Il Premio Nobel per la fisica 2021 e la ricerca Unifi

Il massimo riconoscimento alla ricerca in fisica, attribuito all'italiano Giorgio Parisi, segnala quest'anno l'importanza di un campo d'indagine, quello dei sistemi complessi, su cui l'Università di Firenze è attiva da anni.
Giorgio Parisi, premio Nobel 2021 per la Fisica, insieme a Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann
Giorgio Parisi, premio Nobel 2021 per la Fisica, insieme a Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann

L’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica 2021 a Giorgio Parisi ha avuto grande risonanza sui media e presso l’opinione pubblica. Ma cosa c’è dietro un Premio Nobel? Le eccellenze personali sono frutto di anni e anni di ricerca d’avanguardia che coinvolge atenei e laboratori di tante parti del mondo. Anche Firenze è attiva su queste tematiche e non da ora. Ne parliamo con Duccio Fanelli, direttore del Dipartimento di Fisica e Astronomia.

Quale è il tema delle ricerche per cui è stato assegnato il premio Nobel per la Fisica 2021 a Giorgio Parisi?

L’Accademia svedese delle scienze gli ha conferito il Nobel “per la scoperta dell’interazione tra disordine e fluttuazioni nei sistemi fisici dalla scala atomica a quella planetaria”. In estrema sintesi, Parisi ha ricevuto il premio per i suoi straordinari contributi allo studio di quelli che oggi vengono convenzionalmente chiamati i “sistemi complessi”.

Cosa si intende per sistemi complessi?

Si parla in generale di sistemi complessi quando abbiamo a che fare con un insieme molto vasto di costituenti fondamentali, detti agenti, e che interagiscono fra loro dando vita a comportamenti peculiari ben più articolati di quello che sarebbe in prima battuta lecito attendersi dall’analisi dettagliata delle singole entità, scorporate dal contesto di riferimento. L’insieme è più della somma delle sue parti: questa è l’immagine a cui si è spesso soliti far riferimento in questo ambito di ricerca. Gli elementi chiave che consentono ai sistemi naturali di auto-organizzarsi in un crescendo di complessità, gerarchicamente ordinato dall’infinitamente piccolo all’infinitamente grande, sono fondamentalmente due.

Quali?

Un sistema lineare risponde in modo direttamente proporzionale alle sollecitazioni ricevute. Superare questo semplice paradigma, per contemplare la possibilità di risposte più articolate agli stimoli a cui i sistemi sono soggetti, equivale ad aprire nuovi scenari nella modellizzazione dei fenomeni naturali. Dunque, il primo elemento è che i singoli costituenti di un sistema complesso interagiscano in modo “non lineare”.

E il secondo elemento?

È quello legato al ruolo delle fluttuazioni, ovvero il rumore al quale si è soliti riferirsi con accezione negativa per significarne l’impatto atteso sulla qualità del segnale. I sistemi cosiddetti complessi sfruttano invece il rumore per generare dinamiche ordinate, quasi un ossimoro concettuale che sta tuttavia alla base di numerose, e relativamente recenti, scoperte.

E qui torniamo a Parisi…

Sì, perché in questo contesto generale si colloca il suo lavoro, declinato in molteplici direzioni. Il campo d’indagine forse più suggestivo e noto al grande pubblico è il volo degli storni, ma gli ambiti di ricerca da lui toccati sono veramente tanti e in tutti Giorgio ha svolto un ruolo fondamentale di guida, riferimento e ispirazione. È stato l’antesignano di un modo nuovo di fare scienza, insegnando a tutti noi come sia importante guardare oltre gli orizzonti convenzionali, con l’obiettivo di creare ponti di conoscenza fra ambiti disciplinari ritenuti distinti, per tradizione e per consuetudine.

Che connessione hanno questi studi con le ricerche sviluppate nell’Ateneo fiorentino?

A Firenze esiste una tradizione importante nello studio della fisica dei sistemi complessi, in tutte le sue più diverse declinazioni. Fondamentale in questo senso è stato il lavoro svolto negli anni da Roberto Livi, Antonio Politi e Stefano Ruffo – e, prima di loro, da Fortunato Tito Arecchi – attorno ai quali si è aggregata una comunità relativamente nutrita, della quale mi pregio di fare attiva parte. Presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia è ospitato il Centro Interdipartimentale per lo Studio delle Dinamiche Complesse (CSDC), un centro nato dalla felice intuizione di alcuni colleghi fra i quali, oltre ai già citati Ruffo e Livi, vorrei ricordare Roberto Genesio, Antonio Moro e Alberto Tesi.

