La comunicazione fisica


Parleremo qui degli aspetti fisici della comunicazione considerando la tematica del comunicare dal punto di vista sistemico, cioè dal punto di vista dei componenti principali che caratterizzano questo tipo di  comunicazione: l'emettitore, il portatore del messaggio e il ricevitore. Prima, però, è necessaria una premessa chiarificatrice circa lo studio della comunicazione fisica.

Com'è noto, per realizzare un processo comunicativo sono indispensabili alcuni elementi fondamentali senza i quali non si può parlare di comunicazione. Essi sono: un emittente, un destinatario, un messaggio, un codice e un canale di comunicazione. Quest'ultimo rappresenta, come abbiamo detto sopra, il mezzo fisico che mette in relazione emittente e destinatario. Canali di comunicazione diversi sono: aria, onde radio, cavo telefonico, luce, ecc... Senza canale non sarebbe possibile nessuna situazione comunicativa, poiché il messaggio non giungerebbe ai sensi del destinatario.

Il primo aspetto importante da considerare è lo studio separato dei tre componenti della comunicazione fisica, iniziando dal portatore del messaggio: si tratta esso di corpo materiale o di onda. A questo proposito diciamo che si distinguono alcune differenze notevoli nei due casi. In primo luogo un diverso meccanismo; in secondo luogo una diversa velocità di trasmissione; infine, un diverso impatto cosiddetto ambientale (il corpo materiale può liberare per esempio nell'ambiente materia (molecole che diffondono) che inizialmente era immagazzinata altrove, producendo un'alterazione della chimica ambientale. L'onda generalmente può invece liberare energia (per assorbimento producendo pertanto un altro tipo di alterazione.

Spostiamo adesso la nostra attenzione e il nostro interesse sulle onde, iniziando dalle onde meccaniche. E' necessario a questo proposito studiare il comportamento delle onde dal punto di vista dei fenomeni peculiari della natura ondulatoria, quali la riflessione, rifrazione,  assorbimento, ecc... cercando di capire quali proprietà del mezzo possono giustificarne la propagazione. Un'onda molto importante è quella sonora che consente di realizzare ecografie, analisi non distruttive di materiali, ecc..

Ma il tipo di onda più importante è quella elettromagnetica, come la "comunicazione radio", e la sua proprietà di propagarsi nel vuoto. Una delle più importanti tipologie di comunicazione che la società odierna utilizza a piene mani è la cosiddetta "comunicazione elettromagnetica". La trattiamo qui, e in modo molto superficiale, perchè ai nostri giorni è la più importante sia perchè permette una comunicazione veloce (telefonata, e-mail, telegiornali, ecc...), sia perchè è sfruttata dai nuovi media (internet, chat, newsgroup, posta elettronica, videoconferenza, ecc..). 

Essa è una forma di comunicazione che intercorre tra un emittente e un destinatario quando il canale di comunicazione è costituito da onde elettromagnetiche prodotte da un campo elettrico e magnetico fortemente variabile nel tempo che si propagano nello spazio vuoto alla velocità della luce (c=299 792 458 m/s) che è, com'è noto, dalla teoria della relatività ristretta di Einstein, la massima velocità possibile nel nostro Universo. La comunicazione elettromagnetica è pertanto una comunicazione che avviene sfruttando il particolarissimo canale fisico che è costituito dalle onde elettromagnetiche (e.m. waves) emesse da un opportuno dispositivo elettromagnetico (circuito oscillante) come la radio o la televisione, il radar, ecc.... 

Accenniamo brevemente anche ad altri canali di comunicazione anch'essi molto importanti. Abbiamo la comunicazione audio che sfrutta come  canale il "suono", la comunicazione visiva che adopera come canale la "luce" (che a rigore è anch'essa un'onda e.m. ma di frequenza maggiore di quella della radio o della televisione), la comunicazione "grafica" che sfrutta come canale le "immagini", i disegni o qualunque altra forma iconica che permette di trasportare informazione sotto forma visiva. Anche in quest'ultimo caso il mezzo che permette il trasporto fisico della comunicazione è la luce e si ritorna in definitiva al canale elettromagnetico.

