grande pubblico senza matematica (esistono per esempio svariati libri che raccontano concetti scientifici senza far uso di alcuna formula matematica), ma sono anche convinto che escluderla completamente laddove non richieda un tecnicismo di alto livello sia solo un ulteriore modo per alimentare la diffusa fobia della matematica e catalogarla immediatamente come "difficile", "per pochi eletti", quando in realtà non è così.

Spesso e volentieri infatti il linguaggio matematico ci permette di semplificare concetti che sarebbero complicati da esprimere a parole. 

Pensate alle profonde analisi che vengono compiute nei confronti delle poesie ermetiche (di autori come Salvatore Quasimodo e Giuseppe Ungaretti), spesso caratterizzate da un linguaggio conciso, puramente essenziale, ma pregno di significato.

Ecco, non di rado le formule matematiche fanno lo stesso.

Se per esempio scrivessi

$(i\!\!\not\! \partial - m) \psi(\mathbf{x},t) = 0$, 

al lettore non esperto questa formula avrebbe lo stesso impatto del leggere un testo in arabo o cinese, tuttavia dietro questo articolato formalismo matematico (ossia l'equazione di Dirac; per maggiori dettagli cliccate qui) si riesce ad esprimere velocemente un concetto profondissimo: l'esistenza dell'antimateria.

Senza la matematica ciò non sarebbe possibile. 

Anzi, andrebbe sottolineato che la conquista di un formalismo algebrico moderno, che evita l'uso di parole, e rende la matematica molto sintetica e comoda da usare (come siamo abituati oggi), ha richiesto secoli e secoli nel corso della storia.

Si dovette infatti aspettare l'opera Isagoge del matematico francese François Viète (1540-1603) per giungere ad una vera e propria algebra simbolica, che poi culminerà nella celebre La Géométrie (1637) di Cartesio.

Prima di allora, infatti, l'algebra si conduceva soltanto in modo retorico e geometrico, al massimo arrivando ad alternare una descrizione parlata con delle abbreviazioni.

Pensate per esempio che il procedimento risolutivo generale dell'equazione di terzo grado venne raccontato a Gerolamo Cardano (1501-1576) da Tartaglia (1499 circa-1557) sotto forma di poesia!

Immaginate dunque quanto fosse molto più difficile svolgere della matematica, anche quella oggi considerata elementare, per gli antichi, senza una notazione univoca, sintetica, maneggevole, che oggi spaventa gli studenti, ma che in realtà è una vera fortuna poter avere.

C'è anche un ulteriore aspetto che rende di fondamentale importanza la conquista di un formalismo matematico.

Il linguaggio matematico è infatti l'unico, assieme a quello musicale (che poi la musica è anche matematica!), ad essere diventato universale, che non fa pertanto discriminazione tra popoli, lingue, religioni, generi e tutte le diversità che troviamo nella società umana, a parte qualche rara eccezione di popolazioni indigene con un loro formalismo specifico.

È una forma culturale così potente che unisce sostanzialmente tutti. Non considerando poi che senza lo sviluppo matematico e scientifico ora non potreste leggere questo post comodamente sui vostri pc, tablet o smartphone.

Tirando le fila del discorso, insomma la matematica è sicuramente scientifica, potentissima ed universale!

ATTENZIONE: La conclusione appena fornita non esclude però necessariamente l'altra parte del nostro quesito iniziale. Sì, la matematica è, seppur molti non ci crederanno e forse storceranno il naso, anche umanistica!

Sussiste questa tendenza assai pericolosa di separare in maniera brusca la cultura scientifica e quella umanistica.

Nel corso degli anni in questo blog abbiamo tuttavia avuto modo di vedere (cliccate qui per un bell'esempio) come la matematica e la scienza facciano capolino nei più disparati ambiti del sapere e dell'arte (musica compresa ovviamente), sino ad arrivare addirittura al mondo dei manga e degli anime.

E, se ancora non ci credete a questa rapporto della matematica col mondo umanistico, nel 2011 Bruno D'Amore, grandissimo esperto di didattica della matematica, ha pubblicato un testo intitolato Dante e la matematica! 

Ed ancora, il De rerum natura, poema didascalico latino di Lucrezio, è stato analizzato, nel 2013, dal matematico Piergiorgio Odifreddi in Come stanno le cose. Il mio Lucrezio, la mia Venere, portando alla luce il fatto che molti concetti scientifici moderni siano stati anticipati nell'opera dell'autore latino del I secolo a.C.

Ed ancora, nel libro Vortici e vertigini, del 2019, Marco Fulvio Barozzi (sul web noto come Popinga), ha descritto la poesia scientifica dell'Inghilterra del XIX secolo.

Inoltre sono stati realizzati romanzi ispirati in modo significativo alla matematica. 

Citiamo a titolo di esempio il romanzo del 1998 di Denis Guedj Il teorema del pappagallo, un giallo a sfondo filosofico-scientifico che coinvolge grandi teoremi e personaggi della matematica da Pitagora sino all'ultimo teorema di Fermat. 

La lista di connessioni tra matematica e cultura umanistica potrebbe andare avanti a lungo. La matematica potrebbe celarsi pure lì dove non pensereste mai che sia presente. Anzi, è spesso interessante, divertente e didatticamente utile andare a scovare nuove connessioni.

TL;DR: La matematica è sicuramente scientifica ma è anche, che piaccia o no, umanistica!

Concludiamo segnalando un divertentissimo video che riguarda, tra le altre cose, una poesia d'amore per i numeri primi solitari.

GIFTED - IL DONO DEL TALENTO

Dopo Il teorema di Margherita (cliccate qui per la recensione), proseguiamo sul filone delle recensioni dei film con protagonista la matematica.

Oggi infatti parliamo di Gifted - Il dono del talento, un film del 2017 diretto da Marc Webb, con l'ormai ex Captain America, ovvero Chris Evans.

Di film sui bambini prodigio ne sono stati realizzati tanti, ma questo è sicuramente sopra la media per le tematiche trattate e le emozioni in grado di suscitare.

Portando al minimo gli spoiler, la trama è infatti incentrata attorno al talento e alla particolare condizione familiare di una bambina di 7 anni, Mary Adler, interpretata da Mckenna Grace, che si ritrova a passare i primi anni della propria esistenza con lo zio Frank (il già citato Chris Evans) a seguito del suicidio da parte di sua madre, ovvero la sorella di Frank. 

Il talento matematico di Mary è motivo di forte preoccupazione per lo zio, che vorrebbe farle vivere una vita il più possibile simile a quella tipica dei bambini della sua età nel tentativo di non portarla nelle stesse condizioni soffocanti a cui è stata sottoposta la sorella fino al momento del gesto estremo.

La madre della bambina infatti era una matematica di straordinario talento, concentrata nel tentativo per niente banale di trovare una risoluzione ad uno dei famosi 7 problemi del millennio!

Sappiamo bene (e ciò viene evidenziato pure nel film) che si tratta di una lista di problemi matematici di grande importanza ancora irrisolti, tranne uno, la congettura di Poincaré, dimostrata da Perel'man nel 2002.

A chi fosse in grado di risolverne uno viene assegnato un premio in denaro di 1 milione di dollari (che Perel'man rifiutò), ma ovviamente ciò che davvero si va a conquistare è la fama immortale all'interno della storia della matematica.

Nel film il talento di Mary non si limita alla solita classica bravura nel compiere per esempio moltiplicazioni, divisioni o estrazioni di radici quadrate di grandi cifre a mente, ma c'è proprio, sulle orme della madre, una comprensione profonda di quella che è la vera matematica a livelli avanzati, quella fatta di teoremi e dimostrazioni, che abbiamo potuto osservare anche ne Il teorema di Margherita.

E tutto gira nello specifico intorno ad uno dei problemi del millennio particolarmente legato anche alla fisica: l'esistenza e regolarità delle soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes.

Trattasi di equazioni alle derivate parziali fondamentali nell'ambito della meccanica dei fluidi, di cui però abbiamo una comprensione teorica assolutamente incompleta riguardo alle soluzioni.

Per esempio i matematici non sono mai riusciti sinora a dimostrare che, date delle condizioni iniziali generiche, esistano SEMPRE soluzioni lisce al sistema tridimensionale, appunto il sopracitato problema dell'esistenza e regolarità delle soluzioni delle equazioni di Navier-Stokes.

Se volete saperne di più sulla difficoltà legata alla soluzione di tali equazioni, vi consiglio di guardare questo splendido video tratto dal canale YouTube Aleph 0:

Ora magari qualcuno si starà domandando perché dovrebbero essere in teoria dei matematici a tentare di risolvere il problema quando stiamo parlando di equazioni della fisica.

