UVM | UniVersoMe

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 Hasselmann “per la modellazione fisica del clima terrestre, quantificando la variabilità e prevedendo in modo affidabile il riscaldamento globale” e l’altra metà a Giorgio Parisi “per 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

Benvenuti in questo secondo episodio dedicato alla galassia lontana lontana, bando alle ciance andiamo a vedere le lightsabers e la rotta di Kessel.

Lightsabers

Le prime forme dell’arma erano conosciute come “protosabers” che richiedevano pacchi batteria, collegati all’elsa della lightsaber, attaccati a cinture indossate dai Jedi. Non erano l’ideale in quanto limitavano i movimenti dei Jedi durante il combattimento.

I componenti necessari per il funzionamento della lightsaber sono contenuti nell’elsa, il cuore dell’arma. Qui accade tutta la fisica, o forse la magia. Contiene le celle di potenza e vari altri componenti che puoi vedere nella foto sotto.

Descrizione di come l’energia delle cellule di potenza è diretta attraverso una serie di lenti di focalizzazione ed energizzatori che convertono l’energia in plasma. Fonte: Starwars Fandome

Si dice che le lightsabers siano composte da laser. Tuttavia, l’utilizzo dei laser solleva diversi problemi.

Qualcosa che rifletta la fine del raggio

Se avessi una spada laser, non esisterebbe un modo per “fermare” il raggio a una certa lunghezza. Andrebbe avanti e taglierebbe tutto lungo suo cammino. Sono in corso ricerche che sfruttano le leggi della meccanica quantistica e della relatività per fermare la luce per un breve periodo di tempo, ma non sarà ancora pratico in quanto si tratterebbe di un effetto temporaneo.

I laser non si scontrano

L’altro problema con i laser è che i fotoni non hanno massa. Se due fasci di luce si attraversassero, questi non si scontreranno, si incroceranno e continueranno a tagliare tutto.

Nella foto della cella di potenza nell’elsa ho menzionato il plasma. Il plasma è il quarto stato della materia, è un gas ionizzato superhot, il che significa che il gas diventa così caldo e/o così eccitato che gli elettroni perdono il legame con il loro atomo, rendendo il gas altamente conduttivo.

La spada laser al plasma ha diversi problemi legati a temperatura e incontrollabilità. Il plasma è altamente conduttivo, quindi grazie alle leggi dell’elettromagnetismo di Maxwell possiamo controllarne la forma con un campo elettromagnetico, degli scienziati in Francia stanno cercando di controllarlo tramite la fusione nucleare.

Quando due lame al plasma entrano in contatto diretto, quasi certamente si verifica una riconnessione magnetica, provocando un rilascio esplosivo del plasma delle spade.

Eulero e Heisenberg dimostrarono che, per intensità sufficientemente elevate, la luce può effettivamente interagire con se stessa (effetto dovuto alle fluttuazioni quantistiche del vuoto).

Fonte di alimentazione compatta e abbastanza potente

L’energia necessaria per alimentare qualcosa di così potente richiederebbe una grande batteria. Non qualcosa di portatile. Per renderla abbastanza potente avresti bisogno di 15 MWh di energia, quanto basta per alimentare una piccola città.

Utilizzando tecniche di laser ad altissima intensità, è stato dimostrato che è necessaria un’incredibile quantità di energia per alimentare una simile spada laser. Se la fonte di energia fosse la fusione nucleare, una simile spada laser richiederebbe 1011 kg di combustibile per funzionare per un minuto.

E’ possibile nel mondo naturale della scienza replicare questo pezzo di armamento?

Il fisico teorico Michio Kaku nel suo libro ‘La fisica dell’impossibile’ ne parla brevemente. Crede che in questo secolo saremo abbastanza avanzati con la nostra nanotecnologia per fare grandi progressi nel campo delle batterie. Suggerisce di usare come lama un’asta telescopica in ceramica resistente al calore. Ci consentirebbe di esercitare il potere del plasma e quindi realizzare una spada laser che non violerà nessuna legge della fisica.

Rotta di Kessel

Mai sentito il famoso vanto di Han Solo secondo cui il Millennium Falcon “ha fatto la rotta di Kessel in meno di 12 parsec“? Pochi sanno che da una prospettiva astronomica non aveva senso. Un Parsec è un’unità di distanza, non di tempo.

**Perché Solo dovrebbe usarlo per spiegare la velocità del Millenium Falcon?**

Ci sono due teorie. La prima è che la frase detta da Solo contenesse un errore di terminologia. La seconda è molto più interessante: quando Obi-Wan si è seduto di fronte ad Han Solo in quella cantina angusta, avrebbe incontrato un viaggiatore del tempo.

Cos’è il parsec?

Coniato dall’astronomo britannico Herbert Hall Turner, il termine “parsec” viene da “parallasse” e “secondo“, 1 parsec di distanza equivale a 3,26 anni luce (3,08×10¹⁶ metri).

The Essential Atlas, la rotta di Kessel era un percorso di 18 parsec (59 anni luce), utilizzato dai contrabbandieri per aggirare i blocchi imperiali, il cui percorso viaggia attorno a “The Maw“, un ammasso di buchi neri.

**Perché Solo dovrebbe descrivere la velocità con cui ha viaggiato usando la distanza?**

Per ridurre la distanza percorsa, i piloti dovrebbero aggirare pericolosamente i bordi dei buchi neri, cercando di evitare la spaghettificazione. Se Solo era un pilota abbastanza abile da volare abbastanza vicino ai buchi neri, e tagliare quasi 20 anni luce, allora la sua nave era davvero veloce.

Immagine della Rotta di Kessel Fonte: Slashgear

Essendo in grado di ballare attorno alle singolarità (buchi neri), il Millennium Falcon si afferma come una nave veloce e il vantarsi di Solo ha senso. Ma questo solleva un problema più intrinseco: la rotta Kessel copriva quasi 40 anni luce di cosmo. Se Star Wars seguisse le leggi della fisica, prendere quella rotta cambierebbe la cronologia della vita di Han Solo.

In A New Hope, Solo stabilisce che il Millennium Falcon può andare “0,5 oltre la velocità della luce“, accendendo la speranza per un’argomentazione scientificamente accurata. La velocità della luce è il limite di velocità universale e niente può superarla.

Viaggio nel tempo

Poiché la rotta di Kessel accorciata copre 12 parsec (39,6 anni luce), una nave che viaggia quasi alla velocità della luce impiegherebbe poco più di 39,6 anni per arrivarci. Considerando la dilatazione del tempo, chiunque guardasse la rotta di Kessel avrebbe visto Solo accelerare per 40 anni, ma Solo stesso avrebbe vissuto solo poco più di mezza giornata. Nel tempo necessario a Han per completare solo una rotta di Kessel, nel resto della galassia passano 40 anni.

C’è la scappatoia dell’azionamento a curvatura. Se riesci a percorrere una distanza minore piegando lo spazio stesso, non c’è problema di dilatazione del tempo. Ma un dispositivo di azionamento a curvatura non è mai menzionato esplicitamente in Star Wars.

Come potrebbe funzionare una simile rotta di contrabbando? Chi ha la lungimiranza di contrabbandare qualcosa che l’altra parte non vedrà per 40 anni? E immagina come funzionerebbe per il contrabbandiere. Parte per una rotta Kessel, e 16 ore dopo torna per scoprire un mondo cambiato.

“May the Force be with You, Always!”