Il Nobel per la Fisica all’italiano Giorgio Parisi

Il Nobel per la Fisica 2021 è stato assegnato a Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi “per il loro contributo fondamentale nel comprendere alcuni sistemi fisici complessi”. Nello specifico, ai primi due il premio è derivato dai loro modelli sul clima e di previsione del riscaldamento globale, mentre all’italiano Giorgio Parisi per le scoperte sulle fluttuazioni nei sistemi fisici. Era dal 2002 che non veniva assegnato un Nobel per la Fisica a un italiano.

Studiare i sistemi fisici complessi è… complesso. È un lavoro cui si sono dedicati per secoli numerosi studiosi incontrando grandi difficoltà nel descriverli matematicamente, a causa dei loro numerosi componenti e variabili, spesso governati dal caso. Il meteo è probabilmente l’esempio di un sistema complesso a noi più familiare: sono sufficienti piccole variazioni in alcuni componenti per determinare enormi differenze, in una fase successiva. I premi Nobel per la Fisica di quest’anno hanno dato un contributo fondamentale nel padroneggiare questi sistemi complessi, ottenendo importanti risultati nelle soluzioni per prevederne l’evoluzione nel medio-lungo periodo.

Negli anni Ottanta, Parisi pubblicò una serie di studi nei quali spiegava che fenomeni apparentemente casuali sono in realtà governati da alcune regole. Quelle ricerche si sarebbero rivelate fondamentali per la teoria dei sistemi complessi.

Parisi ha 73 anni, è nato a Roma ed è considerato uno dei più competenti e autorevoli fisici a livello internazionale, specialmente nel campo della teoria dei campi e della fisica statistica.

Quest’ultima fu sviluppata soprattutto a partire dalla seconda metà del Diciannovesimo secolo grazie ai lavori di James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann e J. Willard Gibbs sulla meccanica statistica, la parte della fisica che impiega la teoria della probabilità e la statistica per studiare il comportamento dei sistemi composti da un grande numero di particelle, come i fluidi.

Dovendo tenere in considerazione i movimenti casuali di molte particelle, si pensò di calcolarne in media gli effetti, senza dover studiare ogni particella singolarmente. La temperatura di un gas, per esempio, indica un valore medio dell’energia posseduta dalle particelle che lo compongono.

Possiamo immaginare le particelle di un gas come piccole palline che si muovono in varie direzioni a velocità che aumentano man mano che aumenta la temperatura. Quando c’è un calo di temperatura, o un aumento di pressione, le palline condensano (formando quindi un liquido) e successivamente si solidificano. Il solido che deriva dal processo è generalmente un cristallo, nel quale le palline sono organizzate in modo regolare. Se però il cambiamento avviene in modo più repentino, può avvenire che le palline si organizzino nello spazio in modo non regolare e che non cambia, nemmeno a un’ulteriore riduzione della temperatura o aumento della pressione. Se si ripete da capo il processo, si nota che le palline si organizzano in modo ulteriormente diverso, anche se la variazione repentina è avvenuta nello stesso modo.

Come molti altri fisici, Parisi si chiese quali fossero le cause e le dinamiche alla base di questo processo, che a partire da condizioni uguali porta a risultati diversi. Le palline del nostro esempio possono essere impiegate come modello per studiare la materia granulare, come la sabbia o il riso. Parisi aveva condotto alcune ricerche su un altro tipo di materiale, un “vetro di spin” realizzato con un lega metallica nella quale gli atomi di ferro sono mischiati casualmente in una griglia di atomi di rame. La presenza di un numero limitato di questi atomi di ferro ha comunque la capacità di cambiare sensibilmente le proprietà magnetiche del metallo, e in un modo molto difficile da comprendere.

Semplificando, ogni atomo di ferro si comporta come se fosse un minuscolo magnete (spin), il cui comportamento è influenzato dalla presenza di altri atomi di ferro nelle sue vicinanze. Nei magneti classici, tutti gli spin puntano verso la stessa direzione, ma in un vetro di spin sono sottoposti a frustrazione: alcune coppie di spin vogliono puntare nella medesima direzione, mentre altri in quella opposta.

Le particolari proprietà dei vetri di spin hanno tenuto occupati per decenni i fisici, perché sono un modello ideale per comprendere come funzioni un sistema complesso. Negli anni Settanta diversi fisici lavorarono a soluzioni matematiche per descrivere i vetri di spin, senza trovare una soluzione. Ci riuscì infine Parisi scoprendo un modo per descrivere matematicamente un fenomeno complesso. La sua teoria fu confermata nella pratica anni dopo, portando allo sviluppo di un metodo di descrizione e analisi di sistemi complessi e disordinati.

I vetri di spin e in generale la materia granulata sono esempi di sistemi frustrati, nei quali i loro componenti si devono organizzare in un certo modo che è il frutto di un compromesso tra diverse forze. Parisi negli anni ha affinato una grande capacità nel descrivere come molti materiali e fenomeni rispondano a questa esigenza, influenzando numerosi ambiti non solo della fisica, ma anche della biologia, delle neuroscienze e nello sviluppo di particolari sistemi informatici.

Manabe fu tra i primi a dimostrare come un aumento della concentrazione di anidride carbonica nell’atmosfera conducesse a un aumento della temperatura media del nostro pianeta. Negli anni Sessanta fu tra gli autori dei primi modelli fisici per prevedere l’evoluzione del clima e fu il primo a studiare con precisione alcune dinamiche atmosferiche, legati agli scambi di masse d’aria a seconda della loro temperatura e di altri fattori. Il lavoro di Manabe fu fondamentale per lo sviluppo dei numerosi modelli oggi utilizzati per comprendere come evolva il clima, soprattutto in relazione alle attività umane.

Negli anni Settanta, Hasselmann realizzò un modello che metteva in relazione eventi nel breve periodo (meteo) con fenomeni di maggiore durata e con ulteriori complessità (clima), dimostrando che i modelli sul clima mantengono una maggiore affidabilità rispetto a quelli sul meteo, dedicati alla previsione di eventi più caotici e che mutano velocemente nel tempo. Hasselmann lavorò inoltre all’identificazione di segnali per valutare quanto le attività umane influenzino l’andamento del clima, rispetto ai fenomeni naturali. I suoi lavori sono stati essenziali per dimostrare che l’aumento di anidride carbonica nell’atmosfera è imputabile soprattutto alle attività umane, con una chiara responsabilità nell’aumento della temperatura media globale.