Beh, spesso certe equazioni della fisica, come ad esempio l'equazione di Laplace (o la più generale equazione di Poisson) e l'equazione del calore, non sono altro che prototipi di equazioni differenziali le cui proprietà possono poi essere studiate nel dettaglio da un punto di vista prettamente matematico.

Per esempio il matematico italiano Bruno Pini (1918-2007) fu il primo a dimostrare, nei primi anni '50, che le funzioni caloriche soddisfano delle formule di media, un bel salto in avanti rispetto a quanto fatto analogamente da Gauss, attorno al 1840, per le formule di media relative al più semplice laplaciano. 

Potete trovare qualche dettaglio tecnico sull'argomento cliccando qui e qui.

Tornando al film, al di là degli interessanti dettagli matematici presenti, una riflessione importante è quella che viene fornita riguardo alla vita condotta dalle persone troppo intelligenti (o meglio, particolarmente dotate in un certo ambito del sapere e delle attività umane, dato che la definizione di intelligenza è un concetto molto relativo, tant'è che Howard Gardner, nel 1983, propose di distinguere l'intelligenza in 7, poi diventate 9, manifestazioni essenziali).

Da una parte viene sottolineato il giusto tema della noia di fronte ai tradizionali programmi scolastici, dall'altro lato, tuttavia, anche le persone molto dotate restano in fin dei conti degli esseri umani, con le proprie emozioni, la loro voglia di avere dei momenti di svago (seppur la matematica per loro possa essere estremamente affascinante e coinvolgente) e di socialità, e magari anche la ricerca dell'amore.

Il film mostra oltretutto la questione dell'estrema pressione a cui certi genitori sottopongono i propri figli mossi da aspettative talvolta colossali e che possono recare dei danni psicologici non da poco.

Insomma Gifted, oltre ad affascinarci con la matematica ed emozionarci con alcune scene intense, ci porta a domandarci quale debba essere il giusto equilibrio nella formazione dei giovani che sia l'ambiente familiare sia quello scolastico dovrebbero adottare per far crescere persone allo stesso tempo capaci ma anche possibilmente serene.

Ovviamente questi interrogativi non sono banali e probabilmente non c'è una risposta univoca, ma già che ci si rifletta su costituisce un bel traguardo educativo per una pellicola cinematografica neanche troppo di nicchia.

Per tali motivazioni la visione di Gifted è consigliata non soltanto agli appassionati di matematica, ma anche a chi voglia semplicemente seguire una bella storia che porti a delle riflessioni profonde al termine del film.

Poiché abbiamo parlato di bambini prodigio, concludiamo in musica con un'esecuzione a dir poco incredibile del Piano Trio No. 1 Op. 49 di Felix Mendelssohn da parte di un trio di tredicenni coreani, il Rabbit Trio.

 

IL TEOREMA DI MARGHERITA E LA CONGETTURA DI GOLDBACH

"Il teorema di Margherita" è un film del 2023, recentemente divenuto gratuitamente disponibile per la visione sulla piattaforma RaiPlay.

Come il titolo lascia immaginare, al centro della vicenda c'è la matematica.

Non è ovviamente la prima volta che la matematica fa capolino sul grande schermo, si pensi ad esempio ad "A Beautiful Mind" (che racconta la vita del famoso matematico, premio Nobel per l'economia John Nash), a "Will Hunting - Genio ribelle" (il cui protagonista è un giovane prodigio della matematica che fa le pulizie al MIT), a "L'uomo che vide l'infinito" (incentrato sulla breve ma prolifica vita del genio indiano Ramanujan e del suo rapporto con un altro noto matematico, G.H. Hardy), ecc.

Insomma la matematica, seppur considerata notoriamente materia ostica ed arida, in realtà è in grado di mostrare tutto il suo fascino nel mondo cinematografico e non solo (abbiamo per esempio osservato in passato, cliccate qui, come la matematica faccia capolino nello splendido anime Banana Fish).

Ne "Il teorema di Margherita" si compie però, a mio avviso, un passo innovativo, ovvero c'è la possibilità di percepire con maggiore concretezza come lavora un vero matematico.

Chi di professione non fa il matematico (o comunque non è avvezzo ad un formalismo scientifico elevato) può tendere a sminuire la matematica ad un saper far di conto.

Sussistono infatti anche rappresentazioni cinematografiche che mostrano bambini in grado di effettuare mentalmente calcoli mostruosi, come ad esempio la seguente scena tratta dal film del 1991 intitolato "Il mio piccolo genio".

Tuttavia, quando parliamo della vera matematica che si discute all'interno delle università e delle scuole di eccellenza, non si lavora propriamente con cifre numeriche elevate, bensì con lemmi, congetture, teoremi e dimostrazioni, che possono spaziare negli innumerevoli settori specialistici in cui si è evoluta la matematica moderna.

Un'evoluzione così ampia nell'ultimo secolo che per trovare un matematico capace di contribuire in praticamente ogni branca esistente (un cosiddetto "matematico universalista") dobbiamo ancora riferirci a Poincaré (1854-1912) e von Neumann (1903-1957).

"Il teorema di Margherita" ci catapulta immediatamente nella realtà della giovane Marguerite Hoffmann (interpretata da Ella Rumpf, la quale è stata insignita per tale interpretazione dei premi César e Lumière come migliore promessa femminile), dottoranda in matematica all’École Normale Supérieure (ENS) di Parigi, con un'intervista. 

Marguerite è una ragazza incredibilmente intelligente ma molto riservata (infatti non sembra molto entusiasta di dover partecipare all'intervista), la cui vita, almeno fino a quel momento, risulta totalmente focalizzata sulla passione per la matematica.

Ricalca dunque, almeno all'inizio, un po' la visione stereotipata che si ha tipicamente di un genio della matematica.

Come una qualsiasi persona che decide di intraprendere l'arduo percorso del dottorato di ricerca, la sua ricerca si focalizza su un preciso tema tecnico, nel caso specifico il nocciolo della ricerca è costituito da questioni vicine alla famosa congettura di Goldbach, che ispirò tra le altre cose anche il romanzo "Zio Petros e la congettura di Goldbach" (1992) di Apostolos Doxiadis.

Viene puntualizzato sin dagli attimi iniziali della pellicola che si tratta di una congettura, cioè un enunciato matematico non dimostrato, e non di un teorema, ovvero un enunciato già dimostrato.

La suddetta congettura asserisce che "ogni numero pari maggiore di 2 può essere scritto come somma di due numeri primi" (che possono essere anche uguali).

Come potete constatare, l'enunciato è facilissimo, persino un bambino potrebbe coglierne il significato. E allora dove sta il problema? Il problema (un po' come per il famosissimo ultimo teorema di Fermat) sta nel dimostrare rigorosamente la veridicità di tale affermazione, cosa che nessuno fino ad ora è mai riuscito a fare! 

La congettura di Goldbach è stata formulata per la prima volta, nel 1742, in uno scambio epistolare tra Christian Goldbach e il più celebre Eulero (cliccate qui per un altro aneddoto che li riguarda).

In verità la suddetta congettura è spesso chiamata "congettura forte di Goldbach" giacché la sua dimostrazione implicherebbe in automatico la veridicità di un'altra congettura nota come "congettura debole di Goldbach" (naturalmente la dimostrazione della "debole" non implicherebbe la veridicità della "forte").

La congettura "debole" afferma che "ogni numero dispari maggiore di 7 può essere espresso come somma di tre primi dispari" o, equivalentemente, che "ogni numero dispari maggiore di 5 può essere espresso come somma di tre numeri primi".

Buone notizie almeno su questo fronte: la congettura "debole" di Goldbach è stata dimostrata nel 2013 dal matematico peruviano Harald Andrés Helfgott. 

Infatti la sua dimostrazione (se volete per curiosità darci uno sguardo, cliccate qui) è stata accettata, nel 2015, per la pubblicazione sugli Annals of Mathematics Studies, anche se, va rimarcato, tutt'oggi la pubblicazione su rivista peer-reviewed non è ancora stata effettuata in modo integrale, come si legge qui.

Ma torniamo al film. La nostra Marguerite si ritrova ben presto a dover affrontare un importante seminario inerente alle sue ricerche. 

E qui entra in gioco il delicato tema dell'ansia e della pressione sociale. 

Tutti prima o poi nella propria vita si ritrovano a dover soddisfare delle aspettative più o meno grandi nella scuola o nel lavoro. Nei casi estremi ciò può portare alla vera e propria disperazione, alla depressione se non addirittura al suicidio, come testimoniato da casi di cronaca come quello di Chieti (cliccate qui). 

