Η περιέργεια ανοίγει το «παράθυρο» της μνήμης. How curiosity changes the brain to enhance learning

Σύμφωνα με τους επιστήμονες, η περιέργεια ανοίγει ένα «παράθυρο» στη μνήμη διευκολύνοντας την αφομοίωση νέων στοιχείων και ενισχύοντας παράλληλα τη διαδικασία της μάθησης. Curiosity helps learning and memory, scientists say. Anonymous painter, 15th century – Cahiers de Science et Vie no. 114.

Όσο μεγαλύτερη περιέργεια έχει κάποιος γύρω από ένα θέμα, τόσο ευκολότερο είναι για τον ίδιο να αφομοιώσει πληροφορίες που σχετίζονται με αυτό. Τα νέα ευρήματα έρχονται από ερευνητές του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Ντέιβις και σύμφωνα με αυτά, η περιέργεια ενισχύει την ικανότητα της μάθησης αλλά και τη μνήμη μας.

«Βάσει των αποτελεσμάτων μας φάνηκε ότι η περιέργεια – μια μορφή εγγενούς κίνητρου – επηρεάζει τη μνήμη. Με τη βοήθεια των συγκεκριμένων ευρημάτων θα μπορούσαμε να βρούμε νέους τρόπους για να ενισχύσουμε π.χ. τη διαδικασία της μάθησης μέσα σε μια τάξη ή σε άλλα περιβάλλοντα» εξηγεί ο κύριος συγγραφέας της μελέτης δρ Ματίας Γκρούμπερ.

Η περιέργεια… τόνωσε τη μνήμη

The more curious we are about a topic, the easier it is to learn information about that topic. New research provides insights into what happens in our brains when curiosity is piqued. The findings could help scientists find ways to enhance overall learning and memory in both healthy individuals and those with neurological conditions. “Our findings potentially have far-reaching implications for the public because they reveal insights into how a form of intrinsic motivation – curiosity – affects memory,” said Dr Matthias Gruber, who is the first author of the paper published in the journal Neuron. Credit: © Sergey Nivens / Fotolia

Στο πλαίσιο της μελέτης, οι εθελοντές κλήθηκαν να αξιολογήσουν τα επίπεδα της περιέργειάς τους απαντώντας σε ερωτήσεις γνώσεων και αναγνωρίζοντας πρόσωπα στο πλαίσιο μιας δοκιμασίας μνήμης. Κατά τη διάρκεια του πειράματος οι ερευνητές ήταν σε θέση να παρακολουθούν τις εγκεφαλικές διεργασίες των εθελοντών με τη βοήθεια απεικονιστικών μεθόδων.

Φάνηκε λοιπόν ότι όταν οι εθελοντές εμφάνιζαν αυξημένη περιέργεια ως προς την απάντηση μιας ερώτησης, αφομοίωναν καλύτερα την συγκεκριμένη πληροφορία. Σύμφωνα με τους ειδικούς αρκετά εντυπωσιακό ήταν το «παράθυρο» που άνοιγε κατά τη διέγερση της περιέργειας στη μνήμη. Οι «περίεργοι» εθελοντές φάνηκε πως ήταν σε θέση να αφομοιώνουν ακόμα και άσχετες πληροφορίες που συναντούσαν και για τις οποίες δεν εμφάνιζαν ιδιαίτερο ενδιαφέρον.

«Η περιέργεια ενδεχομένως να βάζει τον εγκέφαλο σε μια κατάσταση η οποία του επιτρέπει να συγκρατεί οποιαδήποτε πληροφορία, και ως δίνη με το σωστό κίνητρο ρουφάει οτιδήποτε είμαστε διατεθειμένοι να μάθουμε, αλλά και οτιδήποτε άλλο υπάρχει γύρω από αυτό» αναφέρει ο δρ Γκρούμπερ.

Ανοίγοντας το «παράθυρο» της αφομοίωσης

Researchers reported increased activity in the hippocampus, as well as increased interactions between the hippocampus and reward circuit. The image is for illustrative purposes only and shows a microscope image of a human hippocampus. Credit: MethoxyRoxy

Τα απεικονιστικά στοιχεία που συνέλεξαν οι ερευνητές έδειξαν ότι κατά τη διέγερση της περιέργειας, η περιοχή του εγκεφάλου που σχετίζεται με την ανταμοιβή εμφάνιζε αυξημένη δραστηριότητα. Το συγκεκριμένο εγκεφαλικό «δίκτυο» βασίζεται στη ντοπαμίνη – νευροδιαβιβαστής του εγκεφάλου, υπεύθυνος για τη μεταφορά μηνυμάτων ανάμεσα στους νευρώνες. Οι ειδικοί εντόπισαν ακόμα, αυξημένη δραστηριότητα στην περιοχή του ιππόκαμπου, η οποία σχετίζεται με τη δημιουργία νέων αναμνήσεων.

