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La Conoscenza è come una linea, dove sono i confini non ci è dato di saperlo.

Sublimina.it è un viaggio personale nel mondo del pensiero umano. Per raggiungere ogni meta c'è una via ed ogni via ha un ingresso. Questa è la mia porta personale, l'ho appena aperta. Ognuno ha la sua porta, qualche volta si ha bisogno, però, di intravedere cosa c'è al di là della porta altrui per mirare l'altrove che sta dietro la propria.  Ispirato da: Franz Kafka, Il processo (1925)


Da dove nasce l'Universo Digitale?

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Quando voglio interagire con un computer, prima che sia pronto a dialogare mi tocca aspettare parecchi minuti dopo averlo acceso. È assurdo, queste macchine dovrebbero essere lì per noi, non l'inverso.


Tim Berners-Lee, L'architettura del nuovo Web, 1999


Da dove nasce questo “mondo digitale” che ci ha portato ad Internet, agli smartphone, tablet, laptop, social network, blog e new media e ha fatto la fortuna di personaggi come Bill Gates o Steve Jobs? Da dove viene la cosiddetta “rivoluzione digitale”? Dove si arriverà?


Mondo DigitaleUna delle domande che si possono porre, e i più addentrati ne percepiranno la portata (i meno non devono preoccuparsi, saranno accompagnati nella piena comprensione di quanto si andrà a dire) è:

Esiste davvero un “mondo digitale”?

Con queste due parole, si intendono molte cose, a seconda del contesto dove vengono utilizzate, e questo è ovvio. Il mondo di Internet è un mondo digitale. Le app degli smartphone fanno parte del mondo digitale assieme alle nuove tecnologie che permettono la comunicazione istantanea.

Esiste pur tuttavia un’accezione dei termini “mondo” e “digitale” assieme che è più primitiva e per certi versi più elementare. Intendo, quindi per “mondo digitale” tutto ciò che si distingue dal “mondo analogico”.

In altre parole mi riferisco ad una distinzione ben nota agli ingegneri informatici elettronici e perché no, ai matematici ed ai fisici. In qualsiasi corso di elettronica si fa questa distinzione: “Elettronica Digitale, “Elettronica Analogica”.

Esiste davvero dal punto di vista fisico un mondo la fuori definibile “mondo digitale”?

Questa domanda ci fa imbarcare in una discussione, che a tutta onestà, non può essere esaurita con questo articolo. In ogni caso si vogliono fornire degli spunti di riflessione.

Innanzitutto i termini “digitale” ed “analogico” possiedono controparti isomorfe che possono essere seguendo l’ordine: “discreto” e “continuo”. E già su questo tema si potrebbe aprire una grandissima nonché interessante discussione tirando in ballo oltre al paradosso di Zenone, una sterminata serie di filosofi e matematici, non ultimi Gottfried Wilhelm Leibniz e Isaac Newton con le loro versioni del calcolo integrale.

Per un bel pezzo, nella storia del pensiero umano il mondo circostante è stato visto come un continuum, immaginando corse, per l’appunto dove Achille non sarebbe mai riuscito a raggiungere la tartaruga. Il calcolo integrale stesso sembra far uso di tecniche matematiche in grado di “manipolare” quantità legate alla natura continua dello spazio e nella fisica classica si è rivelato un ottimo strumento per comprendere la meccanica celeste e il sistema solare.

Già in età antica alcuni filosofi greci, come Leucippo (V secolo a.C.), Democrito (V-IV secolo a.C.) ed Epicuro (IV-III secolo a.C.), e romani, quali Tito Lucrezio Caro (I secolo a.C.) avevano ipotizzato una realtà materiale circonstante formata da “indivisibili”, per l’appunto atomi.

Eppure, dopo lo sconvolgimento relativistico d’inizio secolo scorso, con l’avvento della fisica quantistica alcune proprietà fondamentali della materia hanno mostrato la loro natura discreta, in particolare con l’invenzione del “quanto di energia” ad opera del fisico tedesco Max Planck (1858-1947). Ma man mano che si riducono gli ingrandimenti della lente utilizzata dagli scienziati per indagare la struttura dell’universo materiale, ricompare come per magia il continuum delle forme, almeno per quanto concerne il loro apparire. La realtà materiale circostante tuttavia è discreta o è continua? Tutto sembra portare verso la natura discreta. Caos o zoo di particelle elementari, fotoni, elettroni, protoni, neutroni, atomi, molecole, macromolecole, proteine, DNA, cellule, organi, corpi, pianeti, sistemi solari, galassie, super ammassi di galassie, ammassi di super ammassi di galassie, l’Universo, il Multiverso.

