Laboratorio di fisica · Esperimento 8
Una moltiplicazione che rifaresti con la calcolatrice del telefono. Due partenze quasi identiche, la stessa regola applicata più volte: dopo pochi passi le previsioni non hanno più niente in comune. E misurare meglio, per allontanare quel momento, serve molto meno di quanto pensi.
La regola del passo x → 4x(1−x) · Stanislaw Ulam e John von Neumann, 1947 (la forma con parametro 4) · Edward Lorenz, 1963 (dipendenza sensibile in un sistema deterministico) · Robert May, 1976 (la mappa logistica come modello di popolazione)
1 · Scegli quanto bene hai misurato la partenza
2 · Prima di far girare qualsiasi cosa, scommetti
A quale passo, secondo te, le due previsioni si separeranno per sempre?
30 passi
3 · Fai tu la moltiplicazione, un passo alla volta
la tua previsione il gemello quasi identico ┊ la tua scommessa
Ogni punto è un passo. Non è una linea continua: fra un passo e l'altro non c'è nulla, la traiettoria è fatta solo di questi punti.
Quanti passi ti compra questa misura
— passi
4 · Duemila passi: il tempo contro il clima
Abbandona i valori uno per uno e guarda la statistica: due traiettorie che non hanno più nulla in comune, punto per punto, danno la stessa fotografia complessiva.
Tempo sotto 0,1 · la tua previsione
—
Tempo sotto 0,1 · il gemello
—
Valore teorico: (2/π) × arcsin(√0,1) ≈ —. Due numeri praticamente identici, calcolati da due traiettorie che al passo duemila non condividono più una sola cifra.
5 · Le formule di questo laboratorio
La regola del passo
x_nuovo = 4 × x × (1 − x) x sta fra 0 e 1; 4 è il parametro della formula, tenuto fisso — ed è il suo valore estremo, non una scelta neutra (vedi più sotto perché).
Come cresce lo scarto, passo per passo (formula esatta, non approssimata)
d_nuovo = 4 × d × (1 − x − y) x e y sono i due numeri delle due previsioni a questo passo; d = y − x. 4 × (1 − x − y) è il fattore di ingrandimento di questo singolo passo: può valere quasi 4 oppure quasi 0. Moltiplicando fra loro i fattori di tanti passi, ciascuno vale in media 2 (è una media dei prodotti, non delle somme: la media aritmetica del fattore è un altro numero, 2,55).
In media, dopo n passi
d_n ≈ d₀ × 2ⁿ Il "circa" vuol dire "in media": passo per passo non è vero, e lo vedrai succedere nella tua tabella qui sopra.
Quanti passi puoi prevedere
N = log₂(1 / d₀) log₂ di un numero = quante volte devi raddoppiare 1 per arrivarci. Se sbagli di un milionesimo: N = log₂(1 000 000) = 19,93, cioè circa venti passi.
La formula esatta della traiettoria (per chi vuole controllare)
x_n = sin²(2ⁿ × arcsin(√x₀)) Ogni passo raddoppia esattamente un angolo. Il 2 del raddoppio non è un modo di dire: è scritto dentro la formula.
Il clima, cioè la statistica
frazione di tempo passata sotto il valore x = (2/π) × arcsin(√x) Per x = 0,1 dà 0,2048: la traiettoria passa il 20% del tempo nel decimo più basso, e solo il 6,4% nel decimo centrale.
Un foglio di carta è spesso un decimo di millimetro. Piegalo in due venti volte — cioè raddoppia venti volte, esattamente quello che fa lo scarto fra le due previsioni — e lo spessore diventa —: un palazzo di trenta piani. Piegalo 53 volte, i passi che regge un computer, e diventa —, sei volte la distanza fra la Terra e il Sole, oltre l'orbita di Giove.
E nel frattempo tu, per fare quei venti passi con la calcolatrice del telefono, ci hai messo tre minuti. Tutta la capacità di previsione che ti dà una misura precisa al millimetro su un chilometro si esaurisce in tre minuti di conti a mano.
Dentro non c'è nessun caso: è una moltiplicazione che faresti con la calcolatrice del telefono, e se rifai i conti tornano identici a chiunque altro li rifaccia, oggi e fra cent'anni. Eppure due partenze che differiscono di un milionesimo, dopo venti passi, valgono — e —.
Ma la parte davvero controintuitiva è un'altra, ed è quantitativa: misurare meglio serve quasi a niente. Passare da "un millimetro su un chilometro" a "un atomo sulla lunghezza del tuo braccio" significa misurare 6000 volte meglio — una precisione che nessun laboratorio al mondo raggiungerebbe su un fenomeno reale — e ti compra — passi in più. Ogni volta che dimezzi l'errore guadagni esattamente un passo. Uno solo.
Lo stesso vale per il computer, in modo ancora più netto: si ferma al passo 53 non perché sia lento, ma perché i suoi numeri hanno 53 cifre binarie. Partendo da 0,2, un calcolo in doppia precisione e un calcolo di riferimento molto più preciso restano d'accordo fino verso il cinquantesimo passo, poi si staccano: al passo 53 valgono — e —. Uno un miliardo di volte più veloce si ferma allo stesso identico passo. L'orizzonte della previsione non cresce con la fatica che ci metti: cresce con il logaritmo della fatica, ed è una crescita così lenta che a un certo punto conviene smettere di spingere.
Lo stesso ragionamento spiega perché le previsioni del tempo si fermano a circa due settimane. Con un errore iniziale pari all'1% della variabilità tipica e un tempo di raddoppio dell'errore assunto costante e pari a due giorni: log₂(100) = 6,64 raddoppi, per — giorni, coerente col limite pratico attuale di circa dieci giorni. È una stima d'ordine di grandezza, fragile come cifra: con un giorno e mezzo di raddoppio si ottengono dieci giorni, con due giorni e mezzo si arriva a diciassette.
E la cosa che la fisica ancora non sa bene. Che le statistiche di un sistema caotico rispondano in modo regolare quando si cambia un parametro — che è esattamente la domanda "come cambia il clima se cambio la composizione dell'aria" — non è garantito in generale: per sistemi di questo tipo è materia di ricerca aperta, non un teorema. E per le equazioni che descrivono un fluido, perfino domande di base sul comportamento delle soluzioni sono ancora problemi aperti della matematica, non risolti da nessuno. Qui non ci sono scorciatoie: né in questo laboratorio né altrove.
| Caso | Deve dare |
|---|---|
| Primi tre passi a mano (x₀ = 0,2) | 0,64 · 0,9216 · 0,28901376 |
| Gemello a un milionesimo, primo passo | lo scarto si moltiplica ×2,4 |
| Il passo che smentisce il raddoppio (11 → 12) | lo scarto si riduce di 24 volte |
| Venti passi con un millimetro su un chilometro | 0,820014 e 0,031369 |
| Il computer si ferma al passo 53 | 0,095380 e 0,615035 |
| Misurare 6000 volte meglio | +12,55 passi |
| Il clima resta fermo mentre il tempo crolla | ≈0,205 per entrambe le traiettorie |
| Il foglio piegato 53 volte | 9,007×10¹¹ metri |