Cosa sono e perché è importante studiarli. L’intervento di Andrea Rapisarda, docente di Fisica teorica
Oggi si sente parlare tanto di sistemi complessi anche grazie al Premio Nobel per la Fisica che l’Accademia Svedese delle Scienze ha conferito nel 2021 al prof. Giorgio Parisi, fisico teorico dell’Università La Sapienza di Roma.
Un premio conferito proprio per i suoi contributi pioneristici allo studio dei sistemi complessi. Ma non tutti sanno chiaramente cosa siano i sistemi complessi e perché sono oggi così importanti. Spesso la parola complesso viene contrapposta a quella di semplice, ma in realtà le cose non stanno proprio così.
Un sistema complesso è diverso da un sistema complicato o da un sistema il cui comportamento sia difficilmente comprensibile.
In parole semplici, un sistema complesso è un sistema composto da molti componenti elementari che interagiscono in maniera non-lineare fra loro, capaci di auto-organizzarsi e far emergere spontaneamente un comportamento collettivo non previsto dalle leggi a cui obbediscono i singoli componenti.
I sistemi complessi sono spesso sistemi fuori dall’equilibrio che stanno fra ordine e disordine e che mostrano una invarianza di scala, cioè piccole parti hanno la stessa struttura del tutto.
Possono essere sistemi di varia natura come ad esempio sistemi fisici, biologici, sociali ed economici.
Il rettore Francesco Priolo insieme con il premio Nobel Giorgio Parisi
La differenza tra sistema complicato e sistema complesso
Una macchina è generalmente un sistema complicato fatto da tanti pezzi, ma non è un sistema complesso. Se ad una macchina si toglie un pezzo, la macchina continua a funzionare ed il suo funzionamento cambia di poco.
In un sistema complesso ogni componente è invece fortemente collegato a molti altri e asportandone anche solo uno posso cambiare sensibilmente il comportamento di tutto il sistema, come ad esempio avviene in un ecosistema o in un cervello o in una città o in una rete di computer.
Come si può ben capire, lo studio dei sistemi complessi è altamente interdisciplinare, ma può essere affrontato con tecniche e modelli molto simili. Le applicazioni, inoltre, sono molteplici e di grande importanza nel mondo di oggi estremamente interconnesso, dove piccoli cambiamenti a grandi distanze possono avere grandi conseguenze in breve tempo.
Ad esempio la diffusione di un virus pericoloso che nasce in Oriente o lo scoppio di un conflitto a migliaia di chilometri di distanza o la mancata assunzione di politiche più sostenibili anche da parte di nazioni molto distanti da noi per contenere i cambiamenti climatici. Ecco perché lo studio dei sistemi complessi, riveste grande importanza ed i fisici che sono stati fra i primi ad occuparsi, a partire dagli anni 70, di sistemi complessi oggi hanno travalicato i confini della propria disciplina e lavorano fianco a fianco con biologi, informatici, ingegneri, sociologi e economisti.
Formazione spontanea di stormi di uccelli, tipico effetto di sistema complesso
Giorgio Parisi, premio Nobel per la Fisica nel 2021
Il fisico romano i ha ricevuto il premio Nobel per la Fisica nel 2021 per i suoi pioneristici studi sui sistemi complessi. Famosi i suoi lavori sul comportamento collettivo degli stormi di uccelli insieme con il docente Nicola Cabibbo, altro famoso fisico teorico italiano scomparso nel 2010 che ha rivestito anche il ruolo di presidente della Pontificia Accademia delle Scienze.
La formazione spontanea di stormi di uccelli che si osserva spesso al tramonto è un tipico effetto emergente di un sistema complesso senza alcun coordinamento da parte di un uccello leader
Formazione spontanea di stormi di uccelli, tipico effetto di sistema complesso
Il Dottorato in sistemi complessi per le scienze fisiche, socio-economiche e della vita
Nel 2016 è stato istituito nel nostro ateneo il Dottorato in sistemi complessi per le scienze fisiche, socio-economiche e della vita, incardinato al Dipartimento di Fisica e Astronomia.