«Η περιέργεια, λοιπόν, φάνηκε να ενεργοποιεί το σύστημα ανταμοιβής του εγκεφάλου αλλά και τη συνεργασία ανάμεσα σε αυτό και την περιοχή του ιππόκαμπου, γεγονός το οποίο θέτουν τον εγκέφαλο σε μια κατάσταση που οδηγεί στη μάθηση και στην συγκράτηση πληροφοριών – ακόμα και πληροφοριών που μπορεί να μην θεωρούμε σημαντικές τη συγκεκριμένη στιγμή» λέει ο κύριος ερευνητής της μελέτης δρ Τσαράν Ρανγκανάθ.

Τα ενδιαφέροντα ευρήματα των ερευνητών παρουσιάζονται στο επιστημονικό έντυπο «Neuron».

Ιμπρεσιονισμός στη ζωγραφική και Αστρονομία. The birth of Impressionism calculated to the nearest minute

Claude Monet, Impression, Soleil Levant, 1872. Photo: Musée Marmottan Monet, Paris, © Christian Baraja, Ancienne collection Ernest Hoschedé, Ancienne collection Georges de Bellio

Η στιγμή που άλλαξε για πάντα την τέχνη, και έδωσε όνομα στο καλλιτεχνικό ρεύμα του ιμπρεσιονισμού, καθορίστηκε με ακρίβεια χάρη στα όπλα της επιστήμης.

Ο αστροφυσικός Ντόναλντ Όλσον, καθηγητής στο τμήμα Φυσικής του Πολιτειακού Πανεπιστημίου του Τέξας, υπολόγισε την ακριβή ημέρα και ώρα που ο Κλοντ Μονέ ζωγράφισε το έργο «Impression, Soleil Levant» («Εντύπωση, Ανατολή Ηλίου»). «Αυτός ο πίνακας είναι ένα σύμβολο. Δεν είναι μόνο ένας πίνακας του Μονέ, αλλά το σύμβολο της γέννησης ενός από τα σπουδαιότερα καλλιτεχνικά ρεύματα στον κόσμο» λέει η Μάριαν Μάθιου, υποδιευθύντρια και επικεφαλής των συλλογών του Μουσείου Μαρμοτάν Μονέ του Παρισιού, όπου από τα τέλη Σεπτεμβρίου και για τέσσερις μήνες πραγματοποιείται έκθεση αφιερωμένη στη «βιογραφία» του συγκεκριμένου πίνακα.

Το πρωί της 13ης Noεμβρίου του 1872, στις 7.35 π.μ., ζωγράφισε ο Μονέ τον διάσημο πίνακα, σύμφωνα με τους υπολογισμούς του Όλσον. Όπως αναφέρει ο ίδιος ο Μονέ το 1897: «Είχα κάτι που ζωγράφισα από το παράθυρό μου στη Χάβρη: ο ήλιος μέσα από την πάχνη και στo προσκήνιο ξεχωρίζουν μερικά κατάρτια. Ήθελαν να ξέρουν τον τίτλο για τον κατάλογο [της έκθεσης], [διότι] δεν έπειθε εύκολα για άποψη της Χάβρης. Απάντησα “Χρησιμοποιήστε Εντύπωση”».

Οι κριτικές

«Δεν υπάρχει πια ζωγραφική» ήταν ένα από τα πολλά αρνητικά σχόλια των κριτικών τέχνης που ακούστηκαν το 1874 στην πρώτη έκθεση της ομάδας των καλλιτεχνών, που ονομάστηκαν αργότερα ιμπρεσιονιστές, όπου εκτέθηκε και το έργο Impression, Soleil Levant. Οι κριτικοί της εποχής δεν εκτίμησαν τη ζωγραφική τους, τη θεώρησαν ανολοκλήρωτη και ασαφή, τους κατηγόρησαν ότι δίνουν απλά μία εντύπωση. «Μπορείς να δεις την κατεύθυνση του πινέλου πάνω στη ζωγραφιά, δεν είναι ένας λείος πίνακας» λέει η Μάθιου, εξηγώντας ότι οι συγκεκριμένοι καλλιτέχνες ήταν οι πρώτοι που άρχισαν να δουλεύουν πιο γρήγορα, σε εξωτερικούς χώρους και με μικρότερους καμβάδες. «Στο επίκεντρο του έργου δεν είναι το θέμα, αλλά το φως», προσθέτει. «Ο ιμπρεσιονισμός, ως όρος, από τη γέννησή του, ήταν υποτιμητικός».

Ένα πέπλο μυστηρίου τυλίγει εδώ και χρόνια το συγκεκριμένο έργο του Μονέ, το οποίο έχει αποτελέσει αντικείμενο συχνής αντιπαράθεσης μεταξύ των ιστορικών τέχνης. Ζωγραφίστηκε το 1872 ή το 1873; Ήταν άνοιξη ή φθινόπωρο; Δείχνει το ηλιοβασίλεμα ή την ανατολή;

Πιθανές ημερομηνίες

Portrait photograph of the French impressionist painter Claude Monet by Nadar, 1899.

Συνδυάζοντας στοιχεία σχετικά με τη θέση του Ήλιου, τις διακυμάνσεις της παλίρροιας και τις καιρικές συνθήκες, με ιστορικές φωτογραφίες, χάρτες της Χάβρης και την ακριβή θέση του μπαλκονιού του Μονέ, ο Όλσον κατάφερε να εντοπίσει μία προς μία όλες τις πιθανές ημερομηνίες μεταξύ 1872 και 1873 που θα μπορούσε να απεικονίζει ο πίνακας και με τη μέθοδο της εις άτοπον απαγωγής κατέληξε στη 13η Noεμβρίου του 1872.

