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sabato 1 agosto 2020

La scienza di Dark


In una piovosa cittadina tedesca, al limitare di un bosco, scompaiono misteriosamente dei bambini.
Nel frattempo un uomo si uccide e un altro arriva in città... e la locale centrale nucleare rischia di dover chiudere.
Questo l'incipit di una delle serie tv di maggior successo degli ultimi anni, dove alberi genealogici, misteri da svelare, viaggi nel tempo e litri di pioggia si intrecciano alle storie personali di un gruppo di personaggi dei più svariati.
Ma questo non è un sito cinematografico e quindi non vi parlerò della qualità della serie, né della sua trama, né delle sue svolte di trama.
Questo è un sito scientifico e, proprio come dice il titolo, si parlerà di scienza, in particolare della scienza che più o meno in modo accurato gli autori hanno inserito nella loro creatura come filo conduttore della trama e vero e proprio motore della storia.


I viaggi nel tempo e la Teoria della Relatività

L’eterna corrente trascina sempre con sé tutte le epoche attraverso entrambi i regni e in entrambi le sovrasta. 
[Elegie duinesi - R.M. Dilke]

Penso che chiunque abbia anche solo sentito nominare la serie, pur senza averla vista, sa che Dark parla di viaggi nel tempo.
In realtà parla di molto altro, ma è innegabile che i viaggi nel tempo siano uno dei punti fondamentali della storia e a questi viene dato ampio spazio sia narrativamente che scientificamente.
Un concetto citato più volte è quello di Wormhole e si parla spesso di Teoria della Relatività.
Ma di cosa si sta parlando?

La Relatività Ristretta e, successivamente, la Relatività Generale, sono due teorie fisiche formulate da Albert Einstein nel 1905 e nel 1915.
Furono teorie rivoluzionarie per la fisica di quell'epoca perché fino a quel momento ci si era basati sulle leggi di Newton e sulla cosiddetta Relatività Galileiana, per cui le leggi matematiche che governano i fenomeni naturali sono le stesse in qualunque sistema di riferimento.
Era un periodo però di grande fermento scientifico, quello di inizio novecento, e già si era trovato che i fenomeni elettromagnetici uscivano da questo tipo di visione del mondo, ma non c'era in effetti una vera e propria teoria matematica a supportare queste evidenze.
Einstein riuscì con le sue teorie non solo a dare a questi dati un fondamento matematico, ma a rivoluzionare completamente la fisica (ma non solo!), smentendo contemporaneamente la teoria dell'Etere (una sorta di fluido invisibile che si credeva pervadesse tutto e in cui si muovevano le onde elettromagnetiche) e inoltre a introdurre il concetto di spazio-tempo.

rappresentazione semplificata
della deformazione dello
spazio-tempo
Cosa succede se lasciamo cadere una pietra? Certo, questa cade per effetto della forza di gravità terrestre. Ma cos'è davvero la gravità?
Dobbiamo considerare che la Terra non agisce direttamente sulla pietra, ma in un certo senso possiamo dire che la Terra agisce sullo spazio-tempo in cui è immersa, creando come effetto, quindi, ciò che noi chiamiamo gravità.
Immaginiamo lo spazio-tempo come un enorme telo teso, e su questo telo poniamo un peso, come ad esempio la Terra.
Questa deforma il telo creando un avvallamento.
Se ora noi mettiamo sul telo una pallina più piccola e leggera, vedremo che essa tende a finire dentro questo avvallamento creato dalla Terra pesante.
Un'altra cosa che noteremo è che man mano che la pallina si avvicina al centro dell'avvallamento (la cosiddetta singolarità), inizierà ad andare più veloce.
Ecco perché parliamo di spazio-tempo, perché non solo abbiamo una deformazione dello spazio, ma anche del tempo che non è più una costante immutabile, ma è diverso a seconda di dove ci si trova.
Se immaginiamo che la nostra pallina sia un'astronave al cui interno c'è un uomo, avremo che quest'uomo invecchia più lentamente di, diciamo, il suo fratello gemello rimasto sulla Terra.
Sono differenze piccolissime che però posso acquistare una certa rilevanza a grandissime distanze e che hanno una certa rilevanza anche nella nostra vita di tutti i giorni, perché l'aggiustamento di queste minuscole variazioni di tempo permette ai nostri dispositivi GPS di funzionare correttamente.
Naturalmente questa spiegazione è molto semplificata, certamente la Terra non è poggiata sullo spazio tempo, ma vi è immersa, e c'è parecchia matematica a supportare il tutto, fino ad arrivare alla famosissima equazione dell'Energia e della Massa E=mc^2.