Il dottorato annovera all’interno del suo collegio dei docenti di diversi dipartimenti dell’Università di Catania, ma anche professori di prestigiosi enti di ricerca ed atenei esteri come ad esempio il Prof. Dirk Helbing dell’ETH di Zurigo, il Prof. Stefan Thurner del Complexity Science Hub di Vienna, il Prof. Constantino Tsallis del CBPF di Rio de Janeiro e del Santa Fe Institute degli Stati Uniti.
Le tematiche affrontate in questi anni, condotte anche in collaborazione con diverse aziende, hanno riguardato studi bioinformatici su diversi tipi di tumori, metodi di ottimizzazione per la gestione di reparti oncologici, reti di trasporti e smart cities, studi sull’impatto di eventi sismici nel territorio urbano, analisi di comportamento dei mercati finanziari, ricerche sul contenimento della diffusione di fake news e epidemie come quella del Covid-19, studi di reti complesse con applicazioni nel campo dell’innovazione, dello sviluppo sostenibile e del cambiamento climatico.
Sono 46 i dottorandi coinvolti finora e più della metà sono donne. Il dottorato ha attratto diversi studenti provenienti anche da altri atenei italiani e dall’estero. Varie borse di dottorato sono state cofinanziate da progetti PON per dottorati industriali ed innovativi.
I dottorandi durante il loro percorso di formazione passano diversi periodi di studio all’estero presso prestigiosi laboratori e centri di ricerca per approfondire le loro ricerche.
La commissione per l’esame finale per il conseguimento del titolo è quasi sempre composta da docenti ed esperti internazionali che consentono ai dottorandi di conseguire anche titoli aggiuntivi come l’International Doctor o l’Europaeus Doctor.
Tutti i dottorandi che hanno conseguito il titolo nel nostro ateneo hanno poi trovato in tempi brevi posizioni post dottorato in Italia e all’estero.
Andrea Rapisarda, associato di Fisica teorica e coordinatore del Dottorato in sistemi complessi per le scienze fisiche, socio-economiche e della vita
Gli altri corsi di studio sui 'sistemi complessi' all'Università di Catania
Lo studio dei sistemi complessi all'Università di Catania si affronta anche nel corso di studi di laurea magistrale in Automation Engineering and Control of Complex Systems, con particolare riguardo agli aspetti di modellistica, analisi e controllo dei sistemi complessi e dei metodi e degli strumenti sia teorici che numerici e sperimentali per la loro indagine.
Le applicazioni che vengono studiate nell'ambito del corso riguardano principalmente circuiti non lineari, sistemi elettro-meccanici, sistemi ambientali, domotica, robotica, bio-robotica, reti, modelli epidemici, micro-fluidica, bio-tecnologie, sistemi neurali, fusione nucleare, e molti altri sistemi.
Lo studio dei sistemi complessi all'Università di Catania è, inoltre, da sempre una delle tematiche portanti del Dottorato di Ricerca in Ingegneria dei Sistemi, Energetica, Informatica e delle Telecomunicazioni nell'ambito del quale sono state sviluppate nel corso degli anni numerose attività di ricerca riguardanti progettazione e controllo di circuiti non lineari caotici, analisi e controllo di reti complesse, sistemi cooperanti, sistemi robotici biologicamente ispirati, sistemi microfluidici, sistemi elettro-meccanici formati da unità interagenti, modellistica, diagnostica e controllo per fusione nucleare, modellistica matematica di sistemi ambientali, e molti altri campi.
I docenti Mattia Frasca e Paolo Arena, rispettivamente presidente del corso di studi in Automation Engineering and Control of Complex Systems e Coordinatore del Dottorato di ricerca in Ingegneria dei Sistemi, Energetica, Informatica e delle Telecomunicazioni