Ο ίδιος ο Μονέ δίπλα στην υπογραφή του είχε γράψει «’72», αλλά μαρτυρίες από τα ταξίδια του και η ελάχιστη αλληλογραφία που σώθηκε από εκείνη την περίοδο, έκαναν τον σημαντικό ιστορικό τέχνης Ντάνιελ Βιλντενστάιν να εκτιμήσει ότι το έργο φιλοτεχνήθηκε το 1873. Επίσης, τα θολά χρώματα και οι ασαφείς πινελιές έκαναν δύσκολο να διευκρινιστεί η εποχή του χρόνου που απεικονίζεται. «To έργο μέχρι το 1959 έφερε τον τίτλο “Εντύπωση, Δύση Ηλίου”», λέει η Μάθιου. «Η χρονολόγηση του έργου, η οποία ήταν υπό αμφισβήτηση εδώ και 40 χρόνια, ήταν μία πολύ σημαντική υπόθεση για το Μουσείο μας. Όμως εμείς, σαν ιστορικοί τέχνης, δεν μπορούσαμε να ρωτήσουμε τον ήλιο για αποδείξεις», καταλήγει η ίδια εξηγώντας ότι για τη διαλεύκανση του μυστηρίου τα όπλα της επιστήμης και της αστρονομίας ήταν πολύτιμα.

Στην υπηρεσία της τέχνης

Ο αστροφυσικός Ντόναλντ Όλσον, καθηγητής στο Πολιτειακό Πανεπιστήμιο του Τέξας, μπροστά στον πίνακα του Κλοντ Μονέ, «Impression, Soleil Levant», τον οποίο κατάφερε να χρονολογήσει με ακρίβεια έπειτα από 15ετή επιστημονική και ιστορική έρευνα.

Ο αστροφυσικός Ντόναλντ Όλσον εδώ και χρόνια χρησιμοποιεί τα εργαλεία της αστρονομίας για να λύσει μυστήρια στην τέχνη, την ιστορία και τη λογοτεχνία. To 2011 επιβεβαίωσε την ανάμνηση της συγγραφέως Μαίρης Σέλεϊ ότι το φεγγαρόφωτο διαπερνούσε το παράθυρό της το βράδυ που ξύπνησε από τον εφιάλτη που την ενέπνευσε να γράψει το «Φρανκενστάιν». Το 2010 συνέδεσε την αναφορά «τεράστια παράξενη παρέλαση μετεωριτών» του Αμερικανού ποιητή Ουόλτ Ουίτμαν στην ποιητική συλλογή «Φύλλα Χλόης», με μία σπάνια βροχή μετεωριτών που σημάδεψε τον ορίζοντα το 1860. Το 2004, ο Όλσον βρέθηκε στην Αθήνα για να υπολογίσει την ακριβή ημερομηνία της λήξης της Μάχης του Μαραθώνα στηριζόμενος σε στοιχεία που έδωσε ο Ηρόδοτος σε σχέση με τη φάση της Σελήνης. To 2003, συνέδεσε τον έντονα πορτοκαλί ουρανό στο έργο «Κραυγή» του Νορβηγού ζωγράφου Εντβαρντ Μουνκ με την έκρηξη του ηφαιστείου Κρακατόα.

«Το έργο αυτό με προβληματίζει για περισσότερα από 15 χρόνια» λέει ο Όλσον, ενώ στέκεται μπροστά στον πίνακα του Μονέ στην έκθεση στο Παρίσι και με την ικανοποίηση χαραγμένη στο πρόσωπό του αποκαλύπτει βήμα προς βήμα όλη τη διαδικασία της εξιχνίασης του μυστηρίου και της επιστημονικής του έρευνας.

Το μπαλκόνι από όπου ζωγράφιζε

The Hotel d’Amirauté au Havre where Monet stayed. Photo: Bibliothèque municipale du Havre.

Παρά τους δεκάδες χάρτες, τις πάνω από 400 ιστορικές φωτογραφίες του λιμανιού της Χάβρης, τις ακριβείς μετρήσεις του προσανατολισμού της ανατολής του Ηλίου και των λεπτομερών υπολογισμών της παλίρροιας του λιμανιού, δεν θα ήταν δυνατή η χρονολόγηση του πίνακα μέχρι πριν από λίγους μήνες, όταν ο καθηγητής Όλσον βρήκε αναρτημένα στο Διαδίκτυο δύο στοιχεία που του έλυσαν τα χέρια. «Ήταν σημαντικό για τους υπολογισμούς μας να γνωρίζουμε πού ακριβώς στέκονταν ο Μονέ όταν ζωγράφιζε τον πίνακα» λέει ο ίδιος, δείχνοντας ενθουσιασμένος μία φωτογραφία που αγόρασε πρόσφατα από το γαλλικό ebay και απαθανατίζει την πρόσοψη του ξενοδοχείου όπου διέμενε ο Μονέ κατά τη διάρκεια των ταξιδιών του στη Χάβρη το διάστημα 1872-1873. «Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια σε αυτή την έρευνα ήταν ότι η πόλη της Χάβρης εξαφανίστηκε από βομβαρδισμό κατά τη διάρκεια του Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Δεν μπορούσαμε να πάμε και να δούμε με τα μάτια μας τη θέα από το μπαλκόνι», λέει ο Όλσον.

