Giorgio Parisi, italiano, premio Nobel per la fisica

di Vincenzo Rampolla

Davanti a un difficile problema di fisica, Giorgio Parisi non ci pensa due volte e si mette a giocare con le formule matematiche. Una volta, alle prese con un modello matematico da sviluppare per un complicato sistema, scoprì che c’era un solo modo per risolverlo: ribaltare i concetti di base. È lui che lo spiega: era come se avesse dovuto trovare il numero di modi per mettere in fila una serie di oggetti. La matematica non faceva una piega, finché non fu lui a introdurre l'idea di un half object. Cos’è? Un semioggetto è qualcosa che non ha senso, ammette lui. E quando i fisici si servono della matematica, si buttano, liberamente, senza freni. L'idea di Parisi del semioggetto lo ha portato a un coro di consensi sui sistemi complessi disordinati, e dopo un quarto di secolo i matematici sono d'accordo a riconoscere tutti che la sua era un’idea perfetta.

I risultati di Parisi abbracciano molti campi della fisica moderna, dalle particelle elementari, alla meccanica statistica, la fisica matematica e soprattutto i sistemi disordinati, i preferiti. Docente all'Università degli Studi Roma I e a La Sapienza, Parisi è stato nominato corrispondente della Accademia dei Lincei nel ‘92, dell'Accademia di Francia nel ‘93 e socio straniero dell'Accademia Nazionale delle Scienze nel 2003. Le sue prestigiose onorificenze sono il Premio Feltrinelli per la Fisica nell’86, la Medaglia Boltzmann nel ‘92, il Premio Italgas nel ‘93, la Medaglia e Premio Dirac nel ‘99, il Premio Enrico Fermi nel 2002 e il Premio Dannie Heinemann nel 2005. A ottobre 2021 riceve il Premio Nobel e nella sua Lectio magistralis passa in rassegna i recenti progressi nello studio degli spin glasses e dei vetri fragili e discute i problemi che restano sul tappeto. Commenta i recenti risultati teorici per quelli irrisolti per i quali vede un grande bisogno di nuove ricerche, nuove metodologie di previsioni quantitative e un confronto più preciso tra teoria e esperimenti. Esamina infine nuove aree di applicazione, comprese le reti neurali, la crittografia e in informatica i problemi di soddisfazione dei vincoli.

Non segue le orme della famiglia, con padre e nonno entrambi operai edili. Volevano un ingegnere e lui si è buttato sulla teoria delle stringhe e dei quark, attratto dalle astrazioni complesse studiate nei libri di divulgazione scientifica e matematica. Ho sentito di voler fare qualcosa di scientifico perché era impegnativo, ricorda. È combattuto tra laurea in fisica o matematica a La Sapienza di Roma. A quel tempo, potevo vedere che il campo della fisica aveva fatto notevoli progressi nella prima metà del XX sec., dice, ma le realizzazioni analoghe della matematica erano più intriganti. Sceglie la fisica. Gli basta iniziare le lezioni, e scopre la sua grande passione per la ricerca. Il sogno: portare l'alta energia nella fisica. All'epoca il titolo di studio più alto offerto in Italia equivaleva a un solo anno di dottorato e Parisi lo sfrutta e l'anno dopo nel ‘70 si laurea all'Università di Roma. Lavora con Nicola Cabibbo, fisico delle alte energie, di gran lunga il teorico più brillante di Roma in quel momento, dice. La ricerca di Cabibbo e Parisi abbraccia la fisica delle particelle ad alta energia, considerata la cosa più impegnativa e più importante da studiare all'epoca. Entra nei Laboratori Nazionali di Frascati, in un centro con un acceleratore di particelle vicino a Roma e dopo 10 anni ritorna a Roma, ordinario di fisica teorica all'Università Tor Vergata. Nel ‘92 è a La Sapienza, docente di teorie quantistiche, dove insegna tuttora.

Di certo il lavoro migliore e più impegnativo di Parisi riguarda speciali leghe metalliche magnetiche chiamate spin glasses, un campo a cui si dedica dal dicembre ‘78. Gli spin glasses sono costituiti da un materiale non magnetico (rame) in cui sono stati inseriti atomi magnetici (nickel o manganese). Gli atomi magnetici hanno sempre una rotazione (spin) o un orientamento preciso e mentre in un elemento ferromagnetico puro, sono ordinati nella stessa direzione, nelle leghe spin glasses gli orientamenti sono disposti in direzioni casuali, che ricordano il disordine nei vetri. Al laboratorio di Frascati, studia un problema esotico, così da lui definito, emerso nel lavoro nel settore che tratta alcune teorie fisiche che condividono originali proprietà matematiche. Per questo particolare problema, Parisi decide di utilizzare la tecnica della replica, un sofisticato strumento matematico utilizzato a volte dai fisici per semplificare i modelli dei loro sistemi. Qui scopre che la tecnica dà risultati incoerenti se applicata a sistemi di spin glasses. Ho deciso allora, dice, di utilizzare una tecnica a modo mio, per capire perché non aveva funzionato con gli spin glasses. Ho iniziato a studiarla e la prima ricerca mi ha convinto che c'era qualcosa che non andava. Gli spin glasses sono particolarmente interessanti per i fisici teorici perché sono magneticamente rivoltati e sono un ottimo esempio di sistema complesso disordinato e definitivo. Per questo fin dagli anni '70 Parisi era tra i ricercatori che sudavano per tirare fuori una prima approssimazione matematica dal modo in cui avevano sviluppato la teoria per gli spin glasses ferromagnetici. Chi tentò di applicare la teoria di moda, quella sviluppata dai maestri, a spin glasses chiamati di gamma infinita, capì che le soluzioni non stavano in piedi: violenza alle leggi della termodinamica e lega magnetica inutile.