Dal punto di vista fisico la comunicazione che sfrutta il canale elettromagnetico è stata scoperta teoricamente da J.C. Maxwell, il grande fisico scozzese che visse e operò a Londra, nella seconda metà dell'Ottocento. Egli dimostrò che tutta la teoria della comunicazione elettromagnetica (costituita da campi elettrici e magnetici fortemente variabili nel tempo) può essere costituita a partire da quattro equazioni fondamentali che qui richiamiamo per motivi di curiosità. Esse sono:

(1)

(2)

(3)

(4)

che sono chiamate il «sistema delle equazioni di Maxwell». Esse si leggono così: la (1) e la (2) affermano che i flussi dei campi  elettrici e magnetici attraverso una superficie chiusa sono rispettivamente i secondi membri delle equazioni (1) e (2). Queste equazioni sono conosciute come il «teorema di Gauss» per il campo elettrico e per il campo magnetico. La (3) e (4) forniscono invece la circuitazione dei vettori campo elettrico e magnetico che assumono valori dipendenti dalle variazioni dei flussi del campo magnetico ed elettrico. In poche parole si può dire che tra campo elettrico E e campo magnetico B esiste una simmetria profonda in grado di realizzare da una variazione di uno dei due campi l'altro, e dalla variazione del secondo il primo. In queste condizioni, se in un punto P dello spazio il campo elettrico E oscilla,  nei punti immediatamente vicini al punto P si crea un campo magnetico B anch'esso oscillante. Questo fenomeno, descritto e previsto dalle equazioni di Maxwell, dà luogo a un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio alla velocità di circa 300 000 km/s, trasportando energia sotto forma elettrica e magnetica come nei fenomeni di elettrizzazione di una penna di plastica strofinata con un panno e del magnetismo originato da calamite (o quasi). Le onde elettromagnetiche  una volta emesse, hanno un'esistenza propria che non dipende più dalle cause che l'hanno prodotta e si muovono nello spazio con la velocità della luce nel vuoto. In altri mezzi, come l'acqua o il vetro, la velocità diminuisce in proporzione a un coefficiente ottico, chiamato indice di rifrazione n, che caratterizza il mezzo ottico nel quale il campo elettromagnetico vibra trasversalmente. Le onde e.m. sono onde trasversali, mentre quelle acustiche sono longitudinali.

La quantità 1/(ε0 μ0)½ determina la velocità delle onde elettromagnetiche c=299 792 458 m/s che è proprio la velocità della luce nel vuoto.

Lo spettro elettromagnetico è l'insieme di tutte le onde e.m. possibili e immaginabili. Esso consiste di:

Le onde elettromagnetiche sono un formidabile  strumento, estremamente rapido e veloce, che permette di trasportare informazioni a distanza. Esistono due modalità di veicolare un'informazione mediante le onde radio. Esse sono:

Il telefono cellulare non è altro che un dispositivo e.m. che trasmette onde e.m. in modulazione di frequenza mediante onde radio a cortissima lunghezza d'onda.

Nei cellulari GSM a doppia banda (900 MHz e 1 800 MHz) il segnale radio trasmesso è digitale e non analogico, come quello di un CD musicale e come tale trasmesso mediante un sistema binario del tipo  10010100.

E' evidente che la comunicazione ha anche molto a che vedere con l'informazione e  con le telecomunicazioni, nel senso di trasmissione a distanza di informazioni.  Evidentemente il tema è ampio e complesso e qui può solo essere sfiorato. F. Buffa (1) a questo proposito afferma:  [...] ma cos'è l’informazione? Informare è un’espressione verbale che viene dal latino e vuol dire ”dare forma a qualcosa”.   Modellare  una cosa che prima era informe. L’opinione che avevamo  su un argomento, era prima indeterminata,  confusa, l’informazione, invece, le dà forma. Oggi, più precisamente, intendiamo per “informazione” qualunque cosa che sia in grado di eliminare un’incertezza.Sono informazioni le notizie riportate dai giornali e delle quali, naturalmente, il lettore non era prima al corrente. In questo modo il giornale comunica al cittadino delle notizie che contribuiscono ad eliminare incertezze ad esempio sulla stabilità della lira, sulla politica, sul governo, sulla disoccupazione, ecc. La corrente elettrica trasmessa da un filo telefonico racchiude l’informazione che un utente vuol comunicare a chi lo ascolta. Un’immagine televisiva racchiude una grande quantità d’informazioni di vario tipo: forme, colori, movimenti, suoni, dati, ecc. Oggi, nel campo delle telecomunicazioni, è necessario dare alle informazioni un’unità di misura per effettuare confronti sulla quantità di informazione al fine di ottimizzare la sua velocità di trasmissione.Come si misura l’informazione? Come si può scegliere la sua unità di misura? Per rispondere a queste domande bisogna ritornare alla definizione di informazione e cioè qualsiasi cosa che possa eliminare un’incertezza. Si trasmette maggiore informazione quando si elimina una maggiore incertezza. Ma quando si ha una maggiore incertezza e quando una minore?Si ha una maggiore incertezza quando si possono verificare un maggior numero di eventi diversi e si ha una minore incertezza se gli eventi possibili sono di meno. Dunque si ha maggiore informazione se si comunica un evento molto improbabile e minore informazione se si comunica un evento che poteva realizzarsi con facilità.