Γνωρίζοντας τη γωνία υπό την οποία ο Μονέ αντίκρισε και ζωγράφιζε την ανατολή, ο Όλσον κατάφερε να προσδιορίσει τη θέση του ανατέλλοντος Ηλίου. Όπως εξηγεί, οι αστρονόμοι χρησιμοποιούν μία συντεταγμένη, το αζιμούθιο, για να προσδιορίσουν την κατεύθυνση της πυξίδας. Σύμφωνα με τις μετρήσεις του, μόνο στα μέσα Νοεμβρίου και στα τέλη Ιανουαρίου ο Ήλιος ανατέλλει στο σημείο του ορίζοντα που απεικονίζεται στον πίνακα. «Ο Μονέ ζωγράφισε τον πίνακα μεταξύ 7.30 π.μ. και 8.30 π.μ.» λέει ο Όλσον που υπολόγισε ότι ο Ήλιος βρίσκεται 2 με 3 μοίρες πάνω από τον ορίζοντα, το οποίο αντιστοιχεί σε 20 -30 λεπτά μετά τη στιγμή της εμφάνισης του Ήλιου.

Η ομίχλη στον καμβά

Monet would have looked across the outer harbour, facing towards the Quai Courbe, to the southeast, as in this postcard.

Εκτός από τη θέση του Ήλιου, ένα ακόμα στοιχείο κρυμμένο μέσα στον πίνακα απέκλεισε αρκετές ημερομηνίες του Νοεμβρίου και του Ιανουαρίου του 1872 και του 1873. Μέσα από την ομίχλη στον καμβά του Μονέ, διαφαίνονται κατάρτια μεγάλων ιστιοφόρων πλοίων να εισέρχονται στο λιμάνι της Χάβρης. Κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί μόνο κατά τη διάρκεια υψηλής παλίρροιας, σε ένα περιθώριο 3-4 ωρών. «Το παλιρροιακό φαινόμενο στο λιμάνι της Χάβρης είναι πολύ έντονο. Δεν έχει καμία σχέση με τη διακύμανση της παλίρροιας που παρατηρείται στην Ελλάδα. Στην ακτή αυτή της Γαλλίας η στάθμη της θάλασσας μπορεί να ανεβαίνει και να κατεβαίνει από 3 έως 6 μέτρα, ενώ σε κάποια σημεία ακόμα και 10 μέτρα.»

«Τα τελευταία στοιχεία που μας επέτρεψαν να λύσουμε το μυστήριο ήταν μετεωρολογικά δεδομένα του 19ου αιώνα για το λιμάνι της Χάβρης που αναρτήθηκαν πρόσφατα στο Διαδίκτυο» λέει ο Όλσον. Ψάχνοντας για ημέρες με συννεφιά και υγρασία, αλλά όχι καταιγίδες, οι αρχικώς 19 πιθανές ημερομηνίες, περιορίστηκαν στις έξι.

«Νόμιζα ότι εκεί θα σταματούσα, με αυτές τις έξι εναλλακτικές. Ένα πρωί όμως, ενώ ακόμα ήμουν ξαπλωμένος στο κρεβάτι μου, διαπίστωσα ότι δεν είχα χρησιμοποιήσει το στοιχείο της διεύθυνσης του ανέμου» λέει ο Όλσον, δείχνοντας τον καπνό από 2-3 φουγάρα στο αριστερό μέρος του πίνακα, τα οποία φανερώνουν ότι ο άνεμος φυσούσε από τα ανατολικά.

 The port of La Havre, late 19th century.

«Αυτό απέκλεισε άλλες τέσσερις ημερομηνίες και έμεινα με δύο εναλλακτικές, μία τον Νοέμβρη του 1872 και μία τον Ιανουάριο του 1873», λέει ο Όλσον, ο οποίος σε αυτό το σημείο της έρευνας άφησε το Μουσείο Μαρμοτάν να έχει τον τελευταίο λόγο. Σεβόμενοι τη χρονολογία που έδωσε ο ίδιος ο Μονέ, όρισαν ως πιο πιθανή ημερομηνία για τη δημιουργία του πίνακα την 13η Noεμβρίου του 1872, στις 7.35 π.μ. «Το να εξετάζω ένα προϊόν τέτοιας υψηλής τέχνης κάνει τη ζωή μου πλουσιότερη. Με κάνει να φαντάζομαι ότι βρίσκομαι σε εκείνο το μπαλκόνι και κοιτώ τη θάλασσα δίπλα στον Μονέ» λέει ο Όλσον.

Πηγές: kathimerini.gr – theartnewspaper.com

Παγετώνες «σμίλεψαν» το Γκραν Κάνιον του Άρη. Glaciers in the Grand Canyon of Mars?

