Mi supervisor de doctorado acaba de ganar el Premio Nobel de Física: así es como su investigación sobre sistemas complejos cambió la ciencia

los Premio Nobel de Física En 2021, recibió premios conjuntos del italiano Giorgio Baresi, el japonés Siokoro Manabe y el alemán Klaus Haselmann “por sus contribuciones pioneras a nuestra comprensión de los sistemas complejos”.

Cuando escuché la noticia, no lo podía creer. Estudió para su tesis de maestría y doctorado en física teórica bajo la supervisión del profesor Baresi en la Universidad Sapienza de Roma.

Cuando digo que estaba incrédulo, no me malinterpreten. De todas las personas que he conocido en mi experiencia de investigación, tal vez en mi vida, él es sin duda el más creativo. Así que no me sorprendió la decisión del Comité del Premio Nobel de nombrarlo premio Nobel. En cambio, fue su decisión de reconocer sus “contribuciones a nuestra comprensión de los sistemas complejos” lo que me intrigó.

El premio Professor Parisi, dividido con los meteorólogos pioneros, el profesor Manabe y el profesor Hasleman, es un reconocimiento asombroso de todo un campo de investigación, quizás un poco menos glamoroso que el de la relatividad general o la teoría de cuerdas, que intenta comprender y formular lo que nosotros pensamos. en física llamar “sistemas complejos“.

Estos incluyen cosas como ecosistemas climáticosY sistemas financieros, Y fenómenos biológicos, Por ejemplo, pero no limitado a. La gran diversidad de sistemas complejos, la fluctuación de los mercados y el flujo de estorninos, hace que sea extremadamente difícil derivar algún tipo de regla global para ellos. El trabajo de Parisi nos ha permitido sacar conclusiones sin precedentes sobre sistemas aparentemente aleatorios, impredecibles y teóricamente imposibles.

A diferencia de otros modelos físicos, los sistemas complejos no son una colección de partículas idénticas e interactúan regularmente de manera consistente y predecible. Más bien, los sistemas complejos son sistemas de elementos, potencialmente diferentes entre sí, que interactúan de formas diferentes y aparentemente impredecibles mientras están expuestos a diferentes condiciones externas.

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La teoría de los “sistemas turbulentos” es un punto de partida para modelar sistemas complejos. Estos son básicamente sistemas en los que diferentes pares de elementos experimentan diferentes fuerzas potencialmente conflictivas que pueden llevar a los elementos a “frustrarse”.

Una forma de ilustrar esto es imaginar una fiesta (un sistema social cerrado), donde a Alice le gustaría charlar con Bob, y a Bob le gustaría charlar con Charlie, pero a Charlie podría no gustarle charlar con Alice. Aquí hay frustración, entonces, ¿qué deberían hacer?

En este ejemplo, una de las esquinas del triángulo está frustrada.
Johan Garnestad / Real Academia Sueca de CienciasY CC BY-NC

La investigación del profesor Parisi explicó lo que sucede cuando la frustración ocurre en sistemas turbulentos y complejos. Determinó que los sistemas complejos son capaces de recordar sus trayectorias a lo largo del tiempo y pueden quedarse atascados en estados subóptimos durante mucho tiempo.

En nuestro ejemplo de fiesta, imagina que Alice, Bob, Charlie y los otros invitados cambian de grupo de chat y socios con poca frecuencia, con la esperanza de encontrar el mejor grupo de personas con quien conversar, pero probablemente nunca lo encuentres. Estos son sistemas de casos complejos en los que puede quedarse atascado.

Patrones de caos

Una de las muchas herramientas teóricas que utilizó el profesor Parisi para establecer su teoría es la llamada “truco de réplicaUn método matemático que toma un sistema perturbado, lo repite varias veces y compara cómo se comportan diferentes réplicas del sistema. Puede hacer esto, por ejemplo, apretando canicas en una caja, que formará una configuración diferente cada vez que apriete. Parisi sabía que a lo largo de muchas iteraciones, podrían surgir patrones expresivos.

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Diagrama que muestra sistemas complejos turbulentos

El truco de la réplica se puede hacer presionando bolas en una caja.
Johan Garnestad / Real Academia Sueca de CienciasY CC BY-NC

Este método es ahora uno de los pocos pilares teóricos para desarrollar la teoría completa de sistemas complejos como los conocemos hoy. Se ha demostrado que la teoría del profesor Parisi ofrece predicciones fiables sobre las propiedades estadísticas de sistemas complejos que van desde líquidos superenfriados (líquidos por debajo de su temperatura de solidificación), líquidos congelados, sólidos amorfos como el vidrio e incluso bandadas de estorninos.

La teoría de los sistemas turbulentos nos permite comprender la hermosa apariencia de patrones de vuelo coherentes dentro de bandadas estrechas de aves, que han logrado mantenerse juntas y formar grandes grupos a pesar de las condiciones adversas.

Parisi estudió cómo se comportan las bandadas de estorninos bajo la depredación de los halcones peregrinos.

El mismo marco se utilizó para comprender el clima de la Tierra. Los meteorólogos que comparten el Premio Nobel con el profesor Parisi se basarán en los avances de la física teórica para producir los modelos que usamos ahora para demostrar de manera confiable el calentamiento global.



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Tuve la oportunidad de discutir estos temas con el profesor Baresi en Roma, mientras se llevaban a cabo sus experimentos con bandadas de pájaros y durante simulaciones por computadora del comportamiento del vidrio. Conociendo un poco su mente, no me sorprende en absoluto que haya ganado el Premio Nobel de Física.

Pero me sorprende gratamente que se haya revelado el campo de los sistemas complejos, empujando silenciosamente hacia los límites de la investigación teórica en física. Este premio Nobel ha dado nueva legitimidad – y, con suerte, nuevas mentes – a este fascinante campo de la física contemporánea.

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