Un tema, questo, che ritroviamo anche nel film, datato 2014, Whiplash, in cui la mente di un giovane batterista jazz viene psicologicamente turbata dal suo, a dir poco severo, direttore d'orchestra. La scena qui di seguito rende molto bene l'idea.

Ma cerchiamo di prendere come motto quanto afferma la commovente canzone sudcoreana "Breathe" di Lee Hi:"fai un respiro profondo, finché entrambe le parti del tuo cuore non diventano insensibili. Va bene commettere errori a volte, perché chiunque può farlo".

 

Tornando a Marguerite, ella non regge la pressione del seminario (oltretutto pieno zeppo di uomini; pochissime le donne presenti), quando un collega, Lucas, nuovo protetto del suo professore relatore, le fa presente un errore che invaliderebbe il suo lavoro (errore dovuto anche alla poca disponibilità ed umanità che lo stesso professore mostra nei confronti di Marguerite).

Insomma tale seminario va a rappresentare, nel bene o nel male, un punto di rottura (un fisico, per ironizzare, direbbe una rottura spontanea di simmetria!) nella ripetitiva esistenza di Marguerite, portandola infatti a chiedere le dimissioni dal dottorato ed incominciare una vita in un ambiente decisamente diverso da quello accademico.

Vengono così fuori disparati nuovi temi come la sessualità (buona per esempio la battuta "non sei mai stata con un uomo o con una donna" della sua amica e coinquilina Noa, che rompe lo schema stereotipato di dare per scontata l'eterosessualità o l'omosessualità di una persona appena conosciuta solo guardando il suo aspetto fisico e il suo modo di vestire), l'applicazione della matematica in contesti inimmaginabili come il mahjong (celebre gioco da tavolo cinese, che ha ispirato anche altri personaggi intellettualmente molto brillanti come Akagi, protagonista dell'omonimo manga di Nobuyuki Fukumoto) ed ovviamente l'amore, che certamente può essere riservato alla matematica ma non per questo deve escludere anche il suo significato romantico.

D'altronde "Love wins all", come afferma la recente canzone della cantante e attrice sudcoreana IU.

Senza fare ulteriori spoiler, "Il teorema di Margherita" rappresenta in conclusione un interessante ed intrigante percorso di formazione personale di una giovane ragazza in una società ancora piuttosto maschilista e che non vede di buon grado l'essere "diversi" (ne abbiamo parlato un po' qui e qui), un racconto che sicuramente appassionerà i patiti di matematica, ma che può essere apprezzato anche da chi la matematica la detesta; e magari, chissà, la detesterà un po' meno dopo la visione del film!

IL PARADOSSO DI BERTRAND

Tra i grandi problemi della matematica c'è sicuramente il paradosso di Bertrand (così denominato da Poincaré).

Esso fu formulato per la prima volta dal matematico francese Joseph Louis François Bertrand (1822-1900) nella sua opera, datata 1889, intitolata Calcolo delle probabilità.

Immaginiamo di possedere 3 scatole identiche, ciascuna avente 2 scompartimenti ed una medaglia inserita in ciascuno di essi.

Supponiamo che:

- cassa n.1: contiene 2 medaglie d'oro;

- cassa n.2: contiene 1 medaglia d'oro ed 1 d'argento;

- cassa n.3: contiene 2 medaglie d'argento.

Scegliendo una scatola a caso ne consegue ovviamente che la probabilità che i compartimenti della scatola selezionata contengano medaglie diverse è 1/3.

Ma ci si potrebbe anche chiedere quale sia la probabilità che nel secondo scompartimento della scatola vi sia una medaglia diversa dal primo scompartimento.

Ingenuamente si potrebbe immaginare che il primo scompartimento, per esempio, contenga una medaglia d'oro, dunque il secondo una d'oro o d'argento, con relativa probabilità pari a 1/2, il 50%, come quella del lancio di una moneta.

Tuttavia tale soluzione è sbagliata (la soluzione corretta è 1/3)! Perché?

Beh, non abbiamo stabilito che vi sia equiprobabilità tra i casi possibili.

In altre parole, gli errori a cui ci conducono tali ingenue argomentazioni si devono al fatto che non abbiamo definito sin dal principio in modo rigoroso lo spazio campionario, ovvero l'insieme totale dei risultati per un esperimento aleatorio.

Da Wikipedia osserviamo la seguente buona rappresentazione del problema appena descritto (il cosiddetto paradosso delle 3 scatole di Bertrand, spesso introdotto come paradosso delle 3 carte) con la richiesta opposta (cioè la probabilità di trovare una medaglia dello stesso tipo).

Il suddetto esempio è davvero uno standard nella teoria della probabilità, tanto che la soluzione risulta intimamente legata ai cosiddetti assiomi di Kolmogorov, per la cui spiegazione vi rimando a Wikipedia. 

Analoghe fallacie si manifestano se l'esperimento di natura aleatoria che stiamo analizzando non è correttamente definito e può quindi essere interpretato in modi diversi, risultando decisamente ambiguo.

Quanto appena descritto rappresenta l'idea alla base del vero e proprio paradosso di Bertrand.

Tale paradosso è decisamente rilevante non solo in ambito puramente matematico ma anche nel mondo della fisica, in quanto ci mostra chiaramente l'ambiguità di alcune idee apparentemente intuitive spesso invocate a sproposito in ambito fisico.

Ad esempio sarebbe senza senso buttare a caso una frase del tipo "è naturale assumere che una densità di probabilità sia uniforme" senza una rigorosa spiegazione di natura fisica.

A tal proposito è di frequente utilizzo in ambito fisico il cosiddetto "principio di indifferenza" di Laplace, il quale viene definito dall'economista britannico John Maynard Keynes, in A Treatise on Probability (1921), come segue:

"If there is no known reason for predicating of our subject one rather than another of several alternatives, then relatively to such knowledge the assertions of each of these alternatives have an equal probability".   

Il principio di indifferenza, volente o nolente, è stato usato efficacemente in una moltitudine di applicazioni, dal lancio di monete e giochi d'azzardo al conteggio delle configurazioni nella meccanica statistica. 

Ciò però non ha azzerato i dibattiti filosofici sulla sua applicabilità e correttezza; basti pensare proprio agli studi effettuati da Bertrand.

Scopriamo ora la versione originale del paradosso di Bertrand, di natura geometrica, che riportiamo nell'ottima descrizione effettuata da Boffetta e Vulpiani nel testo Probabilità in Fisica:

"Si consideri il problema: dato un cerchio di raggio unitario si disegni una corda a caso. Calcolare la probabilità che la lunghezza della corda sia maggiore di $\sqrt{3}$ (il lato del triangolo equilatero inscritto).

Prima risposta. Prendiamo un punto $P$ sul bordo del disco. Tutte le corde che partono da P sono parametrizzate da un angolo $\theta$, vedi Fig. 1.3a.

Se si vuole che la corda sia più lunga di $\sqrt{3}$ l'angolo $\theta$ deve essere compreso in un settore di 60 gradi in un intervallo di 180, quindi la probabilità è 60/180 = 1/3.

Seconda risposta. Consideriamo un punto $P$ su un raggio e la corda passante per $P$ e perpendicolare al raggio, vedi Fig. 1.3b. La corda è più lunga di $\sqrt{3}$ se il suo centro $P$ è nella parte interna (di lunghezza 1/2), quindi poiché il raggio è 1 la probabilità è 1/2.

Terza risposta. Se il centro della corda cade nel disco di raggio 1/2 allora la corda è più lunga di $\sqrt{3}$, vedi Fig. 1.3c, poiché l'area di questo cerchio è π/4 mentre l'area totale è π, la probabilità è 1/4.

Qual è la risposta giusta? Semplicemente la domanda è mal posta, perché “si disegni una corda a caso” è decisamente troppo vago, ed in ognuna delle tre risposte c'è un'assunzione nascosta che sembra naturale, ma è invece arbitraria. Nella prima si è assunto che l'angolo $\theta$ sia uniformemente distribuito, nella seconda che il centro della corda sia uniformemente distribuito sul diametro, mentre nella terza che il centro della corda sia uniformemente distribuito all'interno del cerchio."

In altri termini, si è constatato come non esista un unico metodo di selezione, pertanto non esiste un'unica soluzione! 

Abbiamo nello specifico 3 soluzioni rinvenute da Bertrand corrispondenti a 3 diversi metodi di selezione e, qualora non ci venga fornita alcuna informazione aggiuntiva, l'unica conclusione logica è che non c'è un metodo (e dunque una soluzione) migliore di un altro.

