Nobel per la Fisica 2021: dai sistemi complessi al clima

Il Premio Nobel per la Fisica 2021 è stato assegnato l’8 Ottobre 2021 “per i contributi innovativi alla nostra comprensione dei sistemi complessi” con una metà congiuntamente a Syukuro Manabe e Klaus Hasselmannper la modellazione fisica del clima terrestre, quantificando la variabilità e prevedendo in modo affidabile il riscaldamento globale” e l’altra metà a Giorgio Parisiper la scoperta dell’interazione tra disordine e fluttuazioni nei sistemi fisici dalla scala atomica a quella planetaria“.

Fisica per il clima e altri fenomeni complessi

I sistemi complessi sono caratterizzati da casualità e disordine e sono difficili da comprendere. Il premio di quest’anno riconosce nuovi metodi per descriverli e prevederne il comportamento a lungo termine.

Intorno al 1980, Giorgio Parisi scoprì motivi nascosti in materiali complessi disordinati. Le sue scoperte sono tra i contributi più importanti alla teoria dei sistemi complessi. Consentono di comprendere e descrivere molti materiali e fenomeni diversi e apparentemente del tutto casuali, non solo in fisica ma anche in altri settori molto variegati.

Il comportamento complesso è tutto intorno a noi. Basti pensare a qualcosa come l’economia. Ha molti componenti, ognuno con il proprio set di regole e tutti interagiscono in modi complicati. Cercare di seguire quello che sta succedendo da zero è quasi impossibile. Eppure alcuni comportamenti ragionevolmente coerenti emergono da quella complessità, permettendoci di comprenderne alcune regole generali.

Questo mix di complessità e comportamento emergente si manifesta in molti altri sistemi che coinvolgono il comportamento umano aggregato, nonché in aree della fisica, della chimica e della biologia.

Sistemi complessi e comportamento emergente

Il lavoro di Giorgio Parisi ha le sue radici nei primi giorni della meccanica statistica, in particolare nei lavori di James Clerk Maxwell (diavoletto di Maxwell) e Ludwig Boltzmann, che notoriamente applicarono un approccio statistico alla seconda legge della termodinamica (entropia). I fisici disponevano di uno strumento matematico in grado di descrivere come le proprietà su macroscala, come la temperatura e la pressione di un gas, emergono dai movimenti casuali e disordinati delle particelle sulla microscala. Il lavoro di Parisi ha scoperto le regole nascoste che governano questi tipi di sistemi complessi disordinati e le loro proprietà emergenti.

Cosa significa per un immobile essere emergente? Pensa a un pezzo d’oro. Ha proprietà come durezza o colore, ma queste proprietà non si trovano nei singoli atomi che compongono il grumo. Piuttosto, emergono dalle interazioni collettive tra gli atomi che compongono l’oro.

È difficile prevedere il comportamento di un sistema molto complesso come il tempo o di un materiale granulare come sabbia o ghiaia. Questo grazie al semplice numero di singoli componenti, alla casualità delle loro interazioni e alle molte variabili che possono influire su tali interazioni.

Ad esempio, la sabbia può comportarsi sia come un liquido che come un solido. La sabbia secca fuoriesce facilmente da un secchio come un fluido, ma se metti una roccia sopra la stessa sabbia, i grani collettivi sono abbastanza solidi da sostenerla, anche se, tecnicamente, la roccia è più densa della sabbia.

Le solite equazioni ordinate che governano la transizione di fase da liquido a solido semplicemente non si applicano. I grani sembrano agire come singole particelle quando escono dal secchio, ma possono unirsi rapidamente quando è necessaria la solidarietà. Il gran numero di singoli grani rende difficile prevedere come si comporterà il sistema da un momento all’altro. Ogni grano interagisce simultaneamente con diversi grani vicini immediati e il comportamento dei grani vicini cambia costantemente da un momento all’altro.

Spiegazione della matematica per i sistemi complessi disordinati ©Jacopo Burgio

Un giro diverso

Le intuizioni da Nobel di Parisi sono venute dal suo lavoro con gli spin glass, una lega metallica in cui gli atomi di ferro si mescolano casualmente all’interno di una griglia di atomi di rame. Gli spin degli atomi in un normale magnete puntano tutti nella stessa direzione. Questo non è il caso di un vetro di spin, in cui ogni atomo di ferro è influenzato dagli altri atomi di ferro nelle sue vicinanze. Quindi, si ottiene un tiro alla fune su scala atomica: alcune coppie di spin vicine vogliono naturalmente puntare nella stessa direzione, ma altre vogliono puntare nella direzione opposta. Sono catturati in uno stato “frustrato”.