Στο Valles Marineris υπήρχαν κάποτε παγετώνες που έλιωσαν και το... σμίλεψαν. For decades, planetary geologists have speculated that glaciers might once have crept through Valles Marineris, the 2000-mile-long chasm that constitutes the Grand Canyon of Mars. Using satellite images, researchers have identified features that might have been carved by past glaciers as they flowed through the canyons; however, these observations have remained highly controversial and contested. Valles Marineris, Mars. Credit: NASA

Ερευνητές στις ΗΠΑ ανακάλυψαν νέα ενδιαφέροντα ευρήματα για το Valles Marineris το εντυπωσιακό φαράγγι του Άρη που είναι και το μεγαλύτερο του ηλιακού μας συστήματος.

Γιγάντιο

Named after the Mariner 9 Mars orbiter of 1971/1972, Valles Marineris is one of the largest systems of canyons in the solar system. It is located on the Martian equator and stretches for a quarter of the planet’s circumference. This image of Valles Marineris was taken by Nasa's Viking orbiter in June 1992.

Πρόσφατες παρατηρήσεις έδειξαν ότι το Valles Marineris είναι πολύ βαθύτερο από όσο πιστεύαμε. Με βάση προηγούμενες παρατηρήσεις οι ειδικοί είχαν υπολογίσει αρχικά ότι το Valles Marineris έχει μήκος 3.000 χλμ., πλάτος 200 χλμ. και βάθος 7 χλμ. Λίγο αργότερα οι μετρήσεις αναθεωρήθηκαν και οι ειδικοί έκαναν λόγο για μήκος 4.000 χλμ. και βάθος 8 χλμ. Οι τελευταίες παρατηρήσεις που έκανε ο δορυφόρος Mars Express του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος δείχνουν ότι το μήκος και πλάτος του φαραγγιού είναι αυτά που έχουν υπολογιστεί μέχρι τώρα αλλά το βάθος του είναι ακόμη μεγαλύτερο αφού σε κάποια σημεία του φτάνει τα 10 χλμ.! Συγκριτικά, το Γκραν Κάνιον στην Αριζόνα έχει μήκος 446 χλμ., 29 χλμ. πλάτος, και το μέγιστο βάθος του φτάνει τα 1.800 μέτρα.

Οι παγετώνες

Research led by Dr Selby Cull from Bryn Mawr College in Philadelphia suggests that part of Valles Marineris may have played host to an ancient glacier. Evidence comes from a mineral called jarosite found half way up the cliff wall (shown), which may have been the top of an ancient glacier that has long since disappeared.

Προηγούμενες παρατηρήσεις είχαν υποδείξει την παρουσία παγετώνων στο γιγάντιο φαράγγι στο πολύ μακρινό παρελθόν του Άρη. Κάποια οι παγετώνες στιγμή έλιωσαν προκαλώντας τεράστιες πλημμύρες οι οποίες … σμίλεψαν τα τοιχώματα του. Ερευνητές του Κολεγίου Bryn Mawr στην Πενσιλβάνια μελετώντας δεδομένα που έστειλε ο δορυφόρος MRO της NASA υποστηρίζουν ότι εντόπισαν στο φαράγγι ιζήματα η σύνθεση των οποίων επιβεβαιώνει την παρουσία των παγετώνων.

The mineral known as jarosite must have been desposited by highly acidic water at low temperature - and a glacier is the best explanation. Dr Cull says it could not have been a regular water flow such as a river as it would have had to fill half the deep canyon (Ius Chasma shown in image).

Οι ερευνητές εκτιμούν ότι η θερμότητα από τα τοιχώματα του φαραγγιού προκάλεσαν το λιώσιμο των παγετώνων. Στη συνέχεια ο λιωμένος πάγος αλληλεπίδρασε με το θείο που υπήρχε στην πρώιμη ατμόσφαιρα του Κόκκινου Πλανήτη. Έτσι σύμφωνα με τους ερευνητές το λιωμένο από τους πάγους νερό ήταν άκρως τοξικό. Η μελέτη δημοσιεύεται στην επιθεώρηση «Geology».

Παρατηρήθηκε τo σωματίδιο του Ettore Majorana. New Particle Discovered After 80 Years Of Searching

Το κυνήγι του φερμιονίου Majorana άρχισε από την δεκαετία του 1930, όταν ο Ιταλός φυσικός Ettore Majorana προέβλεψε πως ένα σταθερό σωματίδιο θα μπορούσε να είναι τόσο ύλη όσο και αντιύλη. Έκτοτε πλήθος σωματιδίων παρατηρήθηκε, όμως η έμπνευση του Majorana παρέμενε άπιαστη. Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 2010… Ettore Majorana, who hypothesised the existence of Majorana fermions in 1937.

O Ettore Majorana (Έττορε Mαγιοράνα) γεννήθηκε στις 5 Αυγούστου του 1906 στην Κατάνια της Σικελίας. Από μικρός έδειξε ότι επρόκειτο για μια μεγαλοφυΐα, ένα παιδί-θαύμα, κυρίως εξαιτίας των ικανοτήτων του στα μαθηματικά. Το 1928 παράτησε τη σχολή των πολιτικών μηχανικών και αποφάσισε να γίνει θεωρητικός φυσικός. Εντάχθηκε στην ομάδα του Enrico Fermi στο Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου της Ρώμης, και έγινε ένα από τα «παιδιά της οδού Πανισπέρνα».