Abbastanza recentemente, nel 2014, Diederik Aerts e Massimiliano Sassoli de' Bianchi hanno pubblicato un paper (cliccate qui per leggerlo) nel quale hanno mostrato che il paradosso di Bertrand contiene in fin dei conti 2 problemi diversi: un problema "facile" ed uno "difficile"!

Il problema "facile" può essere risolto formulando la domanda di Bertrand in termini sufficientemente precisi, permettendo in tal modo una modellizzazione non ambigua dell’entità soggetta al processo aleatorio.

Dopodiché, una volta risolto il problema "facile", gli studiosi hanno mostrato che si spiana così la strada alla risoluzione del problema "difficile", a patto che il principio di indifferenza venga applicato non ai risultati dell'esperimento, bensì ai diversi possibili “modi di selezionare” un'interazione tra l'entità sotto indagine e quella che ha prodotto la randomizzazione.

Concludiamo riportando il bel video sul paradosso di Bertrand presente sul canale YouTube Numberphile. 

 

----------------------------------------------------------------------------------------

Fonti essenziali:

- Probabilità in Fisica. Un'introduzione di Guido Boffetta e Angelo Vulpiani

- Kolmogorov. La dualità tra caos e determinismo di Manuel García Piqueras

- https://it.wikipedia.org/wiki/Paradosso_di_Bertrand

- https://en.wikipedia.org/wiki/Bertrand%27s_box_paradox

- Failure and Uses of Jaynes’ Principle of Transformation Groups di Alon Drory

- Solving the hard problem of Bertrand’s paradox di Diederik Aerts e Massimiliano Sassoli de' Bianchi

I NUMERI NORMALI

Continua (purtroppo) ad essere di recente attualità il tema sociale di cosa sia e non sia normale, grazie specialmente alle dichiarazioni e pubblicazioni di un certo generale dell'esercito italiano ormai sulla bocca di tutti, a cui è stata data, a mio avviso, fin troppa visibilità.

Siamo arrivati nell'anno 2024 avendo compreso nel corso degli ultimi secoli che noi esseri umani e il pianeta Terra non siamo che granelli infinitesimi comparati alla vastità e alla complessità dell'Universo ed ancora stiamo qui a discutere polemicamente di cosa sia normale nel modo di essere (persino sin dalla nascita) e nel modo di vestirsi delle persone. 

Abbiamo scoperto grazie alla meccanica quantistica che, almeno a livello delle particelle, le leggi della fisica sono piene di "stranezze" (almeno dal punto di vista intuitivo dell'essere umano), dall'effetto tunnel al paradosso del gatto vivo/morto di Schrödinger, dall'entanglement all'introduzione di particelle ausiliarie "fantasma" (i ghost di Fadeev-Popov) necessarie per descrivere teorie di gauge non abeliane.

Insomma siamo giunti ad un punto in cui la fisica si è spinta ormai ben più in là della descrizione dei fenomeni che possiamo visivamente scorgere attorno a noi ogni giorno, svelandoci che non abbiamo bisogno necessariamente della fantascienza per restare stupefatti.

Siamo per fortuna pure pervenuti ad un punto in cui le donne (oggi si celebra la Giornata internazionale della donna) possono studiare ed affermarsi nelle discipline STEM, cosa che adesso diamo forse abbastanza per scontata ma per molto tempo non è stato così.

A Wikipedia representation for the theme "Women in STEM".

Donne come Sof'ja Kovalevskaja, Sophie Germain, Emmy Noether, Marie Curie, Rosalind Franklin, Hedy Lamarr, Rita Levi Montalcini, Margherita Hack (la cui vita è stata rappresentata solo pochi giorni fa su Rai 1 nel film Margherita delle stelle), Katherine Johnson, Jocelyn Bell, giusto per citarne alcune, con il loro talento, passione e forza di volontà hanno dimostrato che è assolutamente normale (e qui uso volutamente tale parola per rimarcare questo concetto) per una donna conquistare le più alte vette intellettive, fino ad allora riservate per stupido pregiudizio unicamente agli uomini.

In ogni caso ancora oggi si parla purtroppo del cosiddetto "effetto Matilda" e la battaglia per la sacrosanta parità tra uomini e donne è tutt'altro che terminata.

Il tema della diversità, talvolta ingenuamente correlato a quello della "normalità" (ne parlammo anche qui) come se ne fosse l'antitesi, è indubbiamente alla base stessa della ricerca scientifica.

A tal proposito, l'11 febbraio (in occasione della Giornata internazionale delle donne e ragazze nella scienza), l'account Twitter del Nobel Prize ha pubblicato un bel video con protagoniste due recenti vincitrici dell'ambito premio (la rappresentanza femminile per il suddetto prestigioso riconoscimento continua purtroppo ad essere molto scarsa, come potete leggere qui), Andrea Ghez e Carolyn Bertozzi, che discutono dell'importanza della diversità in modo generale ma anche focalizzandosi sul campo scientifico. 

"I've benefitted in my own lab from having a diverse lab of coworkers."

On the eve of International Day of Women and Girls in Science, laureates Andrea Ghez and Carolyn Bertozzi (@CarolynBertozzi) speak about the importance of diversity. #WomenInScience pic.twitter.com/BHrcXzFQd8

— The Nobel Prize (@NobelPrize) February 11, 2024

E, nonostante questo, in politica, sui giornali e sui social si continua a discutere stupidamente della superiorità di un colore della pelle su un altro, di un orientamento sessuale su un altro, di essere nati senza patologie che comportano disabilità mentali e/o fisiche, ecc., pensando magari di creare nelle scuole classi separate per i "reietti anormali", "deviati", che disturberebbero l'equilibrio dei bambini e ragazzi "normali".

No, questa non è normalità, questa è semplicemente disumanità (ne abbiamo già parlato un po' qui)!

E se il cinema, la televisione e la letteratura osano dare spazio a tali delicate tematiche, non di rado si grida alla "cultura woke", all'indottrinamento (o fantomatica teoria del) gender (che scientificamente non esiste; le persone LGBT+ non vanno in giro a sparare "raggi gender" in grado di mutare i bambini, se non magari nella fervida immaginazione di qualche bigotto!).

Insomma si fa leva, quando fa comodo, su questioni statistiche per cui se c'è una minoranza qualsiasi che non rientra esattamente nei "canoni perfetti e consolidati" del paese o della società in questione, ma indubbiamente esiste, in realtà secondo certe persone non dovrebbe esistere ed essere rappresentata, così come le donne un tempo non dovevano poter addirittura votare!

Non ci facciamo problemi a dar spazio a supereroi, vampiri, streghe, ecc., che non esistono, ma non appena ci si ritrova a rappresentare la diversità che sussiste nella realtà di tutti i giorni si grida allo scandalo, si arriva a richiedere addirittura la censura (sì, non molto tempo fa, proprio qui in Italia, si è arrivati a chiedere la censura persino di Peppa Pig per la presenza di una coppia formata da 2 mamme in un episodio su gli oltre 300 da cui è composta la serie).

Recentemente ho avuto modo di guardare un film italiano, Nata per te, che racconta la storia vera di un giovane omosessuale, Luca Trapanese, il quale ha deciso, tra mille battaglie contro le difficoltà poste dal retrogrado sistema giuridico italiano, di adottare una bambina affetta da sindrome di Down e che nessuna delle cosiddette "coppie normali" voleva. Un piccolo gioiellino di film che fa riflettere non solo sul tema della diversità in modo ampio, ma pure su quello di cosa sia l'umanità stessa.

Se questa premessa serve per ricordarci che in un contesto sociale l'espressione "non normale", "anormale", possa essere spesso offensiva e totalmente fuori luogo, in un contesto di matematica pura la normalità può avere una connotazione totalmente diversa, che possiamo descrivere senza offendere gratuitamente nessuno.

In questo post parleremo infatti brevemente di numeri normali.

La definizione di numero normale è abbastanza semplice.

Consideriamo una certa base $b$. Diciamo che un numero è normale nella suddetta base se sviluppandolo in tale base tutte le cifre appaiono con la stessa frequenza $\frac{1}{b}$, tutte le coppie di cifre appaiono con frequenza $\frac{1}{b^2}$ e, generalizzando, qualsivoglia $n$-upla compare con frequenza $\frac{1}{b^n}$.

In altre parole, qualsiasi successione finita di cifre costituente un numero normale si presenta con la stessa frequenza di una sequenza totalmente casuale.

Beh tutto questo richiama un po' la celebre definizione frequentista della probabilità, per cui se per esempio lanciamo una moneta un gran numero di volte, circa la metà dei lanci ci restituirà testa e l'altra metà croce.