Risolvendo una di queste equazioni, un assistente di Einstein, Nathan Rosen, teorizzò la possibilità di attraversare lo spazio-tempo tramite delle scorciatoie, chiamate Ponti di Einstein Rose, ma che comunemente sono conosciuti col nome Wormhole.
rappresentazione di uno wormhole
Rosen immagina di riuscire a piegare lo spazio-tempo talmente tanto da poterne avvicinare i due lembi. Per fare questo è necessaria una massa di dimensioni incredibili, come ad esempio quella di un Buco Nero (che cattura la materia senza lasciare sfuggire neanche la luce) e un Buco Bianco (che emette materia, ma non permette a nulla di entrare), uno da una parte e uno dall'altra del Wormhole.
Essendo però lo spazio e il tempo la stessa cosa, è possibile teoricamente spostarsi da un punto all'altro non solo dello spazio ma anche del tempo. Questo richiederebbe una quantità di energia enorme, impossibile a livello pratico, ma teoricamente parlando non ci sono particolari impedimenti ai Wormhole. Se la distanza esterna fra le "bocche" del Wormhole è abbastanza corta e la distanza interna all'interno del Wormhole è sufficientemente lunga, allora l'uscita si troverà in un punto del tempo precedente all'entrata.

Dal Gatto di Schrodinger agli Universi Paralleli

 Penso si possa tranquillamente affermare che nessuno capisce la meccanica quantistica 
[Richard Feynman]

A un certo punto la serie si complica ed entra in ballo la Meccanica Quantistica.
Più o meno quello che è successo nella storia della fisica, si potrebbe dire.

Niels Bohr
Durante i primi anni del '900 c'era davvero gran fermento e oltre ad Einstein molti altri fisici elaboravano teorie rivoluzionarie che spesso erano in contrasto fra loro e i cui principi risultavano non sempre chiari ( d'altronde per molti versi è ancora così quando si parla di Meccanica Quantistica).
Uno di questi fisici era Niels Bohr, il principale esponente di quella che va sotto il nome di Interpretazione di Copenaghen: secondo questa interpretazione una particella, finché non viene sottoposta a misura, non possiede una posizione definita.
Possiamo pensare di conoscere con una certa ragionevole precisione la probabilità che quella particella si trovi in un posto o in un altro, ma finché non la misureremo, quella sarà contemporaneamente (o per meglio dire, potenzialmente) ovunque.
Questo vuol dire che dobbiamo abbandonare qualsiasi pretesa di una conoscenza approfondita della realtà che ci circonda.
Einsteinperò, pur essendone uno dei fondatori, si sente un po' a disagio con la Meccanica Quantistica, e in particolare con i Salti Quantici presenti in questo tipo di interpretazione; credeva infatti che non fosse possibile per un evento essere influenzato da qualcosa da cui risulta separato da intervalli spaziali. Non è possibile che la funzione d'onda che descrive la particella venga influenzata istantaneamente in tutto lo spazio da un'osservatore che invece si trova in un punto.
Inoltre, Einstein, trovava inaccettabile l'uso della probabilità (Dio non gioca a dadi).
Einstein non perse mai l'occasione di manifestare pubblicamente la sua insoddisfazione nei confronti della teoria, e le sue discussioni con Bohr rappresentano uno degli eventi leggendari nelle cronache della Fisica moderna.
Un altro a non essere particolarmente soddisfatto dall'Interpretazione di Copenaghen era Schrodinger, che non concordava con la suddivisione in sistemi quantistici e classici, nonché dal ruolo dell'osservatore, anch'esso fatto di atomi e quindi, secondo lui, parte del sistema.
Da qui il povero e famoso gatto: in una scatola si pone un gatto, una sostanza radioattiva e un contatore Geiger; le probabilità che la sostanza radioattiva decada entro un'ora sono il 50% e se questo accade viene azionato un meccanismo che libera una sostanza velenosa in grado di uccidere il gatto. 
Finché non apriamo la scatola e non osserviamo l'interno, il gatto è contemporaneamente vivo e morto... assurdo, secondo Schrodinger.

