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“Dal caos all’ordine”. La teoria da Nobel di Giorgio Parisi

3 ' di lettura

Giorgio Parisi ha senza dubbio un merito: aver trovato l’ordine dove non sembrava potesse esistere, spianando la strada per la comprensione di fenomeni complessi governati dal caos. La sua è una teoria “folle” e al contempo rivoluzionaria che ha cambiato la scienza e modificato il nostro modo di guardare la realtà

“Non succede, ma se succede..”

Alla fine è successo. Giorgio Parisi è riuscito ad aggiudicarsi il prestigioso premio della Royal Swedish Academy of Sciences, che ha deciso di premiare gli studi dei sistemi fisici complessi. A dire la verità, il fisico italiano si è aggiudicato il Nobel solo per metà: infatti, l’altra metà del premio è andata a Syukuro Manabe (Princeton University) e a Klaus Hasselmann (del Max Planck Institute for Meteorology di Amburgo) per “la modellizzazione fisica del clima terrestre, quantificando la variabilità e prevedendo in modo affidabile il riscaldamento globale“. Dal canto suo, Parisi ha scoperto “delle interazioni di disordine e fluttuazione nei sistemi fisici dalle scale atomiche a quelle planetarie“, trovando finalmente il compimento di una teoria elaborata oltre quaranta anni fa – nel 1979 – chiamata teoria degli equilibri multipli.

I sistemi fisici complessi

Facciamo però un passo indietro. Per comprendere la teoria di Parisi è necessario aver presente che cosa siano i sistemi fisici complessi. In sintesi, si tratta di tutti quei sistemi fisici caratterizzati al contempo da “casualità” e “disordine“. Detto diversamente: è un problema di fisica complessa riuscire ad arrivare a formulazioni matematiche che descrivano la propagazione dell’acqua in uno scottex. Altrettanto complesso è capire come si comportano le dune di sabbia. O ancora, arrivare al comportamento dei metalli, del DNA, dei mercati finanziari e delle connessioni neurali del nostro cervello. Sono tutti problemi che, più o meno, occupano parte della nostra vita quotidiana.

In linea di principio, quasi tutti i sistemi complessi sono costituiti da diverse “parti” che interagiscono tra loro; queste ultime possono avere un grandissimo numero di componenti il cui comportamento è spesso legato a fenomeni casuali. Basti pensare a una cascata d’acqua. In questo caso si tratta di un sistema costituito da miliardi e miliardi di molecole di liquido che interagiscono tra di loro. È un’interazione estremamente imprevedibile e molto difficile, se non impossibile, da calcolare matematicamente per i fisici. Questi sistemi non sono solo casuali, ma anche caotici: ciò significa che delle piccole variazioni nelle loro condizioni iniziali si evolvono in grandi differenze negli stadi appena successivi. Il matematico statunitense Edward Lorenz si chiedeva, appunto, “come può il batter d’ali di una farfalla in Brasile provocare un tornado in Texas?”

I vetri di spin

Per oltre due secoli i fisici si sono arrovellati nella comprensione di questi sistemi imprevedibili e caotici, tra questi lo stesso Parisi. Nei suoi numerosi studi, il fisico si è occupato anche dei vetri di spin, sistemi complessi e disordinati la cui comprensione trova applicazione anche in fenomeni e campi apparentemente lontani, tra cui la biologia, le neuroscienze e il machine learning – l’apprendimento automatico. Nel dettaglio, i vetri di spin sono un tipo particolare di lega metallica in cui gli atomi di ferro sono inseriti in modo casuale in una griglia di atomi di rame. Nonostante il numero di atomi di ferro presenti nella griglia sia molto basso, questi risultano sufficienti per modificare l’intera composizione del materiale in modo complesso. Questo accade perché ogni atomo di ferro si comporta come un magnete (detto anche spin), il cui orientamento è legato a quello degli atomi vicini.

In alto, la rappresentazione schematica della struttura casuale di un vetro di spin; in basso, quella di un ferro magnete

Il sistema delle repliche

La problematica deriva dal fatto che, in qualsiasi magnete tradizionale, tutti gli spin puntano in una determinata direzione. In un vetro di spin, invece, alcuni puntano in una direzione, altri in quella opposta. Qui entra in gioco Parisi, il quale ha elaborato un sistema davvero ingegnoso, il sistema delle repliche. Per mezzo di questo sistema è riuscito a individuare una struttura nascosta nel caos “apparente” dei vetri di spin. Il fisico ha realizzato che in questi sistemi, molte proprietà dell’approccio fisico ordinario – denominato anche “meccanica statistica” non sono più valide: infatti, campioni macroscopici del materiale, tra loro identici e in parità di condizioni, possono avere proprietà completamente diverse l’uno dall’altro. In questo modo, Parisi è riuscito a trovare un ordine in ciò che è sempre apparso come caotico e inspiegabilmente disordinato. Il fisico ha ribaltato l’approccio della fisica tradizionale.

Il maggior risultato di Parisi è quello di averci offerto una nuova prospettiva della realtà di cui facciamo parte: dalla scala atomica fino a quella planetaria, dagli atomi ai sistemi biologici. Dallo studio delle cellule a quello del nostro cervello, fino ad arrivare alla periodicità delle ere glaciali.

Il clima e i sistemi complessi

Esiste una correlazione tra lo studio dei sistemi complessi e le ricerche sul clima e il cambiamento climatico. In questo senso, i contributi di Manabe e Hasselmann sono fondamentali. Manabe, infatti, è stato il primo ricercatore a capire che l’aumento dell’anidride carbonica nell’atmosfera determina un aumento della temperatura sulla Terra. La causa di questo fenomeno – noto come “effetto serra– risiede nella capacità di questo gas di assorbire la radiazione solare che la Terra riflette a sua volta nello spazio. Hasselmann, invece, ha focalizzato la propria ricerca sulla creazione di particolari modelli per poter collegare il tempo al clima, ma non solo: ha sviluppato anche dei metodi per identificare le cause maggiori delle emissioni di anidride carbonica nell’ atmosfera, attribuite sì a fenomeni naturali ma anche all’ attività umana.

Ora, il legame tra la teoria di Parisi e il clima risiede proprio nella natura di quest’ultimo, ovvero il fatto di essere un sistema complesso; lo studio del fisico italiano prevede infatti una caratterizzazione di differenti sottosistemi climatici (l’atmosfera, la biosfera e l’oceano) su moltissime scale temporali. Questo significa “problemi” per i complottisti: gli studi hanno dimostrato che il riscaldamento globale è scientificamente provato e, soprattutto, basato sulle solide basi della fisica.

Lorenzo Zamana

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