Il concetto di numero normale risale al 1909, quando il matematico e politico francese Émile Borel lo introdusse al fine di caratterizzare le cifre di un famosissimo numero, il pi greco $\pi$ (ricordiamo che il 14 marzo si celebra il Pi Day), che appunto sembravano possedere le peculiarità di una stringa casuale di cifre.

Borel fece in particolare uso del cosiddetto lemma di Borel-Cantelli (Francesco Paolo Cantelli fu un matematico italiano che fornì rilevanti contributi alla teoria della probabilità, ma pure alla meccanica celeste), dimostrando che quasi tutti (in parole povere in matematica ciò significa tutti, eccetto delle quantità praticamente trascurabili) i numeri reali sono normali!

Questo non significa che si possano incontrare numeri normali facilmente. Per esempio i numeri razionali non possono essere normali in tutte le basi.

E poi, ritornando a $\pi$, si suppone generalmente che esso sia un numero normale, ma ciò non è ancora stato dimostrato rigorosamente.

Il primo numero effettivamente normale in qualsivoglia base (spesso numeri del genere vengono detti "assolutamente normali") fu rinvenuto dal matematico polacco Wacław Franciszek Sierpiński nel 1916 (la pubblicazione del paper in cui esso è contenuto risale però al 1917). 

Si legga (cliccando qui) questo interessante articolo di Becher e Figueira per saperne di più circa il risultato ottenuto da Sierpiński.

Sicuramente normale è pure, in base 10, la costante di Champernowne, di cui avevamo già parlato in dettaglio qui. 

Un altro numero certamente normale, sempre in base 10, è la costante di Copeland-Erdős (0,235711131719232931374143…), la quale prende la propria denominazione dai matematici Arthur Herbert Copeland e Paul Erdős (quest'ultimo spesso noto non solo per i suoi rilevanti contributi matematici, ma pure per lo scherzoso concetto di numero di Erdős), i quali nel 1946 dimostrarono appunto la "normalità" di tale costante.

Si osservi che sia la costante di Champernowne sia quella di Copeland-Erdős sono numeri costruiti artificialmente.

Come per il pi greco, resta ipotetica invece la "normalità" di altre rilevanti costanti quali $\sqrt{2}$, $e$, $\ln 2$.

A dir la verità, non è stato nemmeno dimostrato che tutte le cifre effettivamente ricorrano un numero infinito di volte nelle espansioni decimali delle suddette costanti.

Insomma fare ricerca inerente ai numeri normali è cosa tutt'altro che banale! 

Per concludere, vi propongo due video.

Nel primo trovate una bella spiegazione, relativa al pi greco e sulla possibilità, già qui anticipata, che possa essere normale, da parte del docente, blogger (chi segue i Carnevali della Matematica sa bene che il suo blog è Mr. Palomar) e divulgatore scientifico Paolo Alessandrini.

 

Il secondo è la celebre canzone I Am What I Am, tratta dal musical del 1983 La Cage aux Folles, nella maestosa interpretazione di Shirley Bassey, canzone la quale ci ricorda che ognuno è quello che è, con le sue differenze, piccole o grandi che siano, di cui non bisogna vergognarsi perché alla fine la vita è una soltanto.

 

LA CATENA DI SPIN DI HEISENBERG E I SISTEMI INTEGRABILI: UNA “SEMPLICE” PANORAMICA

In questo post scopriremo l'importante catena di spin di Heisenberg e capiremo in generale cosa sia un sistema fisico integrabile.

Si tratta di argomenti matematicamente e fisicamente piuttosto avanzati, ma qui ci focalizzeremo solo sugli aspetti puramente essenziali e "semplici" e scopriremo gli interessanti dettagli storici attorno a tali concetti. I lettori interessati potranno approfondire gli aspetti maggiormente tecnici guardando i riferimenti segnalati in fondo al post.

Partiamo col dire che la catena di spin di Heisenberg è un modello quantistico costituito da una catena che consiste di un numero $L$ di siti. 

Ciascun sito, che denotiamo con $l$, contiene uno spin $s = 1/2$.

Uno stato di spin può essere rappresentato da $| \downarrow \rangle$ oppure da $| \uparrow \rangle$ o da una qualsivoglia combinazione lineare di questi due.

Catena di spin chiusa unidimensionale. Fonte: bit.ly/4b4uTMx
 

Nello specifico, infatti, la rappresentazione matematica di uno spin $s$ è data dalla semplice relazione:

La catena di spin di Heisenberg è l'esempio fondamentale delle cosiddette catene di spin integrabili.
Per capirci qualcosa dobbiamo prima comprendere cosa sia un sistema fisico integrabile.

Una definizione molto generale di sistema fisico integrabile è quella di un modello fisico che è risolubile in modo esatto, ovvero senza far ricorso a metodi di approssimazione.

Già Newton fu in grado per esempio di risolvere il cosiddetto problema di Keplero in modo esatto, ma per una prima formalizzazione di questo nuovo rilevante ambito di ricerca scientifico si dovette aspettare il XIX secolo con Joseph Liouville.

Il matematico francese fece infatti uso delle cosiddette "quadrature". In sostanza egli si rese conto che sistemi hamiltoniani (dunque siamo nell'ambito della meccanica classica) potessero essere risolti mediante l'uso di un numero finito di operazioni algebriche ed integrazioni.

Il culmine del suddetto studio è fornito dal cosiddetto teorema di Liouville-Arnold, per la cui spiegazione vi rimando direttamente a Wikipedia. 

A noi però interessa entrare nell'ambito quantistico, cioè comprendere in particolare se e quando una teoria quantistica dei campi (abbreviata QFT) possa essere integrabile.

Innanzitutto diciamo che esistono sì teorie quantistiche di campo integrabili, ma esse costituiscono un insieme assai limitato.

Infatti 2 sono le fondamentali peculiarità che una QFT deve avere affinché possa essere integrabile:

1) deve possedere un numero infinito di cariche conservate (qui ci limitiamo a dire che è qualcosa intimamente legato al famoso teorema di Noether);

2) deve essere definita in 1+1 dimensioni, cioè 1 temporale ed una spaziale.

Soffermiamoci un attimo su quest'ultimo punto giacché è assai rilevante e stuzzicante.

Una domanda lecita a questo punto infatti sarebbe: perché dobbiamo considerare proprio 2 dimensioni e non 3, 4 o un qualsivoglia numero?

La risposta risiede nel concetto di matrice S.

S sta per scattering (ne parlammo un po' qui). Cerchiamo qui però di indirizzare un po' meglio, a parole povere, il concetto nell'ambito della QFT.

Lo scattering è il processo di interazione tra varie particelle (ma anche antiparticelle).

Generalmente si definisce uno stato iniziale, ossia quello in cui troviamo le particelle prima che avvenga un'interazione fra loro, ed uno stato finale ove troviamo le particelle risultanti dall'interazione. Si veda a tal proposito la seguente figura.

Illustrazione di uno scattering 2 → 2. Il tempo scorre dal basso verso l'alto. Figura tratta da https://arxiv.org/abs/1607.06110.

Nella figura abbiamo appunto un esempio di scattering di 2 particelle che produce 2 particelle (nel semplice caso raffigurato trattasi di particelle tutte con la stessa massa). Nello specifico si vedono due particelle che costituiscono lo stato iniziale e contraddistinte dai momenti lineari $k_1$ e $k_2$, dopodiché avviene l'interazione, esplicitamente denotata dal cerchio, e infine lo stato finale formato da particelle aventi rispettivamente momenti $k_3$ e $k_4$.

L'oggetto matematico alla base della descrizione dell' interazione tra le particelle è proprio la matrice S, che è un operatore che va dunque a stabilire una mappa tra stato iniziale e stato finale.

In simboli, tale relazione si può esprimere nel seguente modo:

L'aspetto cruciale che caratterizza la matrice S in 1+1 dimensioni è la sua proprietà di "fattorizzabilità" non banale, ovvero il fatto che uno scattering di $n$ particelle che danno luogo ad $n$ particelle possa essere ricondotto ad un prodotto di "semplici" scattering $2 \rightarrow 2$.

Nel 1967 Sidney Coleman e Jeffrey Mandula pervennero ad un importantissimo risultato: il cosiddetto teorema di Coleman-Mandula, cioè un rilevante esempio di "teorema no-go" in fisica.

In tale contesto il suddetto teorema ci dice essenzialmente che se ci spingiamo in 3 o più dimensioni complessive, l'unico modo di avere una QFT integrabile, cioè di avere una matrice S fattorizzabile, è considerare teorie senza la presenza di interazioni fra particelle e con una matrice S banale, ossia equivalente alla matrice identità.