Ho trovato il problema molto, molto interessante, dice. Ho iniziato a studiare gli spin glasses sperando di risolvere il disordine che circonda i modelli. Lo scopo: rompere la simmetria della replica. Le trappole matematiche dentro gli spin glasses sono certamente molto bizzarre, dichiara Peter Young, docente di fisica all'Università della California. L'applicazione della teoria corrente agli spin glasses richiede innanzitutto la creazione di repliche del sistema e quindi la divisione di queste repliche in gruppi in modo da trarre vantaggio da una certa “simmetria matematica” tra di loro, ma non è chiaro come procedere, continua Young. Parisi ha allora messo ko gli spin glasses con un'idea fantastica, un colpo di genio: ha diviso le repliche in gruppi, poi i gruppi in sottogruppi e quei sottogruppi in sottogruppi più piccoli, e così via. E il risultato netto è che non si ha uno, ma un numero infinito di termini. Problema della rottura della simmetria risolto! Trovare una funzione matematica per il numero infinito di termini e alla fine si ha qualcosa che matematicamente sta in piedi. È semplice. Incredibile, funziona. Parisi ha anche mostrato che l‘energia del sistema è più coerente dei precedenti risultati. Anche quella sta in piedi. Ulteriori lavori hanno rivelato che la funzione che caratterizza il numero infinito di termini è correlata alla loro distribuzione di probabilità del sistema, mentre vaga nel suo complicato panorama energetico. Difficile? Sì, ma chiaro, è una soluzione esatta, non un'approssimazione, ottenuta dalla disperazione. Nella citazione per l'assegnazione della Medaglia Boltzmann nel ’92, Parisi afferma che il suo lavoro costituisce una delle scoperte più importanti nella storia dei sistemi complessi disordinati. Nate dagli spin glasses le applicazioni si sono estese ad altri campi. In particolare, l'utilizzo delle repliche e la rottura della simmetria tra di esse è stato utile nell'informatica e nell'ottimizzazione combinatoria, in cui si deve massimizzare o minimizzare una funzione con moltissimee variabili soggette a vincoli.

Il lavoro di Parisi sugli spin glasses è solo una parte delle sue ricerche. Ho la tendenza a lavorare contemporaneamente su argomenti diversi perché per avere un'idea ci vuole tempo. Devi digerire i concetti, dice. Ha compiuto progressi in vari campi, tra cui le particelle elementari, la teoria delle stringhe, la meccanica statistica, la biofisica e la progettazione di computer, hardware e software.

Vale la pena elencare alcuni dei contributi di ricerca di Parisi, difficili e sconosciuti, talvolta misteriosi per la maggioranza dei lettori, me compreso, se non altro per sfiorare i temi che lo appassionano: studio delle violazioni di scala nei processi anelastici profondi, spiegazione del confinamento dei quark basata sul modello del flusso del superconduttore, introduzione di multifrattali in turbolenza e negli attrattori strani, la sfida della cromodinamica quantistica, lo studio della teoria della rete idiotipica per gli anticorpi nell'immunologia teorica, il progetto Array Processor Expansible (APE), l’elaborazione grafica di fotografie di stormi di uccelli. Quando i fisici usano la matematica, lo fanno liberamente, ama ripetere. Di che restare ammirati, stupiti, sedotti dalle nuove frontiere della fisica aperte simultaneamente dal suo genio. Temi e parole incomprensibili? No, gergo dello scienziato, linguaggio dello specialista, come quello parlato del medico o come i gesti del direttore d’orchestra.