il gatto di Schrodinger
                                      

A questo punto si inserisce un'altra interpretazione, proposta per la prima volta dal dottorando Hugh Everett, che viene chiamata dei Molti Mondi.
Everett elimina il problema del collasso della funzione d'onda ad opera di un osservatore esterno dicendo che tutti gli esiti potenziali sono realizzati, ma non tutti nello stesso universo fisico. 
Si verrebbe a creare, quindi, un multiverso di universi paralleli, che però non possono venire in contatto fra loro.
Questo è considerato un bel problema, dato che rende impossibile verificare l'idea di Everett. Inoltre Richard Feynman (un fisico statunitense, premio Nobel nel 1965) ad esempio era preoccupato dal fatto che ogni universo contenesse una copia di noi stessi.
i molti gatti
Secondo lui ognuno di noi sa in quale modo il mondo si è diviso per cui ci è possibile seguire la traccia del nostro passato. Quando facciamo un'osservazione di questa traccia, il risultato è "reale" nello stesso modo in cui lo sarebbe se l'osservazione fosse seguita da un osservatore "esterno"? Inoltre, sebbene
possiamo considerare noi stessi osservatori esterni quando guardiamo al resto del mondo, il resto del mondo include osservatori che osservano noi. Saremo sempre in accordo su ciò che vediamo? Secondo Feynman non vale nemmeno la pena di discuterne.
Tuttavia questa interpretazione ha riscosso anche molto successo, non solo fra i fisici (come ad esempio Stephen Hawking) ma soprattutto nella fantascienza che se ne è servita abbondantemente grazie proprio alla fascinazione scientifica e filosofica che si porta dietro.
Secondo David Deutsch, un fisico britannico, inoltre, ci sarebbe persino un modo per dimostrare questa teoria tramite un computer che creerebbe un fenomeno di interferenza quantistica, per cui i mondo che sono stati separati a un certo punto si ricombinerebbero... vi ricorda qualcosa? 

La Teoria del tutto

Una cosa che la serie Dark è riuscita a fare, a prescindere dalla riuscita effettiva finale, è stata prendere la Teoria della Relatività e la Meccanica Quantistica e unirle insieme in modo che convivessero e si intersecassero in un'unica trama coerente.
Una cosa che è un po' il sogno della maggior parte dei fisici.
Per ora le due teorie cardine della fisica moderna funzionano piuttosto bene nel descrivere il mondo che ci circonda nella rispettiva area di studio (l'infinitamente grande e l'infinitamente piccolo), eppure falliscono se applicate l'una all'altra.
Nemmeno a dirlo, fu Einstein il primo a cercare una teoria unificante, ma non ci riuscì e da allora ancora nessuno ce l'ha fatta, alcuni persino ritengono una tale impresa impossibile, altri ancora hanno abbandonato l'idea di una teoria unica, come Stephen Hawking il quale, dopo averla cercata per anni, decise che in fondo era meglio così:
 “Sono lieto che la nostra ricerca della comprensione non finirà mai e che avremo sempre la sfida di una nuova scoperta. Senza di essa, ristagneremmo“



 Bibliografia

  • "L'ordine del tempo", Carlo Rovelli - Adelphi
  • "Relatività: esposizione divulgativa" , Albert Einstein - Universale Bollati Boringhieri
  • "Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: a tool for teaching general relativity" , Michael S. Morris and Kip S. Thorne
  • "L'incredibile cena dei fisici quantistici" , Gabriella Greison - Salani Editore
  • "La Realtà Quantistica" , Danilo Babusci, Matteo Mascolo - INFN-Laboratori Nazionali di Frascati Via E. Fermi 40, Frascati, Italy
  • "On the Role of Entanglement in Schrodinger’s Cat Paradox" , Stefan Rinner · Ernst Werner
  • "Quantum theory, the Church-Turing principle and the universal quantum computer" , David Deutsch

giovedì 11 ottobre 2018

Matto come un cappellaio: il Mercurio e Lewis Carroll


Alice aveva sbirciato da sopra la spalla del Leprotto Marzolino con una certa curiosità. 
«Che buffo orologio!» osservò. «Dice qual è il giorno del mese, ma non dice l'ora!»
«Perché dovrebbe?» brontolò il Cappellaio. «Forse che il tuo orologio ti dice in che anno siamo?»
«No, naturalmente» rispose Alice con prontezza; «ma è perché ci sta tanto a lungo dentro lo stesso anno».
«E questo è esattamente il caso del mio orologio» disse il Cappellaio.
Alice era terribilmente perplessa. Non c'era alcun dubbio che il Cappellaio parlasse la sua stessa lingua, eppure quel discorso non aveva per lei alcun senso.