Lo stesso Parisi ha tracciato un’analogia con i personaggi di una commedia shakespeariana, dove un personaggio desidera avere pace con altri due, ma questi due altri sono nemici giurati. Allo stesso modo, in un bicchiere di spin, se due spin vogliono puntare in direzioni opposte, un terzo spin non può puntare in entrambe le direzioni contemporaneamente. In qualche modo, lo spin glass trova un orientamento ottimale che costituisce un compromesso tra i due spin opposti.

Spiegazione dello spin glass ©Jacopo Burgio

 

Negli anni ’70, i fisici hanno tentato di descrivere questi sistemi complessi frustrati cercando di elaborare molte copie del sistema (repliche) contemporaneamente. Parisi ha mostrato che anche se si considerassero molte repliche esatte del sistema, ogni replica potrebbe finire in uno stato diverso perché ci sono moltissimi stati possibili ed è difficile passare da uno all’altro. L’analisi, quindi, replica la rottura della simmetria, una caratteristica comune a molti sistemi fisici.

Nei decenni successivi, gli scienziati hanno utilizzato le sue intuizioni per descrivere complessi sistemi disordinati in una vasta gamma di campi. Tutti questi sistemi sembrano molto diversi in superficie, ma condividono un quadro matematico sottostante comune. Parisi ha lavorato sugli sciami biologici (come i moscerini) e il comportamento di stormo tra storni e taccole, entrambi casi di comportamento collettivo emergente.

L’emergere di modelli climatici

Un sistema complesso di vitale importanza per l’umanità è il clima terrestre. Attraverso il premio di quest’anno, il Comitato Nobel sostiene che la svolta di Parisi ha paralleli con il modo in cui i comportamenti incredibilmente complessi che producono il clima possono ancora essere compresi seguendo la fisica sottostante. Se si modellassero ad esempio la miscelazione di gas e le loro interazioni con le radiazioni, da questi processi potrebbero emergere comportamenti chiari, anche se ci sono molte variazioni sovrapposte a quel comportamento. Questo è esattamente ciò che è stato fatto con i modelli climatici.

Syukuro Manabe ha dimostrato come l’aumento dei livelli di anidride carbonica nell’atmosfera porti a un aumento delle temperature sulla superficie della Terra. Negli anni ’60, ha guidato lo sviluppo di modelli fisici del clima terrestre. È stato il primo a esplorare l’interazione tra il bilancio delle radiazioni e il trasporto verticale delle masse d’aria. Il suo lavoro ha posto le basi per lo sviluppo degli attuali modelli climatici.

Spiegazione del modello climatico di Manabe ©Jacopo Burgio

 

Circa dieci anni dopo, Klaus Hasselmann ha creato un modello che collega tempo e clima. Grazie a lui sappiamo perché i modelli climatici possono essere affidabili nonostante il tempo sia mutevole e caotico. Ha anche sviluppato metodi per identificare segnali specifici, impronte digitali, che sia i fenomeni naturali che le attività umane imprimono nel clima. I suoi metodi sono stati usati per dimostrare che l’aumento della temperatura nell’atmosfera è dovuto alle emissioni umane di anidride carbonica.

Conclusioni

Le scoperte riconosciute quest’anno dimostrano che le nostre conoscenze sul clima poggiano su solide basi scientifiche, basate su una rigorosa analisi delle osservazioni. I vincitori di quest’anno hanno tutti contribuito a farci acquisire una visione più approfondita delle proprietà e dell’evoluzione dei sistemi fisici complessi“. Afferma Thors Hans Hansson, presidente del Comitato Nobel per la fisica.

 

Non sono mai riuscito a capire se farsi scappare da sotto il naso un premio Nobel all’età di venticinque anni sia qualcosa da raccontare con orgoglio o piuttosto uno di quei segreti un po’ vergognosi che sarebbe meglio dimenticare. Io propendo per la seconda ipotesi, ma dato che la storia è gustosa, la scrivo lo stesso.
                                                                                                                                                                                                                  Giorgio Parisi

 

Gabriele Galletta

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