Premio Nobel per la Fisica 2021

Anche se niente può fare
ritorna l’ora dello splendore nell’erba,
della gloria nei fiori,
non dobbiamo rattristarci
perché la bellezza risiede sempre nella memoria …

William Wordsworth

Premio Nobel per la Fisica 2021. Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi

L’ Accademia Reale Svedese delle Scienze ha assegnato il Premio Nobel per la Fisica 2021 “per i loro contributi innovativi alla nostra comprensione dei sistemi fisici complessi per una metà congiunta a Syukuro Manabe (Princeton University, USA) e a Klaus Hasselmann (Max Planck Institute for Meteorology, Amburgo, Germania) e l’altra metà a Giorgio Parisi (Università degli Studi, La Sapienza, Roma, Italia).

I tre vincitori, annuncia l’Accademia svedese, condividono il premio Nobel per la fisica di quest’anno per i loro studi sui fenomeni caotici e apparentemente casuali.

Cosa si intende esattamente per fenomeni caotici e casuali?
E i sistemi complessi cosa sono?

Cercheremo di fare un po’ di luce su questo emozionante capitolo della fisica-matematica attuale.

La teoria del caos e l’effetto farfalla

Tutti siamo d’accordo che il grande potere della scienza risiede nella capacità di mettere in rapporto causa ed effetto. A partire dalle leggi sulla gravitazione universale, per esempio, le eclissi possono essere previste con migliaia di anni di anticipo.

Ma ci sono altri fenomeni naturali che non sono così facili da prevedere. Anche se i moti dell’atmosfera obbediscono alle leggi della fisica nella stessa misura dei moti dei pianeti, le previsioni del tempo sono fatte in termini di probabilità. Contrariamente a quanto si è ritenuto a lungo, il fatto che un sistema sia governato da leggi completamente deterministiche non garantisce che il suo comportamento futuro possa essere previsto in futuro.

Questi tipi di fenomeni sono inclusi nella cosiddetta teoria del caos e quindi sono stati denominati come sistemi caotici. Sono caratterizzati dal fatto che piccole variazioni delle loro condizioni iniziali sfociano in breve in enormi differenze nell’evoluzione del sistema.

Ciò comporta un’importante conseguenza: nel regime caotico è impossibile fare previsioni a lungo termine, poiché le condizioni iniziali del sistema non possono mai essere conosciute con infinita precisione.

Una forma, ormai molto popolare, di riferirsi al fenomeno di cui sopra è il termine effetto farfalla, che deriva dal titolo della conferenza che Edward N. Lorenz tenne nel 1972 presso la Società Americana per il Progresso della Scienza: ” Può il batter d’ali di una farfalla in Brasile provocare un tornado in Texas?”. Lorenz voleva sottolineare, con un’immagine provocatoria, l’estrema dipendenza dalle condizioni iniziali di un sistema caotico per eccellenza come il tempo meteorologico.

Sistemi caotici: il tempo e il clima della Terra

Così, il tempo meteorologico è un tipico esempio di sistema caotico secondo questa definizione e non sono molti gli scienziati che si sono avventurati a trovare leggi o modelli comportamentali e a trarre conclusioni su questo fenomeno.

È proprio per aver osato questo che Manabe e Hasselmann, due climatologi che hanno definito le basi della nostra conoscenza del clima della Terra e di come l’uomo vi influisca, sono stati premiati.

Lo scienziato giapponese Syukuro Manabe ha diretto durante i suoi 90 anni di vita lo sviluppo di modelli fisici del clima terrestre (già negli anni ’60 e ’70), basati in gran parte sull’interazione tra la circolazione atmosferica e il suo trasporto di calore. Questi studi hanno gettato le basi dei modelli climatici odierni, ed è questo che gli ha fatto conquistare il più alto riconoscimento, ovvero il premio Nobel per la fisica di quest’anno.

Qualche anno dopo, il ricercatore tedesco Hasselmann, fondatore dell’Istituto Max Planck per la meteorologia, sviluppò un modello che vincolava il tempo meteorologico (caotico e, come tale, imprevedibile a lungo termine) e il clima. In particolare, Hasselmann ha dimostrato che le dinamiche meteorologiche caotiche sono alla base della variabilità climatica a lungo termine. Tra le varie applicazioni, i suoi metodi sarebbero stati utilizzati più tardi per dimostrare che l’aumento globale della temperatura terrestre è dovuto alle emissioni di anidride carbonica generate dall’uomo.

Sistemi complessi. Cosa potrebbero avere in comune il clima, i formicai, le foreste pluviali, il cervello umano, il linguaggio e il mercato azionario?

Una delle conseguenze immediate della teoria del caos è l’idea che il tutto corrisponde a qualcosa in più rispetto alla somma delle parti costituenti.