Οι εκπληκτικές ικανότητες του Ettore στα μαθηματικά και η διαίσθησή του στη φυσική του προσέδωσαν μια αύρα «θεόσταλτου ταλέντου», πέρα από τις ανθρώπινες δυνατότητες. Φαινόταν σαν υπεράνθρωπος που απλώς «συναντούσε» τις απαντήσεις εκεί που οι άλλοι έπρεπε να τις αναζητήσουν, να εργαστούν σκληρά, χωρίς καν να είναι σίγουροι ότι θα τις έβρισκαν.

Enrico Fermi (at left) with a group of physicists that includes Ettore Majorana, by the Leaning Tower of Pisa, date unknown. Photograph by Nello Carrara, courtesy AIP Emilio Segrè Visual Archives. Donated by Eugenio Carrara.

Η πρώτη του εργασία δημοσιεύθηκε το 1928 όταν ακόμα ήταν προπτυχιακός φοιτητής και ήταν σχετική με μια διαφορική εξίσωση του Fermi που κατέχει κεντρική θέση στο στατιστικό μοντέλο Thomas–Fermi για το άτομο.

Το 1932 οι Irène Joliot-Curie και Frédéric Joliot πραγματοποίησαν πειράματα τα οποία έδειχναν την ύπαρξη ενός άγνωστου σωματιδίου. Και ενώ οι Joliot νόμισαν ότι πρόκειται για ακτίνα γ, ο Majorana ήταν ό πρώτος που ερμήνευσε σωστά το πείραμα θεωρώντας ένα νέο σωματίδιο, χωρίς ηλεκτρικό φορτίο και μάζα περίπου όση το πρωτόνιο. Αυτό το σωματίδιο ήταν το νετρόνιο. Ο Fermi υπέδειξε στον Majorana να γράψει ένα σχετικό άρθρο, αλλά αυτός δεν το έκανε. Τελικά ο James Chadwick απέδειξε πειραματικά την ύπαρξη του νετρονίου ένα χρόνο μετά και βραβεύθηκε με το Nobel φυσικής για την ανακάλυψη αυτή.

Ο Majorana δεν ενδιαφερόταν να δημοσιεύει όλες τις ιδέες του, που ενώ τις περισσότερες φορές ήταν πρωτότυπες και μοναδικές ο ίδιος τις θεωρούσε κοινότυπες. Έτσι, συνολικά δημοσίευσε μόνο 9 εργασίες στην διάρκεια της ζωής του.

Στις αρχές του 1933 ο Majorana πήγε στη Λειψία, συνάντησε τον Heisenbeg με τον οποίο έγιναν φίλοι, και στη συνέχεια επισκέφτηκε την Κοπεγχάγη όπoυ συνεργάστηκε με τον Niels Bohr.

Όμως, το φθινόπωρο του 1933 επέστρεψε στην Ιταλία με την υγεία του σε κακή κατάσταση, με οξεία γαστρίτιδα και νευρική εξάντληση. Για 4 χρόνια απομονώθηκε και διέκοψε τις σχέσεις με τους φίλους του και δεν έκανε καμία δημοσίευση.

Επέστρεψε στην ακαδημαϊκή ζωή ως καθηγητής θεωρητικής φυσικής στο πανεπιστήμιο της Νάπολης, παρακάμπτοντας τις τυπικές διαδικασίες διορισμού, λόγω της εξαιρετικής φήμης και εμπειρίας που απέκτησε στον τομέα της θεωρητικής φυσικής.

Το 1938 ο ιδιοφυής φυσικός Ettore Majorana, καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Nάπολης, επιβιβάστηκε στο φέρυ μπόουτ που κάνει τη διαδρομή Nάπολη – Παλέρμο. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του. Ettore Majorana was maybe the most brilliant student of Enrico Fermi, and an outstanding physicist. He disappeared on March 25th 1938 at the age of 32 years, under mysterious circumstances and leaving no trace behind. The hypothesis that he committed suicide appears weak in the face of his withdrawing a conspicuous amount of money from his bank on the eve of his disappearance -he had a rational mind and such an action would have made little sense. Other hypotheses include an escape to Argentina, and even a collaboration with the third reich in Germany, where he had previously worked -Majorana had expressed anti-jew ideas in the past.