Pertanto, ciò che rende speciale il caso delle 1+1 dimensioni è proprio il fatto di poter considerare teorie che includano interazioni e che abbiano una matrice S avente forma non banale, generando così un intero campo di ricerca per gli studiosi.

666: IL NUMERO DI "DIABLO"!

Oggi parliamo di un numero famoso: il 666, spesso chiamato "Numero della Bestia" o "numero del diavolo".

Infatti al versetto XIII,16-18 dell'Apocalisse di Giovanni (l'ultimo libro del Nuovo Testamento, ossia la conclusione della Bibbia) si legge:

Faceva sì che tutti, grandi e piccoli, ricchi e poveri, liberi e schiavi, venissero marchiati sulla mano destra e sulla fronte. E che nessuno potesse comprare o vendere senza avere tale marchio, cioè il nome della Bestia o il numero del suo nome. Qui sta la sapienza. Chi ha in­telligenza interpreti il numero della Bestia: esso rappresenta un nome d'uomo, e il numero è 666.

Mi piace celebrare così l'uscita a breve dell'attesissimo videogame Diablo IV, che sarà rilasciato in modo ufficiale in una data particolare: il 6.6.23 (e, dato che 2 per 3 fa 6, potete ben immaginare il perché sia stata scelta tale data).

Lilith in Diablo IV

Ecco un paio di spettacolari cinematic introduttive del game, in cui fa capolino la misteriosa ed affascinante figura di Lilith, nel game figlia di Mephisto (demone "signore dell'odio") e madre di Sanctuary (ovvero il mondo dei mortali), ma che ritroviamo già nel III millennio a.C. nelle antiche religioni mesopotamiche, come potete leggere su Wikipedia. 

I riferimenti numerici e geometrici nel game già non mancano in questi spezzoni di storia, ma ora concentriamoci sul protagonista del post, il 666.

Generalmente, nella blogosfera scientifico-matematica italiana, siamo abituati a presentare in dettaglio i vari numeri interi positivi in occasione dei Carnevali della Matematica.

Tuttavia, siccome manca ancora molto molto tempo al Carnevale della Matematica n.666 (pensate che la prossima edizione, che verrà pubblicata il 14 maggio da Dioniso (cioè Flavio Ubaldini), sarà "solamente" la n.169), mi permetto di introdurre il suddetto numero come se compissi un gigantesco salto in avanti nel futuro e avessi l'onore di ospitare qui, in questo momento, il Carnevale n.666.

 

666 è un numero pari composto da 12 divisori: 1, 2, 3, 6, 9, 18, 37, 74, 111, 222, 333 e 666.

Provate a sommarli (non includendo il 666). Fatto? Il risultato è 816, che è maggiore di 666.

Ergo 666 è un numero abbondante!

Ma è pure un numero che "sfiora la perfezione matematica"! Ma che diavolo significa?

No, non sono impazzito soggiogato dall'immenso potere di Lilith, semplicemente 666 è un numero semiperfetto.

Per capire, dovete ricordare che numeri come il 6, il 28 e il 496 sono detti perfetti perché se sommiamo assieme tutti i loro divisori (tranne, ovviamente, il numero in questione) li otteniamo "magicamente".

Per esempio 6 = 1 + 2 + 3, e così via per tutti gli altri numeri perfetti.

Bene, appurato ciò, possiamo dire che un numero si definisce semiperfetto se è uguale alla somma di alcuni (ma volendo anche tutti) suoi divisori.

Giusto per capire meglio, proviamo ad analizzare il numero semiperfetto 12. I suoi divisori sono 1, 2, 3, 4, 6, 12.

Per esempio possiamo costruire 12 come la seguente somma: 12 = 1 + 2 + 3 + 6.

Lo stesso discorso vale per il 666; potete trovare somme tra alcuni dei suoi divisori che restituiscono come totale 666.

Molto suggestivo è anche il fatto che 666 sia un numero triangolare, nel senso che se, in questo caso specifico, prendete TUTTI i numeri interi tra 1 e 36 e li sommate ottenete 666.

Ciò implica che 666 è anche la somma dei numeri presenti in una roulette: una sorta di collegamento del "diavolo" col gioco d'azzardo!

Nel sistema numerico decimale 666 è poi un numero di Smith, poiché se provate a sommare le sue cifre (cioè 6 + 6 + 6 = 18) e a sommare quelle della sua scomposizione in fattori (666 = 2 × 3 × 3 × 37 e, sommando le cifre, 2 + 3 + 3 + 3 + 7 = 18) potete constatare che ottenete il medesimo risultato (ovvero 18).

Sempre restando nel sistema numerico digitale, 666 è un numero di Harshad, nel senso che risulta divisibile per la somma delle sue cifre. Infatti 666/18 = 37.

Per di più 666 corrisponde alla somma di due numeri palindromi consecutivi: 313 e 353.

Il "numero della bestia" è anche un numero pratico e nontotiente (cliccate sui link per capire cosa ciò significhi). 

Molto curioso è poi il fatto che, passando ai numeri romani, 666 si scriva come DCLXVI, ovvero utilizzi tutti i simboli esistenti nel sistema di numerazione romano tranne la M (che corrisponde a 1000).

Altra peculiarità notevole consiste nel fatto che 666 è nientemeno che la somma dei quadrati dei primi sette numeri primi:

 

Insomma dal punto di vista numerico 666 nasconde molte curiosità.

Sussiste poi un meme online basato sulla radice quadrata di 666, cioè 25.80697... (un numero irrazionale), il quale afferma: "se 666 è considerato malvagio, allora, tecnicamente, 25.80697 è la radice di tutti i mali?". 

Usciamo ora dall'ambito prettamente matematico e osserviamo dove possiamo ritrovare il numero 666:

• In fisica, in modo approssimato, esso corrisponde alla massa molare di un superconduttore ad alta temperatura: l'ossido di ittrio bario e rame YBa₂Cu₃O₇.
• In astronomia, NGC 666 è una galassia a spirale della costellazione del Triangolo.

Immagine realizzata da Donald Pelletier, tratta da qui

• Sempre in astronomia, 666 Desdemona è un asteroide della fascia principale del sistema solare.
• 666 Fifth Avenue (attualmente ridenominato 660 Fifth Avenue) è un imponente edificio di New York che è stato acquistato nel 2007 per 1.8 miliardi di dollari, divenendo così l'affare immobiliare più costoso nella storia della città statunitense "che non dorme mai". Di seguito una bella immagine dell'edificio tratta da Wikipedia. 

In conclusione non può mancare la musica e non possiamo non segnalare il brano (che dà il nome pure all'omonimo album), datato 1982, del gruppo heavy metal britannico Iron Maiden, intitolato The Number of the Beast.

Abbiamo iniziato il post con riferimenti a Diablo IV, dunque trovo giusto terminarlo con la meravigliosa colonna sonora del videogame stesso, in particolare quella che fa da sottofondo all'importante città Kyovashad, presente nell'atto I della storia (che è stato giocabile nella versione beta).

 

All hail mother Lilith! 😈

GRASSMANN E LE SUE VARIABILI

Il presente post sarà focalizzato nella spiegazione di un concetto matematico molto utile nell'ambito della teoria quantistica dei campi: le variabili di Grassmann.

Esse infatti sono fondamentali per il calcolo delle cosiddette funzioni di correlazione di campi fermionici e, in particolare, per la definizione degli integrali funzionali per i fermioni. 

Per inciso ricordiamo che i fermioni sono quelle particelle (tra cui, per esempio, l'elettrone) che, in base al teorema spin-statistica, presentano spin semi-intero e obbediscono al principio di esclusione di Pauli.

Non abbiate troppa paura, il post non richiederà prerequisiti di teoria quantistica dei campi per la comprensione, ma "solo" il generico background matematico tipico dei post un po' più tecnici presenti in questo blog.

Possiamo però cominciare molto dolcemente anche per il lettore totalmente a digiuno di matematica avanzata, inquadrando in primis l'interessante biografia del matematico, fisico e linguista tedesco Hermann Günther Grassmann, che sono sicuro vi sorprenderà notevolmente.

Terzo di dodici figli, Grassmann nacque il 15 aprile 1809 a Stettino da Justus Günter Grassmann (consacrato ministro del culto, ma poi divenuto docente di matematica e fisica presso il liceo di Stettino) e Johanne Luise Friederike Medenwald (figlia di un ministro del culto di Klein-Schönfeld).

Justus scrisse diversi libri scolastici di fisica e matematica e intraprese anche ricerche inerenti alla cristallografia.

