Complessità: dalle Strutture Nanometriche a quelle Cosmiche

Responsabili: Luciano Pietronero, Francesco Sylos Labini

L’approccio tradizionale della fisica è quello di considerare i sistemi più semplici e di studiarli in grande dettaglio. Tale approccio si focalizza su “mattoni” elementari che costituiscono la materia. Questo è l’approccio riduzionistico che si applica con successo a molti fenomeni e dal quale è stato possibile derivare leggi generali che si estendono dalla scala del nucleo atomico a quella delle galassie. È facile però rendersi conto che per una cellula o un organismo vivente il problema è molto diversa. In questi casi siamo di fronte ad una nuova situazione in cui la conoscenza delle proprietà degli elementi individuali (atomi) non è sufficiente per descrivere la struttura nel suo insieme. Il punto è che, quando questi elementi interagiscono tra di loro, formano delle strutture complesse e sviluppano delle funzioni che hanno poco a che fare con le proprietà dei singoli componenti isolati. Possiamo rappresentare questa situazione come lo studio della “architettura” della materia e della natura. Essa dipende in qualche modo dalle proprietà dei “mattoni”, ma possiede poi caratteristiche e leggi fondamentali che non possono essere ricollegate a quelle dei singoli elementi. Lo studio dei sistemi complessi riguarda l’emergenza di proprietà collettive in sistemi con un gran numero di componenti in interazione tra loro. Questa problematica è fondamentale nello studio di molti problemi fisici e la sua comprensione può inoltre dar luogo ad una nuova metodologia, con possibilità di applicazioni in altri campi. I sistemi sociali ed economici, la rete neurale del cervello, il flusso del traffico, il sistema immunitario e il genoma umano, la rete internet, insieme con i problemi più classici di formazione delle strutture e crescita frattale, rappresentano importanti esempi di sistemi complessi. Il campo dei sistemi complessi fornisce una varietà di metodi nuovi e raffinati che permettono di porsi nuove domande e di studiare questi sistemi in modo diverso e originale. L’idea è di focalizzarsi sulla struttura delle interconnessioni e della architettura generale dei sistemi, piuttosto che sui loro singoli componenti. Questa nuova prospettiva si sta rapidamente propagando in vari campi della scienza e della tecnologia e in taluni casi anche nelle strutture delle reti commerciali e delle politiche sociali. In questo contesto ci siamo concentrati su quattro progetti che riguardano problematiche tra le più affascinanti ed attuali e per le quali è ragionevole attendersi importantissime novità a causa della gran quantità di dati che si stanno accumulando. Inoltre, riteniamo che le competenze disponibili in questi campi nell’ambito del Centro Fermi, hanno permesso di inserirne immediatamente l’attività al massimo livello internazionale. I quattro sotto-progetti a cui si accennava sopra sono i seguenti.

1) Struttura a larga scala dell'universo e dinamica gravitazionale

2) Comunicazione ed auto-organizzazione in sistemi tecnologici, sociali e biologici

3) Fisica in fenomeni socio-economici

4) Proprietà dinamiche dei sistemi di reti