[Le Avventure di Alice nel Paese delle Meraviglie - Lewis Carroll]


Sicuramente il capolavoro di Lewis Carroll ha bisogno di poche presentazioni: fra il film di animazione Disney, il più recente di Tim Burton e svariati altri film per la tv, tutti conosciamo Alice, lo Stregatto, la Regina di Cuori e, naturalmente, il Cappellaio Matto.
Un personaggio che ha sempre lasciato il segno nei cuori dei lettori e degli spettatori, tanto da essere diventato ben più famoso della protagonista Alice e praticamente il simbolo del Paese delle Meraviglie, con la sua tuba altissima, le frasi sconnesse e la mania tutta sua per tè e orologi.
Matto come un cappellaio tra l'altro, è una frase di uso comune e lo era ancora di più nell'ottocento, l'epoca in cui Charles Dodgson, vero nome di Lewis Carroll, scriveva il suo iconico romanzo, questo perché la pazzia era, possiamo dire, una malattia professionale per i cappellai dell'epoca, che soffrivano di moltissimi sintomi psichici e fisici dovuti proprio alle sostanze chimiche usate per fabbricare i cappelli di feltro così di moda in epoca vittoriana.

Il Mercurio: un metallo magico

Prima di tutto c'è da parlare di lui: il Mercurio.

Simbolo Alchemico
del Mercurio
Questo elemento ha sempre esercitato un grande fascino sugli uomini: è un metallo dalla brillantezza simile all'argento, ma è liquido a temperatura ambiente, cosa che non accade per nessun altro metallo pesante.
Fin dall'antichità gli si attribuivano quindi proprietà magiche, si riteneva che allungasse la vita, che curasse le fratture e che conservasse la salute.
Dal nome indù del Mercurio deriva la parola alchimia e in questa pratica a metà fra la scienza e la magia il Mercurio giocava un ruolo fondamentale: rappresentava infatti l'anima (dove invece lo zolfo era lo spirito e il sale la materia) ed era considerato uno degli elementi originari da cui discendevano acqua, fuoco, terra e aria.
Nel Medioevo, inoltre, era associato agli Unicorni, creature mitiche simbolo di purezza.
Oggi sappiamo invece che il Mercurio, il cui simbolo è Hg, fa parte dei metalli di transizione (si trova cioè nella parte centrale della Tavola Periodica), ha numero atomico 80, che è l'unico metallo a essere liquido a temperatura ambiente e che è fortemente tossico, soprattutto sotto forma di metilmercurio [CH3Hg]+.


I cappellai dai capelli arancioni

Fabbricare un cappello nell'ottocento era un lavoro lungo e certosino: prima di tutto si sceglieva la pelliccia di un piccolo animale, spesso si optava per le lepri perché erano di facile reperimento e non costavano molto, dopo di che si passava alla fase detta di carotatura, cioè si immergeva la pelliccia in una soluzione arancione di nitrato di mercurio la quale faceva staccare il pelo dalla pelle, e le donava una particolare resistenza ed impermeabilità. 
Se avete visto il film di Tim Burton Alice in Wonderland sicuramente ricorderete che Johnny Depp, interprete del Cappellaio, ha una bizzarra capigliatura arancione. 
Questo non è del tutto frutto della fantasia del regista, infatti accadeva spesso che i cappellai provassero i cappelli sulle loro teste prima che fossero foderati con raso o seta, perciò il nitrato di mercurio usato per la carotatura veniva a contatto con le loro teste e i loro capelli che, col tempo, a volte assumevano proprio una colorazione arancione.