Anche il fratello di Hermann, Robert, divenne un matematico e i due collaborarono a svariati progetti.

Ma focalizziamo la nostra attenzione su Hermann.

L'istruzione primaria di Hermann si dovette alla madre, donna decisamente saggia e colta.

Dopodiché frequentò una scuola privata prima di entrare nel ginnasio di Stettino dove insegnava suo padre.

Ecco, molti sono abituati a pensare ai grandi matematici e scienziati della storia come studenti brillantissimi, geni, "mostri", "alieni" in grado di ridicolizzare anche i propri insegnanti.

Questo non fu assolutamente il caso di Grassmann, quantomeno inizialmente!

Infatti costui, nonostante avesse eccellenti opportunità di coltivare la sua istruzione in una famiglia con un'ampia mentalità educativa, non eccelse durante i suoi primi anni di ginnasio.

Magari non ci crederete, ma suo padre ad un certo punto pensò addirittura che il figlio dovesse indirizzarsi più su un lavoro manuale (come per esempio fare il giardiniere o l'artigiano) piuttosto che focalizzarsi su studi difficili apparentemente non alla sua portata.

Hermann si appassionò alla musica e imparò a suonare il pianoforte. 

Man mano che progredì nella scuola, migliorò a piccoli passi e nel momento degli esami finali di scuola secondaria, all'età di diciotto anni, si classificò al secondo posto nella scuola.

Insomma un bruco diventato farfalla!

Questa vicenda dovrebbe far riflettere sul fatto che un brutto voto scolastico o un periodo di rendimento negativo non definiscono in toto l'intelligenza e le capacità di una persona. Sarebbe bello che imparassimo tutti quanti a non giudicare un libro dalla copertina o dalle prime pagine.

Tornando al nostro racconto biografico, Hermann decise che avrebbe studiato teologia e si recò a Berlino nel 1827 con il fratello maggiore per studiare nella prestigiosa Università ivi presente. 

Seguì corsi di teologia, lingue classiche, filosofia e letteratura, ma pare che non abbia mai seguito corsi di matematica o fisica.

Sebbene non possedesse una preparazione universitaria formale in matematica, fu tale argomento che lo interessò al suo ritorno a Stettino nell'autunno del 1830 dopo aver completato gli studi universitari a Berlino. 

L'influenza del padre risultò determinante nel portarlo sulla strada della matematica; Hermann decise che sarebbe diventato un insegnante di scuola, ma era determinato a intraprendere ricerche matematiche per conto proprio. 

Dopo un anno di ricerca matematica e di studio utile nella preparazione degli esami necessari per insegnare nei ginnasi, si recò a Berlino nel dicembre 1831 per sostenere i suddetti esami.
Le sue prove scritte non ebbero tuttavia una buona valutazione, dal momento che i suoi esaminatori gli diedero la licenza di insegnare solo ai livelli più bassi del liceo. 

Gli fu in particolare detto che, prima di poter insegnare ai livelli superiori, avrebbe dovuto sostenere nuovamente gli esami e dimostrare una maggiore conoscenza degli argomenti per cui si era presentato. Nella primavera del 1832 fu nominato insegnante assistente al liceo di Stettino.

Come racconta Grassmann stesso nella prefazione della sua fondamentale opera, pubblicata nel 1844, Die Lineale Ausdehnungslehre, ein neuer Zweig der Mathematik ("Teoria dell'estensione lineare, un nuovo ramo della matematica"), fu in questo periodo (cioè a partire dal 1832 circa) che fece le sue prime significative scoperte matematiche che lo avrebbero condotto alle rilevanti idee che avrebbe sviluppato pochi anni dopo.

Nel 1834 Grassmann sostenne gli esami di teologia (di primo livello) fissati dal Consiglio della Chiesa luterana di Stettino ma, sebbene questo potesse rappresentare il suo primo passo per diventare ministro nella Chiesa luterana, decise di recarsi invece a Berlino nell'autunno di quell'anno per accettare un incarico come insegnante di matematica alla Gewerbeschule.

Era infatti rimasto vacante un posto da quando il precedente insegnante, Jakob Steiner (1796-1863), sì proprio quello del celebre teorema di Huygens-Steiner inerente al calcolo del momento di inerzia di un corpo rigido, era stato nominato ad una cattedra di matematica all'Università di Berlino. 

Grassmann trascorse solo un anno alla Gewerbeschule prima che si presentasse una nuova opportunità nella sua città natale di Stettino. 

Una nuova scuola, la Otto Schule, era infatti appena stata aperta e Grassmann fu incaricato di insegnare matematica, fisica, tedesco, latino e religione. Si era qualificato solo per insegnare a un livello basso, e ciò fa ben capire l'ampia varietà di argomenti che insegnava.

Nei 4 anni successivi il nostro studioso prese molto sul serio il suo insegnamento, ma non trascurò per questo la ricerca matematica, oltre a concentrarsi sulla preparazione di ulteriori esami. 

Nel 1839 superò gli esami di teologia, di secondo livello, fissati dal Consiglio della Chiesa luterana di Stettino, e nel 1840 si recò a Berlino per sostenere gli esami che gli avrebbero permesso di insegnare alcune materie al più alto livello di ginnasio. Da quel momento poté finalmente insegnare matematica, fisica, chimica e mineralogia a tutti i livelli delle scuole secondarie.

Interessante notare come gli esami che Grassmann sostenne nel 1840 furono per lui significativi anche in un altro senso. 

Nello specifico, tra le richieste dell'esame vi era la presentazione di un saggio sulla teoria delle maree. Egli prese allora la teoria di base dalle celebri Méchanique céleste di Laplace e Méchanique analytique di Lagrange, tuttavia si rese presto conto di poter applicare i metodi vettoriali che aveva sviluppato fin dal 1832 per dar vita ad un approccio non solo originale ma pure semplificato.

Il suo saggio Theorie der Ebbe und Flut era lungo 200 pagine e introduceva per la prima volta un'analisi basata sui vettori, tra cui addizione e sottrazione di vettori, differenziazione di vettori e teoria delle funzioni vettoriali. 

Sebbene il suo saggio venne accettato dagli esaminatori, questi non furono assolutamente in grado di comprendere l'importanza delle innovazioni introdotte da Grassmann. 

In altre parole, Grassmann, senza aver ricevuto alcuna educazione matematica di tipo universitario, aveva gettato le basi della moderna algebra lineare e dell'importantissimo concetto di spazio vettoriale, ma i suoi esaminatori non seppero riconoscere un vero "diamante matematico" pur avendolo di fronte agli occhi. Cliccando qui gli interessati potranno leggere lo splendido testo Linear Algebra Done Right di Sheldon Axler, molto utile per rinfrescare i fondamentali concetti e scoprire un approccio piuttosto originale rispetto ai tipici libri presenti sull'argomento. 

Riporto inoltre a tal proposito un interessante passo tratto dal libro Dio è un matematico di Mario Livio:

"Uno dei suoi biografi ha scritto: «Sembra che il destino di Grassmann sia quello di essere riscoperto di tanto in tanto, ogni volta come se fosse stato dimenticato dopo la morte». Eppure a Grassmann si deve la creazione della scienza astratta degli «spazi» al cui interno la geometria convenzionale rappresentava solo un caso particolare. Grassmann pubblicò le sue idee pionieristiche (dando origine alla branca della matematica che prende il nome di «algebra lineare») nel 1844, in un libro noto generalmente con il titolo di Ausdehnungslehre[...]Nella prefazione, Grassmann scrisse:

‘La geometria non può in alcun modo essere considerata [...] una branca della matematica; la geometria riguarda invece qualcosa che è già dato in natura, ovverosia lo spazio. Mi ero inoltre reso conto del fatto che deve esserci una branca della matematica che produce in modo puramente astratto leggi simili a quelle della geometria.’

Era una concezione radicalmente nuova della natura della matematica. Per Grassmann la geometria tradizionale - eredità degli antichi greci - riguarda lo spazio fisico e pertanto non può essere considerata una vera branca della matematica astratta. Per lui la matematica era infatti una creazione astratta della mente umana che non necessariamente ha applicazioni nel mondo reale.

È affascinante seguire il filo di pensieri apparentemente banali che mise Grassmann sulla strada che l'avrebbe condotto alla sua teoria di un'algebra lineare.

Egli prese spunto dalla semplice formula $AB + BC = AC$, che compare in ogni manuale di geometria in riferimento alle lunghezze dei segmenti di retta (figura 46a).