Probabilmente la materia non è né continua né discreta in sé, ci appare in una modalità o in un’altra in maniera schizoide, a seconda di quali proprietà vogliamo estrapolare. Questo è ben noto quando si iniziò a discutere del “dualismo onda-particella”. La sensazione è la stessa che si ha quando si ha a che fare con le “oscillazioni cognitive” a seguito di illusioni ottiche, ad esempio, guardando un pavimento a cubi tridimensionali con un lato scuro.

Ai giorni nostri come stanno le cose?

L’iper-matematizzazione della realtà, conseguente all’avvento dei calcolatori, ha rafforzato il paradigma secondo il quale la realtà materiale che ci circonda è discreta. Per quanto concerne la Cosmologia si parla ormai di “Bit Bang” ovvero, in principio era il “Bit”, creatore di tutte le cose. Questa visione, come appena accennato, scaturisce dalla tendenza nel mondo scientifico a trovare teorie e leggi sempre più fondamentali e inglobative. Fondamentale nella scienza talvolta è sinonimo di astratto. Per questo motivo la Teoria dell’Informazione portata alla ribalta da Claude Shannon (1916-2001), nata in concomitanza con i mutamenti di paradigma d’inizio secolo scorso e maturata con l’avvento dei calcolatori sembra essere la teoria matematica per eccellenza che riesce al meglio a rispondere alla voglia di astrazione degli scienziati e dei fisici nel descrivere le leggi fondamentali del mondo fisico.

Seth Lloyd, professore di ingegneria meccanica al Massachusetts Institute of Technology (MIT) nel suo celebre saggio “Programming the Universe” partendo dalla teoria dell’informazione immagina l’Universo fisico come il più grande “computer quantistico ” esistente.

Charles Seife, divulgatore scientifico, in “La scoperta dell’Universo” illustra con semplicità l’importanza di una teoria matematica fondamentale che spieghi i fenomeni fisici e mostra come la teoria dell’informazione, tramite i legami stretti con teorie fisiche come la termodinamica e quindi con il concetto di energia-entropia, possa essere utile come substrato a tutte le teorie fisiche.

Dal punto di vista teoretico possono risultare estremamente utili i lavori del matematico Gregory Chaitin, come “Omega” o resoconti tradotti in italiano sul suo pensiero come “Teoria Algoritmica della Complessità”, che portano al consolidamento di quella che è stata definita “Filosofia Digitale”, oltre che informano il grande pubblico sulla nuova scienza della Teoria Algoritmica dell’Informazione.

Una discussione è presente in Sublimina.it è può essere reperita nell’articolo “Filosofia Digitale e Teoria Algoritmica dell'Informazione, Deduzione e Induzione” dove tratta dell'emergere della una nuova branca della filosofia a seguito delle recenti scoperte operate nel campo della Teoria Dell'Informazione (la Filosofia Digitale) ed è portata avanti da teorici come il suddetto G. Chaitin e A. Kolmogorov.

Due opere molto interessanti che discutono l’informazione anche nei suoi aspetti algoritmici legati al concetto di “Complessità” anche nella Scienza dei Sistemi, sono: di F. Vaio, S. Bartugia, “Complessità e Modelli” e, a cura di Roberto Barbanti, Luciano Boi e Mario Neve, “Paesaggi della Complessità”.

In ultimo, ma sicuramente non per importanza, il fisico e divulgatore J. D. Barrow in “Teorie del Tutto” si interroga sull’esistenza e sulla possibilità, da parte dell’essere umano, di scoprire una cosiddetta Teoria del Tutto (TOE, Theory Of Everything). Un breve articolo di commento su Sublimina.it inerente questo argomento è “Theory Of Everything” .

In definitiva, gli autori sopra citati, molti dei quali scienziati nell’arena, ci mostrano come di nuovo, quello che è cambiato è un paradigma scientifico, che è anche parte di una metafora: da un Universo post rivoluzione industriale costituito da una grossa pentola sul fuoco (termodinamica) si è passati con il fisico Albert Einstein (1879-1955) ad un Universo come una gigantesca e precisa macchina ad orologeria (Teoria della Relatività). L’avvento della fisica quantistica, mostra l’Universo fondamentale (in prima approssimazione) come un insieme di oscillatori armonici, la rivoluzione dei calcolatori, non in ultimo, ci presenta un Universo discreto e digitale costituito (in prima approssimazione) da bit. La commistione tra fisica fondamentale, quindi tra mondo quantistico e calcolatori indicano uno dei paradigmi più accreditati che è quello di un Universo come gigantesco computer quantistico.

