Davide Pierangeli ci racconta il déjà vu della fisica dei sistemi complessi

Abbiamo vissuto due volte o mille volte? La nostra memoria non è che uno specchio appannato che il soffio di Dio ravviva? Oppure abbiamo nella nostra immaginazione la facoltà di presentire e vedere prima quel che vediamo realmente? Questioni insolubili” (Lamartine)

Remo Bodei nel suo articolato, seducente e profondo compendio sul fenomeno del déjà vu (Piramidi del tempo) ci permette di viaggiare tra le menti e le intuizioni di filosofi, scrittori, artisti che si sono confrontati con la percezione millennaria che ha l’uomo in alcuni momenti di rivivere situazioni già vissute.

Pirandello affermava “….Ho sempre riconosciuto tutto, e più che mai gli uomini, dovunque”. Sulla via della suggestione e della razionalità mi sono avvicinata a una recente scoperta del Dipartimento di Fisica di Sapienza Università di Roma, grazie all’incontro con Davide Pierangeli, fisico e ricercatore, membro di una delle 2 squadre scientifiche che hanno contribuito alla dimostrazione delle ricorrenze fisiche in natura, confermando il cosiddetto “paradosso Fermi Pasta Ulam”.

Enrico Fermi, lavorando a quella prima macchina di calcolo che sarebbe diventato il moderno computer, trovò in modo del tutto inaspettato, che alcuni sistemi non lineari complessi (cioè con molti gradi di libertà interagenti tra loro) durante la loro naturale evoluzione potevano spontaneamente ritornare allo stato di partenza in modo ciclico, senza mai raggiungere un equilibrio finale. 

Nello studio condotto dal Dipartimento di Fisica della Sapienza, con la collaborazione dell’Institute for Complex Systems del Consiglio nazionale delle ricerche – Cnr, della Shenzhen University, della Hebrew University of Jerusalem e del Landau Institute for Theoretical Physics, è stato dimostrato, sperimentalmente e, per la prima volta, come la ricorrenza di Fermi-Pasta-Ulam abbia origine in un preciso moto collettivo del sistema e come questo possa essere predetto ottenendo, dalle equazioni modello, soluzioni matematiche esatte. I risultati dello studio sono pubblicati sulla rivista Physical Review X.

Ricorrenze fisiche in un sistema complesso, vale a dire in un sistema in cui il numero di variabili che intervengono e gli episodi di interazioni è talmente alto che non si può stabilire che cosa accadrà nel tempo e, come,da uno stato si passi a un altro stato, completamente diverso.

“La fisica delle sensazioni ancora non esiste” scherza Pierangeli che ci tiene fin dall’inizio della conversazione a evidenziare che ci muoviamo in un terreno puramente fisico, lontano da qualsiasi connotazione psicologica del fenomeno.  Si va alla radice fisica, in un sistema fisico; in natura è possibile  che un determinato evento, uno stato si possa ripetere a una certa distanza di tempo come se non fosse accaduto prima.

Tuttavia la sensazione, da profana della scienza, ascoltandolo, è quella di un ignoto ed enigmatico sentimento di sorpresa, vaghezza e incommensurabile stupore di fronte alle possibili e impossibili pieghe dell’universo. Mi scorrono nella mente, secoli, millenni di ricerca della conoscenza, sano anelito dell’uomo, se tale conoscenza è rivolta al miglioramento della comunità umana e ambientale, scevra di ogni forma di nichilismo e auto distruzione.

Davide, ci può raccontare come si è svolto lo studio, come è partito, con quali obiettivi?

Lo studio nasce in relazione a un fenomeno molto simile, ossia il fenomeno delle onde anomale, che si riscontrano in diversi sistemi, dalle onde idrodinamiche (oceaniche) ad altri tipi di fenomeni turbolenti, A noi interessava capire come tali eventi per la loro natura distruttiva, dovuto all’energia di cui sono portatori, possano essere previsti o evitati. La nostra squadra lo fa dal punto di vista ottico, con dei filamenti di luce che riescano a mostrare le intensità altissime in un determinato sistema con eventi molti intensi dal punto di vista ottico.

Stiamo parlando di fenomeni ottici, sia molto intensi che meno intensi, per esempio la propagazione di fasce luminose in sistemi disordinati, materiali che deviano la luce hanno riflessioni multiple e permettono di studiare la distribuzione nello spazio di queste onde luminose che dal punto di vista teorico è molto simile a quello che è, per esempio, la distribuzione delle onde negli oceani.

In generale, posto che i sistemi complessi molto grandi sono difficili da studiare sperimentalmente, si cercano dei sistemi analoghi, equivalenti, che possano essere studiati in laboratorio e in situazioni controllate; mentre ricercavamo tale dimostrazioni, sempre all’interno del Dipartimento di Fisica della Sapienza,  un gruppo teorico  si occupava di onde non lineari, anomale, in sistemi simili. Una coincidenza scientifica che è diventata collaborazione.