In un influente articolo del 1972 intitolato “More is different”, il fisico e premio Nobel Philip W. Anderson ha sottolineato che esiste una profonda differenza concettuale tra le proprietà dei singoli costituenti e le caratteristiche emergenti di un sistema o aggregato.

Ad ogni livello organizzativo, emergono fenomeni e leggi completamente nuovi che non hanno alcuna relazione evidente con quelli che governano il livello precedente. Anderson sosteneva che queste leggi emergenti avevano lo stesso carattere fondamentale delle prime, per cui un gran numero di costituenti che interagiscono danno origine non solo a un sistema più grande, ma a uno fondamentalmente diverso.
Avere in più significa essere diverso.

Così, potremmo dire che i sistemi complessi sono quelli che, essendo composti da un gran numero di elementi, mostrano proprietà “emergenti”. Questi sono caratterizzati dal fatto che, sebbene appaiano come conseguenza dell’interazione tra i singoli componenti del sistema, non possono essere spiegati dalla semplice “somma” di tali componenti. Il tutto corrisponde a molto di più della somma delle parti costituenti.

La ragione per cui questi sistemi sono chiamati “complessi” è che è molto difficile modellarne l’interazione e prevederne l’evoluzione futura.

Così, il clima, i formicai, le foreste pluviali, il cervello umano, il linguaggio e il mondo della borsa sono solo alcuni esempi di sistemi complessi dotati di proprietà speciali a metà strada tra ordine e disordine.

Parisi e gli stormi di storni

In questo contesto, le ricerche del fisico teorico italiano Giorgio Parisi lo hanno portato a sviluppare nuove tecniche per la comprensione dei sistemi complessi. Già negli anni ’80, ha scoperto schemi occulti in materiali complessi e disordinati. Queste scoperte costituiscono tra i contributi più importanti del mondo alla teoria dei sistemi complessi.

Non a caso, l’Accademia svedese non risparmia le lodi quando riconosce l’immenso e vasto operato di Parisi: “riceve il premio Nobel per la scoperta dell’interazione tra disordine e fluttuazioni nei sistemi fisici dalla scala atomica a quella planetaria“.

I suoi principali contributi in fisica sono stati nella teoria quantistica dei campi, nella fisica statistica e nei sistemi complessi: dai vetri di spin alle reti neurali e all’intelligenza artificiale… passando per gli stormi di storni.

Osserviamo ora quest’ultimo sistema complesso: uno stormo di storni.

Centinaia di uccelli si muovono a ondate, in un misto di ordine e caos. Lo stormo è un esempio di sistema complesso: i singoli uccelli non sanno volare a ondate. Il movimento dello stormo è una proprietà emergente. Ha luogo solo quando il gruppo o il sistema esiste.

Le simulazioni al computer sono state in grado di creare questi modelli di movimento facendo seguire ad ogni individuo del gruppo solo tre semplici regole: non deve allontanarsi dal gruppo, deve mantenere una certa distanza dai suoi vicini e deve volare in linea con gli altri. Si crede che gli uccelli dello stormo interagiscano realmente solo con circa sette vicini, ma poiché formano una rete, tutti finiscono per connettersi tra loro.
Nelle parole di Parisi: “Il cambiamento di comportamento di un animale influisce e viene influenzato da tutti gli animali del gruppo, indipendentemente dalla sua grandezza”.

Sistemi complessi. Linguaggio umano

Per concludere, cercheremo di presentare succintamente un altro interessante sistema complesso: il linguaggio umano.

Se partiamo da una visione realistica e naturale del linguaggio, cioè cerchiamo di spiegarne l’uso reale da parte dei parlanti, scopriamo che il suo comportamento è molto simile a quello dei sistemi complessi.

Potremmo dire che il linguaggio è complesso per due motivi: perché è composto da diversi sottosistemi (fonologico, morfologico, sintattico, semantico, ecc.) e, inoltre, perché questi sottosistemi sono interdipendenti, cioè, un cambiamento in uno qualsiasi di essi produce modifiche, direttamente o indirettamente, negli altri.
In breve, il linguaggio è complesso perché il suo comportamento globale emerge dall’interazione di sottosistemi, non è una semplice somma o prodotto di essi.

Speriamo di aver suscitato con questo blog la curiosità del lettore e siamo grati che l’Accademia Svedese abbia riconosciuto un campo che è di enorme aiuto per il futuro sviluppo dell’umanità.

In conclusione, lascio al lettore il compito di assaporare la proprietà emergente che emerge da semplici ventiquattro parole della poesia di W. Wordsworth “Ode all’immortalità”, citata nell’introduzione di questo articolo.

Autrice: Manuela Maza Ruiz