Quindi ad oggi pare che in principio era il bit.

Dal punto di vista tecnologico come sono messe le cose? Un ingegnere elettronico o informatico può affermare che “in principio era l’Elettronica Digitale” costituita da porte logiche o flip-flop? E’ molto difficile addurre ragioni a questa affermazione.

Come nasce allora il mondo digitale che ha reso possibile le strabilianti tecnologie della comunicazione, ha consentito di fare passi giganteschi nelle più svariate discipline, come medicina, biologia o economia, solo per citarne solo alcune?

Ritorniamo per un attimo alla visione “schizoide” accennata in precedenza secondo la quale la realtà circostante a volte ci appare come discreta (particelle) a volta come continua (onde). Bisogna cercare adesso, di fare un estremo viaggio di fantasia, come se ruotassimo la manopola di ingrandimento di un microscopio (che man mano diventa un macroscopio, o meglio telescopio), e cercare di partire dalle particelle elementari, effettuare tutti i passaggi ed arrivare all’intero universo. A quale ingrandimento bisogna fermarsi per inquadrare il punto della discussione? Intendo, dove la scienza e la tecnologia hanno posizionato il loro bisturi per creare il nostro mondo digitale, l’elettronica di consumo, gli smartphone internet, i social network e i blog?

Dal punto di vista tecnologico, l’era dell’informazione è oggi possibile grazie all’invenzione di un preciso componente elettronico: il transistore (o transistor). Esso sostituì le valvole termoioniche utilizzate anche nei primi supercalcolatori oltre che nelle prime radio oggi definite “d’epoca”. L’effetto finale era lo stesso: ottenere un componente che potesse fungere da interruttore per il passaggio di corrente, ma il processo fisico per ottenere ciò è differente. Le valvole in linea di principio agiscono sul controllo del flusso di elettroni, all’interno di un “tubo a vuoto”, tra anodo e catodo, i transistori si basano su proprietà quantistiche che risiedono in strati di silicio “drogati” opportunamente. I transistori hanno permesso la costruzione di circuiti bistabili utili alla memorizzazione dei nostri bit e alla possibilità di operare calcoli con essi, tutto ciò in maniera sempre più miniaturizzata. Oggi la grandezza di un transistore all’interno di un processore (CPU) nei nostri smartphone è dell’ordine del nanometro ed è costituito da pochi atomi.

Ci si chiedeva quindi quale era l’ “ingrandimento” giusto per indagare il fenomeno che ha portato a tutto ciò che di elettronico ci circonda. Il transistore è l’elemento fondamentale a livello materiale. Un elemento meno tangibile ma molto importante è che è stata una vera e propria conquista per la scienza e la tecnologia è il controllo del “rumore”.

Ma che cosa è questo rumore?

Un esempio può chiarire le idee, ma le nuove generazioni digitali avranno grossi problemi a comprenderlo. Ricordate la neve sugli schermi dei vecchi televisori analogici quando non erano sintonizzati su nessuna emittente attiva? Bene quello è definito “rumore elettronico”. In pratica lo schermo di quei televisori mostrava il “brulichio” degli elettroni nei circuiti elettronici del televisore stesso. Lo stesso effetto, a livello sonoro è quando la radio a FM non è sintonizzata su nessuna frequenza attiva: il forte fruscio è “rumore elettronico” proveniente dallo stesso brulichio. Da dove proviene questo brulichio? La materia che comunemente definiamo inanimata, è tutt’altro che inanimata! Gli atomi sono elementi molto dinamici e il brulichio e dato dall’energia cinetica degli elettroni degli atomi. Tale fenomeno dipende da alcuni fattori, tra cui il più importante è la temperatura in cui il circuito elettronico è immerso. Tutto ciò è ormai descritto molto efficacemente in Fisica ed due approfondimenti, qui su Sublimina.it, sono: l’articolo “Il Rumore Bianco”, in cui è presente una discussione approfondita con le formule principali sul rumore nei “resistori” e quindi nei circuiti; “Studio di un Processo Aleatorio Bianco con la correlazione”, in cui vi è anche un po’ di codice di programmazione, in linguaggio Matlab, per fare qualche esperimento (simulato!).