Avvelenamento da mercurio: la sindrome del cappellaio matto

La pazzia dei cappellai è stata una questione molto studiata fin dalla fine dell'ottocento.
Già nel 1938 apparve chiaro come i colpevoli per i sintomi sperimentati dei cappellai, quali tremori, cambiamenti nel comportamento e riflessi esagerati, fossero causati dall'inalazione dei vapori di Mercurio a cui erano esposti a causa della loro professione.
Il Mercurio elementare veniva assorbito tramite la pelle e i polmoni ed entrava in circolo nel sistema vascolare, da cui riusciva facilmente a raggiungere il cervello. 
Qui si accumulava, causando ingenti danni alle cellule nervose: il Mercurio attacca e disattiva, infatti, dei composti contenenti zolfo all'interno delle cellule, questo provoca a sua volta una disattivazione dei mitocondri, organelli cellulari indispensabili affinché la cellula possa produrre energia e funzionare correttamente; così danneggiata, infine, la cellula cerebrale si distrugge, provocando grandissimi danni al sistema nervoso del povero cappellaio che sperimenta cambiamenti di umore e di personalità, tremori, depressione e molti altri sintomi che identificano l'avvelenamento cronico da Mercurio.



Una sindrome così caratteristica e diffusa da aver ispirato uno dei personaggi più iconici della letteratura, ma che nella realtà ha determinato una quantità incredibile di danni per decenni, fino a che la moda non è cambiata e, soprattutto, la ricerca scientifica non ha fatto luce su un elemento tanto affascinante quanto pericoloso come il Mercurio.



Bibliografia:


            giovedì 8 marzo 2018

            Cinque donne di scienza che hanno cambiato il mondo

            Oggi è 8 Marzo ed è la Giornata Internazionale della Donna.
            Mentre c'è chi si limita a regalare mimose alle proprie amiche, molti altri invece dibattono su temi ancora troppo attuali come il femminicidio, la disparità di salari, la condizione ancora di sottomissione della donna in moltissime parti del mondo.
            Qui, su Del Carbonio e Altre Storie voglio ricordare invece che, nonostante ci sia ancora molto da fare, le donne hanno da sempre e oggi più che mai dato un contributo importante alla scienza.

            Ipazia

            Vissuta ad Alessandria d'Egitto fra il 350 e il 415 d.C. Ipàzia è stata una matematica e filosofa greca, da molti ritenuta una vera e propria martire del libero pensiero.
            Fin da bambina fu istruita dal padre nella matematica e nell'astronimia, diventando ben presto più brillante ed erudita del suo maestro, fino a divenire, già dal 393, capo della scuola filosofica Alessandrina.
            Purtroppo non ci sono giunti suoi scritti e tutto ciò che sappiamo di lei deriva da quanto scritto dal suo più fedele allievo, Sinesio, e da filosofi suoi posteriori come Socrate Scolastico che di lei dice:  «era giunta a tanta cultura da superare di molto tutti i filosofi del suo tempo, a succedere nella scuola platonica riportata in vita da Plotino e a spiegare a chi lo desiderava tutte le scienze filosofiche. Per questo motivo accorrevano da lei da ogni parte tutti coloro che desideravano pensare in modo filosofico».
            Fu così rispettata che il suo potere divenne anche in un certo senso politico e ben presto il suo insegnare pubblicamente nelle piazze una filosofia e una astronomia di chiara deriva ellenica, cioè pagana, divennero motivo di scontro fra i filosofi della scuola alessandrina, fra cui proprio Ipazia, e la Chiesa Cristiana che si era insediata ad Alessandria e che portava avanti un'opera di distruzione di qualsivoglia forma di paganesimo.
            La vicenda culminò con l'omicidio della donna ad opera di un gruppo di cristiani. 
            La figura di Ipazia è però così radicata nel pensiero comune che ancora oggi sono decine i romanzi, i film, i dipinti, ispirati a lei.


