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Nobel per la Fisica 2021 ai pionieri dello studio del clima e altri sistemi complessi

I vincitori del premio Nobel per la Fisica di quest’anno hanno dedicato la loro vita alla complessità dei sistemi macroscopici, come l'atmosfera, e di quelli microscopici, che caratterizzano discipline che vanno dalla biofisica all'intelligenza artificiale
ll premio Nobel per la Fisica 2021 è stato assegnato per metà ai climatologi Syukuro Manabe e Klaus Hasselmann, e per metà al fisico italiano Giorgio Parisi. Gli studi dei tre scienziati hanno un minimo comun denominatore: la complessità. Hasselmann e Manabe hanno guidato lo sviluppo dei primi modelli climatici, gli strumenti che simulano e predicono l'evoluzione del clima, comprendendo a fondo il ruolo centrale che il biossido di carbonio ha come agente del riscaldamento globale. Gli studi di Parisi invece hanno fatto luce sulla complessità del comportamento della materia a scala subatomica, aprendo la strada a molti campi anche apparentemente distanti tra loro.  

Il ruolo del biossido di carbonio

La fisica del clima si basa sulle stesse leggi naturali che governano il nostro universo, alcune note da secoli. Il problema è che questo sistema è composto da molte parti che interagiscono tra loro. Fino all'arrivo dei computer, non era possibile fare dei modelli in grado di comprendere, e quindi predire, il meteo e il clima, compreso il ruolo del biossido di carbonio, che già Svante Arrhenius, all'inizio dello scorso secolo, aveva identificato come gas climalterante. Il lavoro di Syukuro Manabe (Princeton University), emigrato dal Giappone agli Stati Uniti nel dopoguerra, si è occupato proprio di questo: capire se e come questo gas poteva governare la temperatura del pianeta. Per farlo costruì un modello che è un po' il papà di tutti quelli che sono seguiti. Era un modello unidimensionale, che considerava una singola colonna di atmosfera alta 40 km, ma indicava chiaramente che era il biossido di carbonio a "comandare" riscaldamento e raffreddamento della bassa atmosfera, quella dove viviamo. Arrhenius aveva visto giusto. Man mano che la potenza di calcolo aumentava, questi modelli diventarono sempre più complessi, e già nel 1975 Manabe pubblicava il primo modello a tre dimensioni.  
Uno dei lavori storici di Manabe, nel quale viene mostrato il ruolo centrale del biossido di carbonio nel riscaldamento dell'atmosfera

 

Meteo e clima

Il meteo e il clima non sono la stessa cosa, ma sono legati. E i climatologi usano dati meteorologici per i loro modelli. Come è possibile che sappiamo prevedere in modo robusto come sarà il clima tra alcuni decenni, se le previsioni meteo sono solo affidabili a breve termine? Klaus Hasselmann (Università di Amburgo) è il responsabile di questa sintesi. Ha creato modelli stocastici, cioè probabilistici, che legano le rapide variazioni a breve termine dell'atmosfera (meteo) ai trend più a lungo termine (clima). Hasselmann è stato anche un pioniere del climate fingerprinting, un insieme di tecniche che permettono di discriminare l'impatto umano sul clima da quello di altri fattori. I climatologi sanno con certezza se un cambiamento nella storia del clima è attribuibile a una modificata attività solare, o a un'eruzione vulcanica, rispetto a un amento di biossido di carbonio proveniente dai combustibili fossili. Questo perché tutti questi processi sono diversi, e ognuno ha la sua "impronta digitale".  
L'impronta digitale delle varie sorgenti di anidride carbonica
  Il Nobel a Manabe e Hasselmann è dunque un riconoscimento forte che l'Accademia svedese riconosce all'importanza cruciale degli studi sul clima che sono al centro del dibattito pubblico in questi anni. A questo proposito Thors Hans Hansson, presidente del comitato del Nobel per la fisica, ha dichiarato:  
"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"
  A domanda diretta dei giornalisti presenti, ha aggiunto che i leader mondiali finora non sembrano aver recepito questo messaggio.  

Giorgio Parisi e il prototipo dei sistemi complessi

I sistemi complessi sono ovunque, anche a piccolissima scala. Esiste, per esempio, un sistema della materia chiamato vetro di spin, dove gli spin magnetici degli atomi all'interno di un reticolo cristallino si comportano in modo anomalo. Sono detti frustrati, perché non occupano una posizione geometrica "classica", non è possibile predire quale sarà la loro orientazione nel tempo e quindi quali proprietà magnetiche avrà il materiale. Giorgio Parisi (Università Sapienza) è riuscito invece a descrivere matematicamente il fenomeno, dimostrando l'esistenza di un ordine nascosto per questo sistema, che dipende dalle condizioni di partenza (per esempio dalla temperatura). Questa dipendenza dalle condizioni di partenza è il minimo comun denominatore di tutti i sistemi i complessi, ed è per questo che i vetri di spin, e l'analisi di Parisi, sono considerati un prototipo dei sistemi complessi in generale. Gli studi dello scienziato italiano sono stati applicati in moltissimi campi, dalla neurobiologia all'informatica, come ha dichiarato la presidentessa del CNR Maria Chiara Carrozza:  
“L'assegnazione del premio Nobel al fisico Giorgio Parisi inorgoglisce tutta l'Italia e anche il Consiglio nazionale delle ricerche, con il quale il fisico ha sempre intrattenuto stretti rapporti di collaborazione proseguiti ancora di recente con le attività svolte in associatura al nostro Istituto Nanotec. Oltre a compiacerci per questo straordinario risultato - che segue di poco quello del Clarivate Citation Laureates 2021 che lo riconosce studioso più citato al mondo per le pubblicazioni scientifiche - la nostra comunità scientifica lo ringrazia sentitamente per il contributo fondamentale nello studio dei sistemi complessi disordinati alla base di tante linee di ricerca del Cnr, dallo studio dei sistemi vetrosi, ai sistemi di lasing e trasmissione della luce in mezzi random, dalle reti neurali e IA, alle reti metaboliche e alla biofisica. Lamentiamo spesso, e purtroppo a ragione, le molte difficoltà nelle quali si dibatte la ricerca italiana, dalla scarsità di risorse umane e finanziarie alla burocratizzazione, ma questo premio è solo l'ultima e straordinaria conferma dell'eccellenza della ricerca scientifica italiana”.
 
Se desideri approfondire le ricerche dei premi Nobel Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann e Giorgio Parisi, puoi consultare questo documento condiviso dal sito ufficiale del Nobel Prize.
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