In definitiva in qualsiasi elemento elettronico che possiede una resistenza (caratteristica dei conduttori, a differenza dei materiali isolanti, dal punto di vista elettrico) vi è una differenza di potenziale elettrico misurabile con un Voltmetro. Essa è piccolissima e oscilla intorno al valore nullo. Quindi se discretizzate il tempo e prendete una misura ogni secondo (o anche ogni microsecondo) potreste imbattervi in una serie di valori del tipo :[+0,01, -0,005, …. +0,03, +0,005, -0,009, …]. Questo è solo un esempio con numeri a caso; l’unità di misura è il Volt, forse però qui sarebbe più appropriato il microvolt. Dicevo che sono numeri a caso quelli inventati da me, ma sono numeri a caso anche quelli che vi restituisce il Voltmetro! La legge di probabilità deriva, riprendendo quanto si affermava in precedenza, da proprietà inerenti il materiale, alcune costanti fondamentali della natura e dalla temperatura circostante[1]. Più essa è bassa più il brulicare elettronico, cioè il rumore diventa meno importante, fino ad arrivare allo zero assoluto: 0 Kelvin (–273,15 °C). A questa temperatura teorica l’energia cinetica nelle particelle costituenti la materia raggiunge il suo valore minimo. Le proprietà resistive dei conduttori mutano anch’esse diventando per l’appunto super-conduttori. Allo zero assoluto il consumo di energia del vostro smartphone sarebbe dimezzato proprio perché, per la Legge di Joule, a temperature meno proibitive, metà energia della batteria su disperde in calore (aumento entropico), dissipato dai circuiti, nell’ambiente esterno.

L’altra conquista più grande, quindi, è il controllo del rumore termico. Questo è uno dei motivi per cui la logica dei calcolatori moderni è “binaria”. Ovvero gli stati possibili dei circuiti logici costituenti i computer sono solo due e i numeri con cui ha a che fare il processore centrale sono numeri binari. Nel passato sono stati proposti calcolatori anche con logiche decimali, ma il problema fu il contrasto del rumore. Perché? Immaginate che uno stato sia dato da due possibili valori di tensione in uscita ad un circuito. Se invece di soli due valori ne aveste dieci (uno dei primi supercalcolatori a valvole termoioniche, l’Eniac, aveva una logica base dieci), il brulichio di cui parlavamo in precedenza genererebbe errori in quanto alla differenza di tensione pre-impostata si sommerebbe il rumore che farebbe andare il circuito in uno stato casuale. Certamente con le tecniche moderne questo fenomeno relativo a quello che si chiama processo di quantizzazione, potrebbe essere controllato, ma risulta molto più economico ed efficiente avere solo due stati. Il rumore tutt’ora crea errori, i cosiddetti “errori hardware” nei calcolatori, ma in numero differente se la logica fosse superiore al binario. Inoltre questi vengono corretti a livello logico dai cosiddetti “codici ciclici di correzione” aggiungendo informazione ridondante al flusso di dati che viaggia nei circuiti, informazione che permette la rilevazione e spesso la correzione di questi errori. Quest’ultima è una delle conquiste della teoria dell’informazione e si può tranquillamente aggiungere come colonna portante dell’era digitale. Senza i codici a correzione non esisterebbero le applicazioni multimediali e probabilmente neanche internet, probabilmente il telegrafo resisterebbe ma con una efficienza veramente scarsa. Questa parte, prometto di approfondirla in un altro articolo.

Il rumore termico è come un fluido che tende a scappare da qualsiasi recipiente in cui viene versato, è un mostro difficile da ingabbiare, ma con astuzia può essere addomesticato, perlomeno tenuto sotto controllo. Tale controllo permette in definitiva a questo blog di sussistere.

Il digitale esiste quindi, tutti ne sperimentiamo l’esistenza, ma è importante tenere a mente che sussiste in quanto sussiste una strategia di controllo al brulichio degli elettroni che costituiscono una materia tutt’altro che inanimata!

In definitiva, la diatriba tra continuo e discreto rimarrà tale chissà per quanto tempo, proprio perché legata a quelli che sono gli archè di ogni filosofia, i cui influssi si “sentono” anche in solide e comprovabili teorie fisiche. I computer, però, li abbiamo inventati noi Esseri Umani e comprendere come sia possibile la tecnologia digitale è un tantino più semplice del cercare di capire quello che può sussistere nella mente di un possibile Essere Supremo Creatore.



[1] Se si considera che il rumore sia prodotto dall'agitazione termica degli elettroni in un resistore ideale con resistenza R a temperatura T allora: N0 = 2RKT e prende il nome di spettro di densità di potenza bilatero, dove K è la costante di Boltzman (1.38x10-23 [(Watt/Hz/°K)]).


Hanno detto..

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