Ci può descrivere di che cosa vi siete occupati nello specifico?

Il gruppo sperimentale formato da me, Claudio Conti e il coordinatore Eugenio del Re, in genere si occupa di studi di ottica sperimentale (fisica ottica), dunque coinvolge anche temi connessi alla possibilità di prevenzione delle onde anomale. Contemporaneamente c’era il gruppo teorico, formato da Paolo Santini, professore del Dipartimento di Fisica, con un suo collaboratore russo che lavoravano a una trattazione teorica di modelli matematici in grado di prevedere questo tipo di fenomeni anomali.

Questi studi erano separati o condotti in sinergia?

Nascono come due studi separati, su argomenti molto simili che ci hanno portato a collaborare su una possibile realizzazione sperimentale su alcune teorie che loro stavano realizzando, alla base il problema della scienza non lineare (teoria dei sistemi complessi).

Una questione che risale a 60 anni fa con quello che è passato alla storia come paradosso Fermi Pasta Ulam, che si soffermarono sul caso più semplice in un sistema complesso, che presenta  molte variabili di libertà e numero di interazioni all’interno, scoprendo, a livello teorico ,il fenomeno della ricorrenza. Questa scoperta è stata al centro del dibattito scientifico fino ad oggi, con uno svariato numero di proposte, ma non c’erano elementi per potere discriminare una proposta da un’altra.

Quali sono i fattori fondamentali della vostra scoperta?

Dal punto di vista applicativo può essere rilevante il grado di predicibilità che si può ottenere. Questi sistemi complessi, che dal punto di vista fisico sono considerati caotici, sono difficilmente prevedibili. Solitamente, se si prova a seguire un sistema di questo genere per un determinato periodo di tempo, dopo un lasso di tempo, si perdono completamente informazioni di dove era il sistema.  Non si può predirne l’evoluzione in modo preciso, così come con i sistemi meteorologici.

Noi siamo riusciti a predire questo tipo di fenomeno, di ricorrenze su tempi e dinamiche molto lunghe per la prima volta.  Dal punto di vista applicativo, come dicevo prima,  abbiamo dimostrato che è possibile predire queste dinamiche caotiche che si possono applicare agli oceani o ad altri sistemi idrodinamici. Pensiamo al fenomeno degli tsunami.

Fermi aveva aperto il dibattito, ma non l’aveva dimostrato?

Fermi aveva aperto il dibattito da un punto di vista teorico, proprio mentre stava sviluppando quello che può essere considerato il primo prototipo del computer moderno, in modo del tutto inaspettato. Ma  come è possibile che un sistema con così tanti variabili, tante interazioni, ritorni a uno stato in cui era già stato? Sistemi sperimentali che presentassero questo fenomeno non si riuscivano a osservare in nessun modo; questa situazione per questo è nota come paradosso di Fermi Pasta Ulam.

Se vogliamo vederla con un’analogia sociale o personale di tutte le cose che possiamo fare, come è possibile che si ricrei una stessa situazione a distanza di tempo. E questa è la stranezza del déjà vu e da dove viene l’analogia.

Torniamo al vostro esperimento. Mi diceva che avete analizzato le onde generate da fasce luminose

Si, un esperimento ottico in cui un fascio di luce, strutturato, modulato secondo entità luminose di diversi punti dello spazio, viene fatto evolvere in un mezzo che viene detto non lineare in cui le varie zone del campo ottico possono interagire tra loro in modo molto complesso.

Questo esperimento va esattamente a simulare, a ricreare le condizioni dell’assunto teorico di Fermi Pasta Ulam e si va a studiare l’evoluzione di questi moti complessi all’interno del mezzo;  quello che abbiamo visto è che, eccitando in un determinato modo un campo ottico, la distribuzione di onde luminose a una determinata distanza di tempo, ripresenta lo stesso fascio luminoso che c’era prima. Questo per diverse volte. Un campo che evolve, per ritornare esattamente allo stato iniziale. Il nostro esperimento arriva a dimostrare 4 ricorrenze e può essere trasferito a diversi sistemi complessi.

(Davide per aiutarmi a capire un fenomeno tanto semplice da descrivere per quanto arduo da comprendere, ricorre ad una suggestiva analogia con la musica). “Pensi alle onde acustiche. Immagini  un’orchestra composta da molti strumenti, con tutte le tonalità possibili, se lei va a toccare uno strumento, darà vita a una nota particolare e di conseguenza ad una determinata armonia , poi senza che lei faccia niente, ritorna a ritroso e tutto ritorna come se niente fosse accaduto, rispetto alla nota che ha toccato all’inizio, potendo risalire alla nota iniziale. Nel nostro caso si tratta di onde ottiche e non acustiche.

