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in foto: credit: Università Sapienza.

Il 2021 è un anno di grandi soddisfazioni per l'Italia, dalle vittorie sportive a quelle musicali, passando adesso anche per quelle scientifiche.

Il premio Nobel per la fisica di quest'anno è stato infatti assegnato a Giorgio Parisi, fisico italiano, assieme al giapponese Syukuro Manabe e al tedesco Klaus Hasselmann. Non accadeva da ben diciannove anni che un italiano vincesse questo premio. La scelta di dare il Nobel per la fisica a queste tre personalità è legata al loro forte contributo nello studio dei sistemi fisici complessi. In particolare, il contributo di Parisi è legato ai suoi studi sulla fluttuazione di questi sistemi, mentre gli altri due studiosi hanno perfezionato modelli dei cambiamenti climatici.

Chi è Giorgio Parisi?

Giorgio Parisi è un fisico teorico dell'Università Sapienza di Roma e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn) e vicepresidente dell'Accademia dei Lincei. È nato a Roma, oggi ha 73 anni ed è considerato uno dei massimi esponenti a livello mondiale nella fisica statistica e nella teoria dei campi. Si è laureato nel 1970 all'Università di Roma e in un primo momento ha lavorato all'interno dei Laboratori Nazionali di Frascati dell'Infn, prima come membro del CNR e poi come ricercatore. Ha anche trascorso periodi all'estero come alla Columbia University di New York, all'Ecole Normale Supérieure di Parigi o all'Institut des Hautes Études Scientifiques a Bures-sur-Yvettes.

I suoi studi gli hanno anche permesso di essere il primo italiano ad essere inserito nella Clarivate Citation Laureates, cioè una classifica che include tutti i ricercatori più citati e che, spesso, è una sorta di anticipazione dei premi Nobel.

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in foto: credit: Università Sapienza.

Cosa sono i sistemi complessi?

Abbiamo visto che Parisi si è occupato dello studio dei sistemi complessi. Ma cosa sono esattamente?

Il nome è già abbastanza indicativo: i sistemi complessi sono dei sistemi che, al loro interno, contengono un numero enorme di variabili, che a loro volta sono spesso casuali e disordinate (o almeno questa è la nostra impressione). Riuscire a descrivere un sistema di questo tipo è quindi estremamente complesso. Di solito al concetto di "sistema complesso" è anche associato quello di "caos", cioè un sistema nel quale una piccola variazione in fase iniziale può provocare sul lungo periodo risultati completamente diversi rispetto a quelli attesi.

Ecco, tipici esempi di sistemi complessi sono l'atmosfera e il clima. Per questo motivo le previsioni meteo sono piuttosto fallibili dopo le prime 24-36 ore e sempre per questo motivo gli studi di questi tre fisici sono così importanti: ci permettono di riuscire a prevedere con più accuratezza come si evolvono i sistemi nel medio-lungo periodo. E non parliamo solo di previsioni meteo ma anche – anzi, soprattutto – di cambiamenti climatici a livello globale.

Esempio sistema complesso
in foto: Esempio di sistema complesso, in questo caso legato alla produzione di cibo (Belchior et al. 2016).

Il contributo di Parisi ai sistemi complessi

Parisi, assieme agli altri due colleghi, è riuscito a fare più luce su questi sistemi complessi, permettendo di padroneggiarli molto meglio sul medio e lungo periodo. Le sue ricerche sull'argomento iniziarono negli anni '80, quando decise di studiare i sistemi complessi tramite un "vetro di spin". È un materiale che, a dispetto del nome, non ha nulla a che fare con il vetro delle finestre. Si tratta infatti di una lega metallica formata principalmente da atomi di rame, con l'aggiunta di qualche atomo di ferro. Dobbiamo immaginarlo quindi come un "pezzo di metallo", per dirla proprio brutalmente.
La particolarità di questo metallo è che gli atomi di ferro al suo interno sono sparpagliati "qua e là" e conferiscono alla lega metallica particolari proprietà magnetiche difficili da spiegare, proprio perché la loro distribuzione è apparentemente "casuale" e "disordinata".

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in foto: Vetro di spin. L’illustrazione superiore è quella di un vetro di spin, mentre quella inferiore di un ferromagnete (credit: Zureks).

Ciascun atomo di ferro, rappresentato come una freccetta, si comporta come un piccolo magnete (che per semplicità possiamo chiamare "spin") che è influenzato dagli altri spin che lo circondano. In un ferromagnete – cioè un magnete "normale" – tutti gli spin sono allineati in un'unica direzione (illustrazione in basso) mentre in un vetro di spin sono disposti in modo apparentemente casuale (illustrazione in alto – in gergo tecnico questo stato degli spin viene chiamato "frustrazione").

Per anni è stato impossibile descrivere matematicamente questo sistema – a tutti gli effetti un sistema complesso – ma la grandezza di Parisi è stata quella di riuscire a sviluppare un modello matematico per riuscire a descrivere questo particolare materiale. Il suo modello negli anni è stato confermato, perfezionato e ha permesso di essere applicato anche ad altri campi, come neuroscienze, biologia, il machine learning o – come in questo caso – al cambiamento climatico.

Articolo a cura di
Stefano Gandelli