La missione del CSDC, oggi diretto da Franco Bagnoli, è proprio quella di stimolare e sostenere attività di ricerca di natura interdisciplinare. E a Firenze si trova anche una delle due sedi dell’Istituto dei Sistemi Complessi del CNR.

Questa attività di ricerca ha una ricaduta sulla didattica?

Sì. Ricercatori universitari e degli enti di ricerca collaborano nell’ambito del corso di laurea magistrale in Scienze fisiche e astrofisiche alimentando un percorso formativo incentrato sui sistemi complessi. L’insegnamento in Fisica dei sistemi complessi di cui sono titolare è pensato per offrire una panoramica generale su questi temi e funge da orientamento per l’intero indirizzo. È fruibile anche dagli studenti della laurea triennale, oltre che da quelli di corsi di laurea che afferiscono ad altri dipartimenti (ad esempio Chimica e Ingegneria). Quando ero studente non esisteva un percorso formativo dedicato ad approfondire i temi della complessità: penso che l’averlo creato sia motivo di gratificazione per tutti noi.

Su che temi lavorano i ricercatori del nostro Ateneo?

Su una vasta gamma di argomenti che spaziano dalla biofisica alle neuroscienze computazionali, passando per la teoria delle reti e lo studio dei fondamenti dell’intelligenza artificiale. In generale, lavorare in questo ambito significa acquisire competenze trasversali, oltre a padroneggiare tecniche modellistiche di riferimento che consentono di ricondurre i fenomeni oggetto di indagine a schemi descrittivi robusti con valenza predittiva.

Quali sono i possibili sviluppi della ricerca Unifi sulla fisica dei sistemi complessi?

Rispondere è veramente difficile. Ci provo, illustrando brevemente tre possibili direzioni di indagine, ma è una scelta del tutto soggettiva. Innanzitutto torno a parlare del ruolo importante giocato dal rumore e delle fluttuazioni, evocate anche nelle motivazioni per l’assegnazione del Nobel. Uno studio recente, oggetto di una tesi di laurea svolta presso il nostro dipartimento in collaborazione con il Weizmann Institute (Israele) ha permesso di mostrare sperimentalmente, e con il supporto di un modello teorico, che il rumore è parte integrante del processo genetico che sottende all’insorgenza dei ritmi circadiani nei batteri.

Questo specifico ambito di ricerca, insieme a tutti gli studi che mirano a ricondurre le scienze della vita nell’alveo dei processi di fuori equilibrio, sono in forte espansione e largamente rappresentati all’interno della comunità di ricerca fiorentina.

Quali sono le altre due direzioni di indagine?

Segnalerei anche l’attività in ambito delle neuroscienze computazionali, che opera in stretta sinergia con il gruppo sperimentale di biofotonica presso il Laboratorio Europeo per la Spettroscopia Non lineare (Lens) ed il Dipartimento di Fisica e Astronomia. In questo caso i modelli matematici costituiscono uno strumento prezioso per processare a posteriori i risultati di un esperimento al fine di estrarre dai dati dell’attività cerebrale in vivo delle informazioni sulla struttura funzionale del cervello.

L’ultima attività che vorrei qui ricordare è legata al tema dell’intelligenza artificiale con la quale siamo chiamati a fare oramai i conti nella nostra quotidianità. La teoria delle reti, un’emanazione recente della fisica dei sistemi complessi, può infatti contribuire a far luce sulle capacità decisionali nelle reti neurali artificiali, oltre il livello di comprensione attuale.

 

Leggi anche un approfondimento sul Nobel a Parisi, a cura di Franco Bagnoli, docente di Fisica della materia e direttore del Centro interdipartimentale per lo Studio delle Dinamiche Complesse (CSDC) dell’Ateneo fiorentino.

Leggi altri contributi sul Nobel a Parisi sul sito del Dipartimento di Fisica e Astronomia

 


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