Che tipo di risonanza ha avuto in campo scientifico?

Molto rilevante, tante ricorrenze non sono mai state osservate, il fatto che con le nostre osservazioni siamo riusciti a discriminare una teoria, e quindi a spiegare la base delle ricorrenze che si possono osservare in natura e questo non era mai stato fatto prima. E poi abbiamo osservato grazie alla visione teorica che una particolare tipologia di ricorrenze che erano assolutamente non note. Da un punto di vista fisico  è stato molto importante, dal punto di vista sociale, no.

Di pratico, di rilevante è la possibilità di riuscire a predire in sistemi complessi, per esempio andando a misurare, nell’ottica dell’orchestra, il momento in cui tutti gli strumenti che suonano e applicando la teoria di base, riusciamo a risalire, la nota che lei aveva toccato all’inizio e in un sistema del genere non è affatto banale.

Come procede lo studio a livello sia sperimentale che fisico?

Per eesempio, lo step che stiamo pensando di fare è quello di andare a vedere se esistono ricorrenze più complesse, oltre le ricorrenze fondamentali in natura. Stiamo cercando di affrontare problemi più complessi, per esempio quando lei, anziché toccare una nota, tocca più note, per esempio, se è possibile che in quel caso, il sistema torni indietro. O quali sono i meccanismi fisici che possano rompere questo tipo di fenomeni ricorrenti, soprattutto per capire se fenomeni di questo tipo si possano trovare in sistemi più complessi.

 Interessante da un sistema modello, come questo qui, andare su altri tipi di sistemi, per esempio se si ha un insieme di persone in un ambiente chiuso, che sono in una determinata posizione, è possibile che ritornino in quella posizione, in modo naturale?

Si studia questo tipo di sistema, per esempio, nelle dinamiche di tipo biologico e animale. Prendiamo gli sciami o gli  stormi sono molto significativi da questo punto di vista. Gruppi di uccelli che si muovono apparentemente in modo molto ordinato, anche se sono tantissimi; un tipo di dinamiche, utile anche dal punto di vista tecnologico, se uno per esempio, si vuole far muovere un insieme di robotini, o oggetti del genere.

Al Dipartimento di Fisica, prevedete studi interdisciplinari, tipo filosofia e fisica….o sono studi prettamente su fisica. Il campo della ricerca attualmente favorisce e intensifica questo tipo di approccio multidisciplinare?

Con filosofia, che sappia io, no; per quanto mi riguarda, è un mio interesse dai tempi del liceo. Un filosofo avrebbe molto da scrivere su scoperte come quelle derivanti dalla scienza non lineare; per un fisico, 3 parole è per lui è finita. Forse è questa la differenza.

Secondo lei sarebbe auspicabile incrementare il dialogo tra fisici e filosofi?

Sì, c’è stato un periodo storico in cui questo dialogo c’è stato, nel periodo della meccanica quantistica: poiché si trattava di una crescita scientifica, aveva delle forti implicazioni filosofiche, in questo momento i campi di ricerca o quello che si fa generalmente ha meno implicazioni filosofiche e questo è il motivo per cui ci sono meno collegamenti.

Ora potrebbe rinascere un dialogo continuativo con lo sviluppo dell’intelligenza artificiale ed Internet delle cose. Anche se in questo caso ci muoviamo più su un terreno relativo al funzionamento della mente umana, quindi è un campo di interazione tra scienza e materie umanistiche per il prossimo futuro, sempre più fecondo. Per esempio, l’apprendimento del linguaggio e il suo sviluppo, è un settore che riguarda anche la fisica dei sistemi complessi. Cii sono branche che si occupano di evolve il linguaggio.

Il confronto nel campo della conoscenza è sempre corroborante, continuando con la tematica dello sviluppo del linguaggio, l’interazione tra filosofi, fisici, medici, neurobiologi, psicologi è una via da perseguire. Pensiamo anche allo studio fisico su come si propaga l’informazione attraverso i social network.  La fisica dei sistemi complessi  ha più interazione con le materie umanistiche.

Prima di salutarla, un breve excursus sulla sua formazione. Come scelse fisica per il suo percorso formativo – professionale?

Per essere sincero ero indeciso tra fisica e filosofia, avevo fatto lo scientifico.  Mi piaceva molto fisica, ma anche filosofia, sebbene avessi una predilezione per le scienze pure, sulla parte intuitiva piuttosto che su quella logica della matematica, pur ovviamente facendone uso. Preferisco fare esperimenti, una forma mentis un po’ diversa rispetto a matematica.

La fisica è un percorso intellettuale generale e completo che ti permette poi di affrontare qualsiasi tipo di professione tecnologico-scientifica.  La formazione è talmente generale che non si ha alcuna difficoltà a specializzarsi in una cosa o in un’altra.