Le straordinarie proprietà dei sistemi complessi

Il Nobel all'italiano Giorgio Parisi ha dato nuova visibilità e nuovo impulso agli studi sul comportamento collettivo, non solo in fisica, ma anche in biologia, bioinformatica, scienze sociali, ecologia ed economia.

C’è una complessità che ci sovrasta? La natura è complessa? Non è facile rispondere a queste domande, poiché ci sono fenomeni che possono essere analizzati con regole semplici, per esempio il moto di una sfera lungo un piano inclinato, e altri, come il comportamento dell’atmosfera, che richiedono criteri diversi. I sistemi complessi sono tra questi ultimi. Che cosa sono? Come si studiano? Come si comportano?

«I sistemi complessi – spiega Complexity Explained – sono spesso caratterizzati da molti elementi che interagiscono in più modi tra loro e potenzialmente anche con l’ambiente. Le interazioni possono generare nuove informazioni che rendono difficile studiare i componenti singolarmente o prevedere il loro futuro in modo completo. Le proprietà dell’insieme non possono essere comprese o previste dalla sola, anche se totale, conoscenza dei suoi componenti».

La complessità ha regole non intuitive, ma non illogiche. Tuttavia, la logica va cercata. «Riusciamo a capire in maniera quantitativa come il comportamento collettivo emerga partendo da semplici regole d’interazione tra i singoli attori», scrive Giorgio Parisi, ordinario di Fisica teorica all’università romana di Tor Vergata e premio Nobel per i suoi studi sulla complessità nel volume In un volo di storni.

Quello che accade in un sistema complesso è davvero singolare: il comportamento che assume non si può desumere o prevedere sulla base delle proprietà e dei comportamenti dei singoli componenti. Ragion per cui si dice che il tutto è diverso dalla somma delle parti. Per essere chiari: di una sfera che rotola su un piano inclinato si sa che, giunta alla base, si fermerà alla base, di un sistema complesso invece non si conosce l’evoluzione, il risultato è qualcosa di imprevedibilmente diverso.

Per questo semplici molecole di vapore atmosferiche in certe condizioni possono trasformarsi in uragani distruttivi. Riescono, cioè ad auto-organizzarsi in funzione delle condizioni dell’ambiente e determinano condizioni distruttive. Allo stesso modo stormi di uccelli disegnano, nel cielo, figure sempre nuove. Ciò è dovuto ad uno scambio costante di informazioni tra loro e con l’ambiente.

Ma, fatto davvero interessante, il sistema non evolve mai verso la semplicità ma si complica sempre più. «Man mano che il sistema diventa più organizzato – spiega ancora Complexity Explained – i nuovi modelli di interazione possono emergere nel tempo, potenzialmente portando alla produzione di ulteriore complessità». Questo perché non c’è un rapporto lineare tra causa ed effetto. In definitiva un sistema è complesso quando ha proprietà globali diverse da quelle dei suoi singoli componenti, è capace di auto-organizzazione ed è dinamico, si adatta, cioè, continuamente alle nuove condizioni ambientali.

Sistemi del genere difficilmente possono essere analizzati con l’intuizione o il calcolo manuale, occorrono modelli, simulazioni matematiche e computazionali avanzate; occorre il calcolo statistico e l’impiego preponderante di strumenti informatici. «Le tecniche del calcolo statistico – precisa il filosofo Luca Mori – permettono di elaborare informazioni sulle proprietà medie del sistema, arrivando addirittura a risultati più precisi al crescere delle variabili in gioco».

«I computer – chiarisce ancora Complexity Explained – vengono usati per analizzare quantità enormi di dati al fine di rivelare e visualizzare, nei sistemi complessi, schemi nascosti, che non sono visibili all’occhio umano». Con l’aiuto degli strumenti informatici si può verificare se le ipotesi adottate possono spiegare un comportamento osservato in natura.

Tuttavia la complessità non riguarda solo i fenomeni fisici o la natura, ma è presente in ambiti molto diversi.  «Questo metodo di studio – conferma Roberto Benzi, ordinario di Fisica teorica all’università romana di Tor Vergata nel libro La teoria del caos – ha l’indubbio vantaggio di costituire un riferimento concettuale per la ricerca in altri settori diversi dalla fisica, quali per esempio biologia e bioinformatica, scienze sociali, ecologia ed economia».

«La vera sfida – aggiunge Giorgio Parisi – era estendere l’applicabilità delle tecniche di meccanica statistica dalle entità inanimate agli animali». Studi sulla complessità sono stati, infatti, applicati per aumentare la sicurezza di sistemi come le stazioni di metropolitana o il funzionamento del cervello. Laddove i componenti sono tanti, gli studi sulla complessità aiutano a dipanare il sistema, non c’è campo che in futuro non trarrà vantaggio. Il Nobel è un riconoscimento al loro valore.

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