Ενώ η τελευταία εργασία του Majorana δημοσιεύθηκε το 1937, σχετικά με μια συμμετρική θεωρία των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων, ένα χρόνο μετά στις 27 Μαρτίου του 1938 ο Majorana εξαφανίστηκε μυστηριωδώς κατά τη διάρκεια της μετάβασής του με πλοίο από το Παλέρμο στη Νάπολη. Από τότε αγνοούνται τα ίχνη του. Οι έρευνες δεν οδήγησαν πουθενά, το πτώμα του δεν βρέθηκε ποτέ, άλλοι μιλάνε γι’ αυτοκτονία και άλλοι ότι κρύφτηκε στη Νότιο Αμερική…

Το σωματίδιο Majorana

Οι φυσικοί του πανεπιστημίου Princeton (από αριστερά ο μεταπτυχιακός φοιτητής Ilya Drozdov, ο μεταδιδακτορικός ερευνητής Sangjun Jeon, και οι καθηγητές B. Andrei Bernevig και Ali Yazdani) ποζάρουν μπροστά στο ισχυρότατο μικροσκόπιο σάρωσης με το οποίο “είδαν” το σωματίδιο Majorana. Princeton University physicists built a powerful imaging device called a scanning-tunneling microscope and used it to capture an image of an elusive particle that behaves simultaneously like matter and antimatter. To avoid vibration, the microscope is cooled close to absolute zero and is suspended like a floating island in the floor above. The setup includes a 40-ton block of concrete, which is visible above the researchers. The research team includes, from left, graduate student Ilya Drozdov, postdoctoral researcher Sangjun Jeon, and professors of physics B. Andrei Bernevig and Ali Yazdani. (Photo by Denise Applewhite, Office of Communications)

Ο Majorana, εκτός των άλλων, εισήγαγε μια κυματική εξίσωση, την εξίσωση Majorana – παρόμοια με την εξίσωση Dirac – η λύση της οποίας οδηγεί στην ύπαρξη ουδέτερων σωματιδίων, με σπιν ½ που ταυτίζονται με τα αντισωματίδιά τους. Αποκαλούνται φερμιόνια Majorana.

Ακόμα και σήμερα, οι φυσικοί ερευνούν αν υπάρχουν νετρίνα που έχουν τις ιδιότητες του σωματιδίου Majorana, ενώ υπάρχουν υπερσυμμετρικές θεωρίες που απαιτούν την ύπαρξη φερμιονίων Majorana ως υπερσυμμετρικούς συντρόφους μποζονικών πεδίων με σπιν 0 ή 1.

Two Majorana fermions (orange balls) are formed at the end of the nanowire. Electrons enter the nanowire from the Gold contact, and meet the Majorana fermion on the way. If the electron has the wrong energy (red ball), it is reflected back into the contact. If it has the right energy (green balls), it can go through the Majorana fermion via a special interaction. © TU Delft 2012

Τον Απρίλιο του 2012 ερευνητές ανακοίνωσαν ότι κατέγραψαν μια ροή ηλεκτρονίων σε ένα εξαιρετικά λεπτό ημιαγώγιμο καλώδιο, που συμπεριφερόταν σαν φερμιόνια Majorana.

Κάτι παρόμοιο ανακοίνωσαν προχτές ερευνητές του πανεπιστημίου Princeton στο περιοδικό Science με την εργασία τους “Observation of Majorana fermions in ferromagnetic atomic chains on a superconductor”. Σύμφωνα με την μελέτη αυτή, κατάφεραν να παρατηρήσουν το μόνο φερμιόνιο που συμπεριφέρεται και σαν ύλη και σαν αντιύλη, ένα επίτευγμα που θα μπορούσε να χρησιμεύσει την κατασκευή κβαντικών υπολογιστών.

Το πείραμα αποκάλυψε την ατομική δομή του σύρματος σιδήρου πάνω σε μια επιφάνεια μολύβδου. Το μεγεθυμένο τμήμα της εικόνας απεικονίζει την πιθανότητα του να περιέχεται στο σύρμα το φερμιόνιο Majorana. Το σωματίδιο εντοπίζεται στην άκρη του σύρματος όπως προβλέπουν οι θεωρητικοί υπολογισμοί. The experiment revealed the atomic structure of the iron wire on a lead surface. The zoomed-in portion of the image depicts the probability of the wire containing the Majorana fermion. Importantly, the image pinpoints the particle to the end of the wire, which is where it had been predicted to be over years of theoretical calculations. (Image courtesy of Ali Yazdani Lab)

Για να εντοπίσουν το σωματίδιο Majorana οι ερευνητές του Princeton χρησιμοποίησαν ένα μικροσκόπιο ύψους δύο ορόφων, συλλαμβάνοντας την εικόνα του στην άκρη ενός πολύ λεπτού σύρματος, ακριβώς εκεί όπου προέβλεπε η θεωρία.

Σύμφωνα με τον Ali Yazdani: «αυτός είναι ο πιο άμεσος τρόπος για να εντοπίσει κανείς τα φερμιόνια Majorana, δεδομένου ότι αναμένεται να εμφανιστούν στην άκρη ορισμένων υλικών. Αν θέλετε να βρείτε αυτό το σωματίδιο μέσα σε ένα υλικό θα πρέπει να χρησιμοποιήσετε ένα τέτοιο μικροσκόπιο».

