Premio Nobel per la Fisica 2021 a Giorgio Parisi

Il fisico teorico italiano Giorgio Parisi, professore dell'Università Sapienza di Roma e dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica 2021, "per i contributi innovativi alla comprensione dei sistemi fisici complessi". Premiati anche Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann, per le loro ricerche su modelli climatici e il riscaldamento globale.

Immaginiamo di entrare in una stanza dove siamo amici di tutti e dove tutti sono amici tra loro. Dovunque ci sediamo saremo sempre in mezzo ad amici. Questa situazione è l’analogo di una configurazione di equilibrio in un gas: le molecole del gas sono in moto erratico ma in una configurazione stabile e quindi una misura macroscopica della termodinamica del gas fornirebbe sempre lo stesso valore oggi come domani o tra un mese.

Anche per i sistemi magnetici esiste la stessa fenomenologia. Un pezzo di ferro si attacca ad una calamita in quanto è formato da un numero enorme di magnetini (spin) che sono come delle piccole calamite, tendono ad avere tutti la stessa direzione, e se ne arrivasse un altro anch’ esso sarebbe ben felice di allinearsi.  Anche in questo caso, una misura macroscopica della magnetizzazione (l’orientazione media degli spin in un volume) fornirebbe sempre lo stesso risultato perché si tratta di una configurazione di equilibrio.

Supponiamo ora di avere due amici che non vogliono frequentarsi tra loro, e che entrambi ci invitino a cena da loro. Chiaramente ci troveremmo in un’impasse in quanto se andiamo da uno facciamo un dispiacere all’ altro e viceversa. Una situazione analoga si riscontra nei sistemi antiferromagnetici in cui i singoli spin vicini tra loro preferiscono stare non paralleli tra loro, come nel caso precedente dei ferromagneti, ma in direzioni diverse come mostrato in Figura.


Guido Caldarelli, Achille Giacometti, Flavio Romano del Dipartimento di Scienze Molecolari e Nanosistemi

I due spin A e B sono orientati in differenti direzioni -- i due amici sono tranquilli se non si frequentano-- e C può orientarsi al contrario di  B, accettando il suo invito a cena ma facendo un dispiacere ad A, oppure al contrario di A facendo un dispiacere a B. In questo caso C è chiaramente in uno stato frustrato nel senso che non può accontentare entrambi.

Questa analogia, che rappresenta in qualche modo il paradigma delle grandi tragedie Shakespeariane, è esattamente quella usata da Giorgio Parisi per descrivere l’ingrediente fondamentale presente nei vetri di spin, e per la cui spiegazione ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica del 2021.

Se in un pezzo di ferro sostituissimo anche una piccolissima frazione di atomi di rame e abbassassimo velocemente la temperatura, il sistema non raggiungerebbe mai una configurazione di equilibrio ma resterebbe intrappolato in una moltitudine di stati metastabili nessuno dei quali rappresenterebbe la configurazione di equilibrio.
Mentre la descrizione della configurazione di equilibrio di un sistema, sia esso un gas o un ferromagnete, era ben nota fin dalla seconda metà dell’ 1800 avendo motivato la nascita della Meccanica Statistica per mano di giganti quali James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann e Jason Willard Gibbs, nessuno aveva un’ idea chiara di come procedere nel caso dei vetri di spin fino a quando, nel 1983, Parisi pubblicò la soluzione nel Physical Review Letters una delle riviste più prestigiose della fisica.

Il contributo di Giorgio Parisi va però molto oltre questo già non trascurabile risultato, avendo fatto emergere la fisica dei sistemi complessi come uno dei paradigmi dominanti della scienza moderna, quello in cui le proprietà del sistema non è direttamente riconducibile a quello dei singoli componenti, e trascende anche lo stesso campo delle fisica. Le reti neurali in neuroscienze, il comportamento collettivo di uno stormo di uccelli in etologia, o il ripiegamento di una proteina in biochimica, sono tutti esempi di sistemi complessi, trattabili con le stesse tecniche inventate da Parisi, e per i quali Parisi stesso ha dato un contributo determinante. La sua grandezza sta appunto nell’ aver aperto dei nuovi campi che sono poi diventati terreno fertile per ulteriori ricerche di altri.

Generazioni di studenti sono cresciuti studiando le equazioni di Altarelli-Parisi nella cromodinamica quantistica e l’equazione di Kardar-Parisi-Zhang nella dinamica stocastica delle interfacce, che rappresentano solo due dei molti contributi di Parisi che sono poi diventati campi classici di ricerca. Per questo motivo, Parisi ha sempre suscitato unanime ammirazione nella comunità scientifica internazionale, ed è stato insignito di tutti i premi possibili del campo. Mancava solo il Nobel che, per fortuna, oggi è finalmente arrivato.

Guido Caldarelli, Achille Giacometti, Flavio Romano