La minima informazione allora è la scelta fra due sole possibilità e assume il nome di  BIT  che è una sintesi delle due parole inglesi  BINARY  DIGIT che vuol dire cifra binaria. Dunque si definisce  BIT  l'unità di informazione intesa come la  scelta effettuata fra due soli eventi, simboleggiati  di norma, dalle cifre binarie 0 e 1. Nasce il problema, una volta determinata l'unità di informazione, di misurare la quantità di informazione racchiusa nella scelta fra un numero di possibilità maggiori di due. La quantità  di informazione racchiusa nella scelta di uno fra tanti simboli, è data dal numero di  BIT  necessari per rappresentare, con le loro varie combinazioni, tutti i simboli dati. Supponiamo che si debba scegliere fra 8 simboli: i numeri  da 0 a 7. Ebbene, quanti  BIT  sono necessari per rappresentare 8 numeri diversi? Dalla tabellina seguente, nota a tutti gli studiosi di aritmetica binaria, si deduce che la risposta è, naturalmente, 3.

n 1° bit 2° bit 3° bit
0 0 0 0
1 0 0 1
2 0 1 0
3 0 1 1
4 1 0 0
5 1 0 1
6 1 1 0
7 1 1 1

 Questo in quanto:    23 = 8   e quindi:    3 = log2 8

La quantità di informazione, misurata in bit, in questo caso 3, è dunque l'esponente da dare a due, per ottenere il numero di combinazioni, in questo caso 8, fra le quali si effettua la scelta. Ingenerale, allora, la quantità Q di informazione racchiusa nella scelta di una fra M  possibilità equiprobabili  è:

Q =  log2 M

Se invece gli eventi che possono verificarsi non sono equiprobabili, allora l'informazione connessa alla scelta di uno fra  M  simboli o eventi è diversa a seconda del simbolo scelto o dell'evento verificatosi in quanto diversamente probabile. In tal caso si parla di informazione media statistica, assume il nome di ENTROPIA  e si indica con la lettera H. Questo concetto è applicato negli alfabeti delle varie lingue: inglese, francese, tedesco, italiano, ecc. dove i vari caratteri, A, B, C, D, ... sono diversamente probabili, e questa probabilità è diversa nelle varie lingue. La pi rappresenta la probabilità, che è diversa caso per caso, che venga scelto il carattere i-esimo fra  M  caratteri diversi e non equiprobabili. Si dimostra invece che se i caratteri diventano equiprobabili, l'ENTROPIA assume il valore massimo possibile, e l'informazione Q, contenuta nella scelta di un carattere fra M equiprobabili, è di nuovo:

 Q =  log2  M

La quantità di informazione, misurata in bit, in questo caso 3, è dunque l'esponente da dare a due, per ottenere il numero di combinazioni, in questo caso 8, fra le quali si effettua la scelta.

In generale, allora, la quantità Q di informazione racchiusa nella scelta di una fra M  possibilità equiprobabili  è:

Q =  log2 M

Se invece gli eventi che possono verificarsi non sono equiprobabili, allora l'informazione connessa alla scelta di uno fra  M  simboli o eventi è diversa a seconda del simbolo scelto o dell'evento verificatosi in quanto diversamente probabile.

In tal caso si parla di informazione media statistica, assume il nome di entropia  e si indica con la lettera H.

Questo concetto è applicato negli alfabeti delle varie lingue: inglese, francese, tedesco, italiano, ecc. dove i vari caratteri, A, B, C, D, ... sono diversamente probabili, e questa probabilità è diversa nelle varie lingue.

La pi rappresenta la probabilità, che è diversa caso per caso, che venga scelto il carattere i-esimo fra  M  caratteri diversi e non equiprobabili.

Si dimostra invece che se i caratteri diventano equiprobabili, l'entropia assume il valore massimo possibile, e l'informazione Q, contenuta nella scelta di un carattere fra M equiprobabili, è di nuovo:

 Q =  log2  M

(1) v. http://www.ilmondodelletelecomunicazioni.it/informazione_file/informazione.htm


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