Εκτός από τις επιπτώσεις στη θεμελιώδη φυσική, αυτή η ανακάλυψη θα βοηθήσει σημαντικά στην εξέλιξη της κατασκευής κβαντικών υπολογιστών. Στους κβαντικούς υπολογιστές αντί για το bit που παίρνει δυο τιμές 0 και 1, χρησιμοποιείται το qubit που εκτός από τις τιμές των καταστάσεων 0 και 1 (π.χ. η κατάσταση ενός ηλεκτρονίου με σπιν πάνω παριστάνει το 0 και η κατάσταση με σπιν κάτω το 1), μπορεί να βρίσκεται και στην υπέρθεση αυτών των δυο καταστάσεων. Και ενώ από την μια μεριά αυτή η δυνατότητα δίνει τεράστιες υπολογιστικές δυνατότητες, από την άλλη μια κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης είναι πολύ εύκολο να καταρρεύσει εξαιτίας των αλληλεπιδράσεων με τα κοντινά υλικά.

Επειδή τα φερμιόνια Majorana είναι πολύ σταθερά και αλληλεπιδρούν ασθενώς με το περιβάλλον τους, σύμφωνα με τους επιστήμονες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως qubit, θέτοντας μια νέα βάση για την κβαντική πληροφορική.

Το βίντεο δείχνει πως οι ερευνητές τοποθετούν πρώτα άτομα σιδήρου σε μια επιφάνεια μολύβδου ώστε να δημιουργηθεί ένας λεπτός, ατομικών διαστάσεων, υπεραγωγός στη θερμοκρασία των -272ο C. Στη συνέχεια χρησιμοποίησαν το μικροσκόπιό τους για να δημιουργήσουν ένα μαγνητικό πεδίο και να καθορίσουν το σήμα που δείχνει την παρουσία του φερμιονίου Majorana. Princeton University researchers first deposited iron atoms onto a lead surface to create an atomically thin wire. They then used a scanning-tunneling microscope to create a magnetic field and to map the presence of a neutral signal that indicates the presence of Majorana fermions, which appeared at the ends of the wire. Credit: Ilya Dorzdov, Yazdani Lab, Princeton University

Σύμφωνα με τον Yazdani, η παρατήρηση του φερμιονίου Majorana δεσμευμένου μέσα σε ένα υλικό είναι κάτι εντελώς διαφορετικό σε σχέση με τα σωματίδια που ανακαλύπτονται στους επιταχυντές, όπου σωματίδια συγκρούονται με πολύ μεγάλες ταχύτητες, παράγοντας καινούργια σωματίδια.

Το σωματίδιο Majorana μέσα στο υπεραγώγιμο υλικό εξαρτάται – ή αναδύεται – από τις συλλογικές ιδιότητες των ατόμων και των δυνάμεων που αναπτύσσονται μέσα στο υλικό. 

Τέτοιου είδους «εν δυνάμει» σωματίδια επειδή προκύπτουν από τις συλλογικές ιδιότητες του υλικού, δεν μπορούν να υπάρξουν έξω αυτό.

Πηγές: www.princeton.edu – Joao Magueijo, «Ο άνθρωπος νετρίνο», εκδόσεις Τραυλός, 2009.

Η φυσική πίσω από τον ήχο της ηλεκτρικής κιθάρας. The physics of lead guitar playing

String bends, tapping, vibrato and whammy bars are all techniques that add to the distinctiveness of a lead guitarist's sound, whether it's Clapton, Hendrix, or BB King. Now a guitarist and physicist has described the physics underlying these techniques.

Η ηλεκτρική κιθάρα είναι ένα όργανο που κυριαρχεί στη ροκ μουσική και είναι παρούσα σχεδόν σε όλα τα είδη μουσικής.

Σε αντίθεση με το πιάνο, το οποίο μπορεί να παίξει μόνο διακριτές νότες, η ηλεκτρική κιθάρα, όταν την χειρίζεται κάποιος σαν τον Jimi Hendrix ή τον Eric Clapton, μπορεί να μιμηθεί την ανθρώπινη φωνή.

Electric guitar playing is ubiquitous in practically all modern music genres. In the hands of an experienced player, electric guitars can sound as expressive and distinct as a human voice. Unlike other more quantised instruments where pitch is a discrete function, guitarists can incorporate micro-tonality and, as a result, vibrato and sting-bending are idiosyncratic hallmarks of a player. Similarly, a wide variety of techniques unique to the electric guitar have emerged. While the mechano-acoustics of stringed instruments and vibrating strings are well studied, there has been comparatively little work dedicated to the underlying physics of unique electric guitar techniques and strings, nor the mechanical factors influencing vibrato, string-bending, fretting force and whammy-bar dynamics. In this work, models for these processes are derived and the implications for guitar and string design discussed. The string-bending model is experimentally validated using a variety of strings and vibrato dynamics are simulated. The implications of these findings on the configuration and design of guitars is also discussed.

Ο David Robert Grimes από το πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, δημοσίευσε μια μελέτη με τίτλο: «String Theory – The Physics of String-Bending and Other Electric Guitar Techniques», στην οποία εξηγεί εφαρμόζοντας απλές αρχές φυσικής, γιατί η ηλεκτρική κιθάρα βγάζει αυτόν τον μοναδικό ήχο.

Αν βαριέστε να διαβάσετε την εργασία του Grimes, μπορείτε να παρακολουθήσετε την σύντομη παρουσίαση της έρευνας από τον ίδιο, στo βίντεο (διάρκειας 2,5 λεπτών).