Grassmann notò però qualcosa di nuovo nella formula. Scoprì che essa resta valida indipendentemente dall'ordine di $A$, $B$ e $C$, a condizione che non si interpretino $AB$, $CD$ e $AC$ come mere lunghezze, ma si assegni loro anche una «direzione», cosicché risulti, per esempio, $BA = -AB$. In tal caso, se $C$ sta tra $A$ e $B$ (figura 46 b), risulterà $AB = AC + CB$; ma poiché $CB = -BC$, avremo $AB = AC - BC$ e la formula iniziale potrà essere ripristinata semplicemente aggiungendo $BC$ a destra e a sinistra del segno d'uguaglianza.

Ciò era piuttosto interessante di per sé, ma l'intuizione di Grassmann conteneva altre sorprese. Notate che se fossimo nell'ambito dell'algebra invece che in quello della geometria, allora un'espressione come $AB$ denoterebbe in genere il prodotto $A \times B$. In questo caso, la proposta di Grassmann di porre $AB = -BA$ violerebbe una delle leggi fondamentali dell'aritmetica, ovvero che due quantità moltiplicate tra loro producono lo stesso risultato indipendentemente dall'ordine dei termini. Grassmann affrontò di petto quest'inquietante possibilità inventando una nuova algebra dotata di coerenza interna (chiamata «algebra esterna») che consentiva di utilizzare diversi procedimenti di moltiplicazione e al contempo di manipolare la geometria in un numero qualsiasi di dimensioni."

Desmond Fearnley-Sander, nell'articolo del 1979 intitolato Hermann Grassmann and the Creation of Linear Algebra, scrisse peraltro che Grassmann

"Cominciando con una collezione di 'unità' $e_1, e_2, e_3$,...effettivamente definisce lo spazio lineare libero che essi generavano; in altri termini, egli considera la combinazione lineare formale $a_1 e_1 + a_2 e_2 + a_3 e_3 +...$, dove $a_j$ sono numeri reali, definisce l'addizione e la moltiplicazione di numeri reali [nel modo attualmente in uso] e dimostra formalmente le proprietà di spazio lineare per queste operazioni. ... Sviluppa poi la teoria dell'indipendenza lineare in un modo straordinariamente simile alla presentazione che si trova nei moderni testi di algebra lineare. Definisce la nozione di sottospazio vettoriale, indipendenza, lunghezza, span, dimensione, unione e intersezione di sottospazi, e proiezione di elementi nei sottospazi.
Tra gli altri risultati, mostra che ogni insieme finito ha un sottoinsieme indipendente con lo stesso span e che ogni insieme indipendente si estende a una base, e dimostra l'importante identità [oggi chiamata formula di Grassmann]

$\mathrm{dim} (U+W) = \mathrm{dim} (U) + \mathrm{dim} (W) - \mathrm{dim} (U \cap W)$."

D'altra parte le ricerche (poi raccolte nel saggio del 1844) avevano dimostrato a Grassmann che la sua teoria risultava ampiamente applicabile, pertanto egli decise che avrebbe dedicato d'ora in avanti tutto il tempo che poteva risparmiare al fine di sviluppare ulteriormente le sue idee innovative sugli spazi vettoriali.

Si noti tuttavia che tale tempo non poteva essere molto giacché Grassmann era un insegnante scrupoloso che mirava a svolgere quel lavoro al meglio delle sue capacità. Scrisse numerosi libri di testo, due dei quali furono pubblicati nel 1842: uno era sul tedesco parlato, l'altro sul latino. 

Dopo aver scritto questi libri di testo, rivolse tutta la sua attenzione alla stesura della già citata Die lineale Ausdehnungslehre, ein neuer Zweig der Mathematik.

Cominciò nella primavera del 1842 e completò il manoscritto nell'autunno del 1843. 

Esso, come già più volte detto, venne pubblicato l'anno successivo. Nella suddetta opera, un vero e proprio capolavoro di originalità, ha sviluppato l'idea di un'algebra in cui i simboli che rappresentano entità geometriche come punti, linee e piani, risultano manipolati secondo determinate regole.

Ha rappresentato i sottospazi di uno spazio mediante coordinate che portano alla mappatura dei punti di una varietà algebrica ora chiamata, non a caso, Grassmanniana.

Grassmann era un po' risentito del fatto stesse producendo matematica decisamente innovativa ed importante, ma fosse ancora costretto ad insegnare nelle scuole secondarie. 

Infatti, sebbene fosse stato a Stettino sin dalla prima nomina alla Otto Schule, era stato trasferito prima al Ginnasio di Stettino, poi alla Friedrich Wilhelm Schule a causa della riorganizzazione scolastica della città. 

Nel maggio 1847 ricevette il titolo di Oberlehrer alla Friedrich Wilhelm Schule e nello stesso mese scrisse al Ministero dell'Istruzione prussiano chiedendo di essere inserito in un elenco di quelli da considerare per posizioni universitarie. Il Ministero dell'Istruzione chiese a Kummer la sua opinione su Grassmann, che lesse il suo premiato saggio Geometrische Analyse e riferì che conteneva:

"materiale lodevolmente buono espresso in una forma carente".

Il rapporto di Kummer cancellò definitivamente le speranze di Grassmann per un posto universitario.
È davvero curioso constatare quanti eminenti matematici non siano riusciti a riconoscere che la matematica presentata da Grassmann sarebbe diventata il fondamento di base della materia nei 100 anni successivi.

Il 12 aprile 1849 Grassmann sposò Therese Knappe, la figlia di un proprietario terriero.

La coppia ebbe la bellezza di 11 figli di cui sette raggiunsero l'età adulta. Uno dei loro figli, Hermann Ernst Grassmann, ricevette un dottorato nel 1893 per la sua tesi Anwendung der Ausdehnungslehre auf die Allgemeine Theorie der Raumkurven und Krummen Flächen scritta sotto la supervisione di Albert Wangerin presso l'Università di Halle-Wittenberg. Questi diventò successivamente professore di matematica presso l'Università di Giessen.

Nel marzo 1852 il padre di Grassmann, Justus, morì e nello stesso anno Grassmann fu nominato per ricoprire la precedente posizione di suo padre allo Stettin Gymnasium. 

Ciò significava che, pur insegnando ancora in una scuola secondaria, ora possedeva il titolo di professore. Non essendo riuscito a ottenere un vero riconoscimento per la sua matematica innovativa, Grassmann si dedicò poi a un'altra delle sue materie preferite, lo studio del sanscrito e del gotico. 

Ebbe un buon riconoscimento come linguista per aver dimostrato che il germanico in realtà risultava "più antico" in un modello fonologico rispetto al sanscrito.

Neanche la fisica venne trascurata dallo studioso. Nello specifico, egli pubblicò nel 1853 una teoria della mescolanza dei colori che contraddiceva quella proposta da Helmholtz. 

Entro la metà dell'anno successivo, tuttavia, fece ritorno alla matematica e alla sua teoria dell'estensione decidendo che, invece di scrivere un secondo volume, come aveva originariamente previsto, avrebbe riscritto completamente l'opera nel tentativo di farne riconoscere il significato. 

Infatti, sebbene abbia scritto un'opera che oggi ci appare nello stile di un moderno libro di testo, Grassmann non riuscì mai a convincere i matematici del suo tempo. 

Forse era così sicuro dell'importanza dell'argomento da non riuscire a decidersi a venderlo a lettori scettici.
Certamente il libro Die Ausdehnungslehre: Vollständig und in strenger Form bearbeitet, da lui pubblicato nel 1862, non se la cavò meglio della prima versione del 1844.

Le delusioni provocate dal mancato apprezzamento del suo contributo matematico lo spinsero a dedicarsi nuovamente alla ricerca in linguistica. Qui se la cavò davvero molto meglio (almeno per il pubblico dell'epoca) e fu onorato per i suoi contributi filologici con l'elezione all'American Oriental Society e con il conferimento, nel 1876, di una laurea honoris causa da parte dell'Università di Tubinga. 

Tornò ancora una volta a concentrarsi sulla matematica negli ultimi due anni della sua vita e, nonostante la salute cagionevole, preparò un'altra edizione dell'Ausdehnungslehre per la pubblicazione. Questa apparve, ma soltanto postuma. 

Grassmann esalò l'ultimo respiro il 26 settembre 1877 a Stettino, una morte dovuta a problemi cardiaci presentatisi dopo un periodo di lenta decaduta della salute.

A conclusione di questa biografia, riportiamo il seguente emblematico e riassuntivo pensiero di Fearnley-Sander:

"Tutti i matematici stanno, come disse Newton, sulle spalle dei giganti, ma pochi si sono avvicinati più di Hermann Grassmann alla creazione, in solitario, di una nuova disciplina."

Passiamo ora finalmente ad illustrare le variabili di Grassmann.