Recentemente Parisi ha studiato sistemi altamente complessi e disordinati che anche i non scienziati possono apprezzare: voli di stormi di uccelli. Gli uccelli sono molto interessanti, fanno moti molto veloci nell'aria. Si muovono dritti, e poi guizzano e cambiano direzione e sono migliaia e migliaia a farlo, dice. Uno dei problemi è: come comunicano per realizzare insieme questo movimento collettivo? Parisi e 20 colleghi hanno trascorso lo scorso inverno a studiare gli stormi in azione. Con almeno 100.000 foto di uccelli in cielo stanno elaborando programmi per creare una ricostruzione 3D del volo degli stormi e contano di avere presto dei risultati. Gli stormi forniscono un semplice esempio pratico e misurabile di un sistema complesso. Possono sembrare molto lontani dagli spin glasses, ma c'è qualcosa in comune, dice. Cosa condividono? Questo è interessante, molto, il modo in cui sorgono comportamenti complessi. È un tema ricorrente in natura, in fisica e biologia, e la maggior parte della ricerca che ho fatto è per arrivare al punto: come un comportamento collettivo complesso può derivare da elementi che hanno un comportamento individuale semplice.

Lo intriga il caso delle colonie di formiche, insetti interessanti con comportamenti stereotipati, geneticameente programmati. Le colonie sono creative, flessibili con sofisticata organizzazione, capaci di risolvere problemi come il percorso cibo-nido più breve. Esempio di sistema complesso ordinato in cui l’intelligenza della colonia emerge dall’interazione di unità singole semplici, non intelligenti ma istruite. Attraverso la teoria della complessità, Parisi vede una possibilità di superare il dualismo mente-corpo e inizia a considerare la mente un fenomeno naturale che sorge dalla interazione spontanea delle cellule cerebrali: se una colonia di formiche è intelligente, potrebbe anche la mente essere un phenomenon che nasce dall’interazione di neuroni senza mente?

Interessante, molto interessante. È ora che siano le colonie delle api ad entrare in scena. Sistemi complessi ordinati con singoli elementi molto dotati, altamente preordinati per molteplici operazioni semplici. Varietà e complessità dell’ingegno. L’altissima organizzazione di un alveare non è solo fatta di fuchi, operaie, ape regina, magazziniere, custodi di polline, di nettare, di acqua, addette al controllo della cella della regina e di tutti i fattori microclimatici del favo, addette alla cura del favo attraverso corridoi interni… È fatta anche di api danzatrici: danno posizione, distanza e direzione dei fiori con moti circolari e ondulatori, capaci di calcoli di triangolazione con il sole e angolazione per dirigere il traffico delle portatrici del bottino raccolto. È fatta anzitutto di carpentieri, muratori, geometri, produttori di cera estratta da ghiandole dorsali per costruire il favo: celle orizzontali, perfettamente allineate, a sezione esagonale, non circolare per evitare vuoti, né quadrate perché massimo deve essere il volume di miele e minimo il perimetro; celle con giusta inclinazione e collegate per ottene prismi su entrambe le facce di ogni piatto dell’alveare; favi fatti di cera a base di un acido grasso molto complesso, isolante termico, impermeabile, inossidabile, plasmabile con facilità; cera di cui occorrono circa 400g per avere un favo, pari a 5 kg di miele. E costruire una singola cella richiede un lavoro di almeno 120 api, costruire il favo 5 milioni di operaie, in varie fasi.

Un tempo si credeva che ogni ape costruisse la sua cella, oggi si sa che le api si dispongono a catena, allacciandosi tra loro mediante le zampe anteriori e posteriori, formano numerose liste, attaccate al soffitto dell'arnia dalle api disposte alle due estremità. Le liste di api lavorano in modo indipendente, procedendo dall'alto verso il basso. Gli organi sensoriali della testa e delle antenne servono da organi di misurazione e permettono di realizzare la regolarità delle celle. Queste catene di cera sono canali di informazioni formate da api aggrappate per le zampe che, attraverso gli organi sensoriali posti alle estremità delle zampe si trasmettono i dati relativi all’avanzamento della costruzione e alla direzione da seguire, informazioni molto complesse e le api sanno risolvere problemi di costruzione, affrontati collettivamente e non dai singoli cervelli individuali. Di più. A lavoro compiuto la cera costituisce solo il 10% del volume della cella, rendimento molto vicino a quello dei materiali edilizi utilizzati dall'architettura dell’uomo. Ammesso che esista un modello da realizzare e che corrisponda a un progetto inscritto nel genotipo, l'opera dell'ape è soggetta a continue correzioni che durante l’esecuzione plasmano la cera agli ostacoli e alle difficoltà ambientali. È indubbio che l’adattamento alle situazioni non è l’opera di un'ape isolata, ma dell'intera colonia ed è il punto nodale che rende lo studio interessante, molto interessante, come dice Parisi.

Nel cervello umano la costruzione è un’opera sociale. Lui lo pensa, e lo tiene per sé: suo obiettivo sono le reti di neuroni, motori di un sistema complesso multiplo disordinato di 86 miliardi di elementi e le equazioni fisico-matematiche che le descrivono e le mantengono attive.

(consultazione: elena fausta gadeschi-elle- hearst italia; giada giorgi - open gol srl. impresa sociale – e.mentana; accademia delle scienze; wikipedia; academie des sciences paris; stockolm news; the times;le monde; corriere sera)

Ultimo aggiornamento:12/10/2021 18:58:19