Nobel per la Fisica: con Parisi hanno vinto i “sistemi complessi”

Giorgio Parisi
Immagine screenshot della Conferenza 2021 Nobel Prize in Physics https://www.nobelprize.org/

Il Premio Nobel per la Fisica 2021 è stato assegnato congiuntamente all’italiano Giorgio Parisi, al giapponese Syukuro Manabe e al tedesco Klaus Hasselmann, per i loro “contributi rivoluzionari alla nostra comprensione dei sistemi complessi”. Quando ho appreso la notizia non riuscivo a crederci. Ho studiato per la mia tesi di master e il mio dottorato di ricerca in fisica teorica sotto la supervisione del professor Parisi all’Università di Roma La Sapienza. Non fraintendetemi quando dico che non ci credevo. Fra tutte le persone che ho incontrato nella mia esperienza di ricerca – forse nella mia vita – Giorgio Parisi è senza dubbio la più geniale. Quindi la decisione del comitato del Nobel non mi ha sorpreso. Invece la scelta di premiare i suoi “contributi alla nostra comprensione dei sistemi complessi” ha destato il mio interesse.


Parisi, Manabe, Hasselmann: Nobel per la fisica 2021 ai sistemi complessi


Il Nobel a Parisi, condiviso con i meteorologi innovatori Manabe e Hasselmann, è un sorprendente riconoscimento per un’intera area di ricerca – forse un po’ meno attraente di quelle della relatività generale o della teoria delle stringhe – che tenta di capire e rappresentare attraverso dei modelli ciò che in fisica chiamiamo “sistemi complessi”. I sistemi complessi includono ecosistemi climatici, sistemi finanziari e fenomeni biologici, solo per citare qualche esempio. La grande varietà dei sistemi complessi – da mercati fluttuanti a stormi di uccelli – rende davvero difficile ricavare qualsiasi regola universale per rappresentarli. Il lavoro di Parisi ci ha permesso di trarre conclusioni senza precedenti su questi sistemi, che solo apparentemente sembrano casuali, imprevedibili e impossibili da descrivere con modelli teorici.

A differenza di altri modelli fisici, i sistemi complessi non sono un insieme di particelle identiche, che interagiscono regolarmente in modo coerente e prevedibile. Si tratta invece di sistemi di elementi, potenzialmente diversi l’uno dall’altro, che quando esposti a condizioni esterne variabili interagiscono in modi differenti e apparentemente imprevedibili. Un trampolino di lancio per creare dei modelli è la teoria dei “sistemi disordinati”. Si tratta essenzialmente di sistemi in cui diverse coppie di elementi sono soggetti a forze diverse, potenzialmente conflittuali, che possono portare gli elementi a diventare “frustrati”.

Un modo per illustrare questo è immaginare una festa (un sistema sociale chiuso), in cui Alice vuole fare conversazione con Bob e Bob vuole parlare con Charlie, ma Charlie non vuole chiacchierare con Alice. Ecco la “frustrazione”: cosa dovrebbero fare i partecipanti alla festa? La ricerca di Giorgio Parisi ha chiarito cosa succede quando la frustrazione si manifesta in sistemi disordinati e complessi. Il fisico ha chiarito che questi sistemi sono in grado di ricordare le loro traiettorie nel tempo e possono rimanere bloccati nei cosiddetti “stati subottimali” per lungo tempo. Nel nostro esempio della festa, immaginate Alice, Bob, Charlie e altri ospiti che cambiano gruppo e interlocutore della conversazione in maniera irregolare, sperando di individuare il miglior gruppo di persone con cui parlare, ma potenzialmente senza mai trovarlo. Questo è lo stato subottimale in cui i sistemi complessi possono rimanere bloccati.

Ordine dal disordine

Uno dei numerosi strumenti teorici che Parisi ha utilizzato per stabilire la sua teoria è il cosiddetto “trucco della replica”. Si tratta un metodo matematico in cui si prende un sistema disordinato, lo si riproduce più volte e si confronta il comportamento delle diverse repliche del sistema. Lo si può fare, ad esempio, comprimendo delle biglie in una scatola, per ottenere una configurazione diversa ogni volta che si esegue la compressione. Parisi ha capito che nel corso di molte ripetizioni potevano emergere degli “schemi rivelatori”. Questo metodo è oggi uno dei pochi pilastri teorici per lo sviluppo dell’intera teoria dei sistemi complessi come la conosciamo oggi. È stato dimostrato che la teoria di Parisi fornisce previsioni affidabili sulle proprietà statistiche di sistemi complessi che vanno da liquidi super raffreddati (ovvero al di sotto della loro temperatura di solidificazione), liquidi congelati, solidi amorfi come il vetro e persino stormi di uccelli. La teoria dei sistemi disordinati ci permette, per esempio, di dare un senso alla comparsa di schemi di volo coerenti all’interno di stormi di uccelli vicini fra loro, riuscendo a restare uniti e formare raggruppamenti estesi.

La stessa struttura è stata utilizzata per spiegare il clima terrestre. I meteorologi che condividono il premio Nobel con Parisi hanno fatto affidamento sulle scoperte della fisica teorica per produrre i modelli che ora usiamo per dimostrare in modo attendibile il riscaldamento globale. Ho avuto modo di discutere questi argomenti con lo stesso Giorgio Parisi a Roma, mentre svolgeva i suoi esperimenti con gli stormi di uccelli e durante le sue simulazioni al computer sul comportamento del vetro. E ripeto: conoscendo un po’ il suo modo di ragionare, non sono affatto sorpreso che sia stato insignito del premio Nobel per la fisica. Ma sono piacevolmente sorpreso che il campo dei sistemi complessi, uno dei settori di frontiera della ricerca in fisica teorica, abbia avuto questo riconoscimento. Il premio Nobel ha conferito nuova legittimità – e, possiamo sperare, nuove menti – a questa affascinante area della fisica contemporanea.

Fonte: The Conversation

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