            Elena Lucrezia Corner Piscopia

            Quinta figlia di uno degli esponenti delle più importanti famiglie Veneziane nel 1600.
            Spronata dal padre, che accortosi delle doti di sua figlia intendeva portare ancora più lustro alla famiglia, Elena crebbe in un ambiente in cui la fisica era di casa (il suo bisnonno era stato amico di Galileo Galilei) e in giovane età si fece oblata benedettina, in modo da poter unire la sua vocazione religiosa con la volontà di proseguire gli studi.
            Dopo che ebbe tenuto una disputa pubblica di filosofia in latio e in greco, suo padre chiese che Elena venisse iscritta alla facoltà di Teologia, ma il Vescovo di Padova si oppose fermamente, ritenendo oltraggioso che una donna si desse a questo tipo di studi.
            Ne scaturì una disputa che si risolse con il compromesso: una laurea in filosofia.
            Nonostante le fosse proibito esercitare l'insegnamento, Elena fu la prima donna ad ottenere un dottorato nella storia, il 25 giugno 1678.
            Morì a soli 38 anni, ma ilsuo fu un contributo fondamentale alla storia delle donne nella scienza.


            Maria Skłodowska 

            Meglio nota come Marie Curie fu la prima donna a ricevere un premio Nobel per la sua attività scientifica e l'unica donna a riceverne due e la prima donna a ottenere una cattedra alla Sorbona.
            Grande memoria, capacità di concentrazione e una sete di sapere inesauribile, Maria è la beniamina dei suoi insegnanti e si laurea in fisica e matematica alla Sorbona di Parigi.
            Insieme a suo marito Pierre Curie, si occupa degli studi sulla radioattività nel 1903, mentre ne riceverà un altro, questa volta da sola, in chimica grazie alla scoperta di due nuovi elementi, il Radio e il Polonio., nel 1911.
            Sicuramente quando siparla di donne che hanno cambiato il corso della scienza, Marie Curie è una delle prime a venire in mente, il suo contributo è stato importantissimo in un periodo in cui le donne iniziavano a combattere per i propri diritti e per poter avere le stesse possibilità e opportunità degli uomini.
            Marie ha dimostrato che le donne e gli uomini possono collaborare per ottenere grandi risultati, ma soprattutto che le donne possono fare grandi cose grazie solamente alla propria intelligenza e al duro lavoro.

            Dorothy Crowfoot Hodgkin

            Premio Nobel per la chimica nel 1964, Dorothy è stata una pioniera negli studi sulla cristallografia a raggi X, una tecnica utilizzata poer ottenere la struttura tridimensionale di molecole.
            Nel 1934 per la prima volta, assieme al suo supervisore, riesce a fotografare alcuni cristalli di pepsina, un enzima che si trova nei succhi gastrici, dimostrando le enormi potenzialità dei raggi X applicati alle molecole biologiche.
            Andando contro l'etichetta, dopo essersi sposata, continua a firmare i suoi lavori con ilsuo cognome da nubile e, pur malata di artrite reumatoide, prosegue i suoi studi sulle molecole biologiche, dall'insulina al colesterolo, dalla vitamina B12 alla penicillina.
            In particolare i cristalli di insulina erano troppo complicatiper essere analizzaticon gli strumenti dell'epoca, quindi Dorothy perfezionò lei stessa la tecnica dei raggi X per decenni, fino a ottenere la struttura dell'insulina nel 1969, nel trentacinque anni dopo il primo tentativo.
            Dopo aver ottenuto il premio Nobel, ottiene anche la Medaglia dell'Ordine al Merito del Regno Unito, seconda donna nella storia e prima scienziata.

            Rita Levi Montalcini

            Una delle più grandi donne del nostro tempo, premio Nobel per la medicina, unica donna italiana ad aver vinto questo premio nella scienza, senatrice a vita della Repubblica Italiana.
            Si è occupata per tutta la vita di neuroscienze ed è proprio grazie alla scoperta nella proteina NGF, che le è valso il Nobel (insieme al suo collaboratore  Stanley Cohen) se questo ambito assume sempre maggiore importanza nelle scienze naturali.
            Ha lavorato per lo più negli Stati Uniti, ma ha fatto molto per l'Italia: crea a Roma un centro di ricerca sul NGF, fonda e dirige l'Istituto di Biologia Cellulare presso il CNR, fonda l’EBRI (European Brain Research Institute) sempre a Roma, fonda la sezione italiana della Green Cross International, riconosciuta dalle Nazioni Unite, e scrive ancheun libro per ragazzi intitolato "Le tue antenate" in cui parla proprio di donne pioniere nella scienza, che hanno dovuto lottare per entrare nei laboratori e per veder riconosciute le loro scoperte. Sicuramente una dei più fulgidi esempi di donne scienziate dei giorni nostri.