La fisica statistica continua a mostrare il suo ruolo cruciale nello studio di fenomeni complessi che coinvolgono milioni di elementi in interazione. Dai polimeri che compongono materiali comuni fino ai sistemi climatici e ai mercati finanziari, questa disciplina offre strumenti per comprendere dinamiche difficili da osservare con metodi tradizionali. Nel 2025, Firenze ospita STATPHYS29, un congresso internazionale dedicato proprio a queste tematiche, con la partecipazione di esperti italiani e internazionali.
Dai fili degli spaghetti al movimento dei polimeri: reptazione e proprietà della materia
Immaginare un piatto di spaghetti appena scolati aiuta a visualizzare come si comportano i polimeri. Queste lunghe molecole formate da unità ripetute si intrecciano tra loro creando una rete intricata simile agli spaghetti aggrovigliati nel piatto. Quando proviamo a muovere l’intero groviglio con la forchetta incontriamo resistenza perché i fili si ostacolano reciprocamente. Ma se estraiamo delicatamente un singolo filo usando le dita questo scivola via facilmente.
Il concetto di reptazione
Questo esempio semplice riflette il comportamento reale dei polimeri presenti in molti materiali plastici o biologici come il DNA. Negli anni ’70 Pierre-Gilles de Gennes intuì che per capire le proprietà macroscopiche del materiale era sufficiente analizzare come una singola catena molecolare si muoveva fra le altre. Questo movimento particolare è chiamato reptazione ed è paragonabile allo scivolare sinuoso di un serpente tra fili d’erba.
La reptazione spiega fenomeni importanti come elasticità e viscosità nei polimeri ed è diventata una pietra miliare nella fisica dei materiali oltre che nella fisica statistica più ampia.
Origini della fisica statistica: boltzmann e l’idea rivoluzionaria delle particelle microscopiche
Alla fine dell’Ottocento Ludwig Boltzmann propose un metodo nuovo per descrivere la materia basandosi sul comportamento collettivo di milioni di particelle microscopiche invece che sui soli fenomeni visibili direttamente. Questa prospettiva fu inizialmente accolta con dubbi ma ha aperto la strada alla nascita della fisica statistica moderna.
Questa disciplina studia sistemi composti da moltissimi elementi interagenti usando metodi probabilistici per collegare ciò che avviene su scala microscopica alle proprietà macroscopiche osservabili . Inoltre permette anche lo studio dei sistemi lontani dall’equilibrio termodinamico cioè quelli che scambiano energia o materia continuamente con l’ambiente esterno.
Un criterio fondamentale distingue quando serve questo approccio: se gli elementi sono pochi bastano leggi classiche; se sono tanti allora serve considerare distribuzioni statistiche delle loro possibili configurazioni ed energie per descrivere correttamente i fenomeni emergenti.
Reti complesse: dalla struttura del cervello alle dinamiche sociali
Le reti rappresentano insiemi complessi formati da nodi interconnessi secondo schemi variabili, utilissime per modellare diversi tipi di realtà dal sistema nervoso umano fino alle piattaforme digitali o alla diffusione delle epidemie. La ricerca sulle reti ha cambiato profondamente alcuni ambiti scientifico-tecnologici concentrandosi non solo sulle singole interazioni ma sull’architettura globale del sistema.
La visione di ginestra bianconi
Ginestra Bianconi dell’università Queen Mary spiega come studiare queste strutture permetta di cogliere meccanismi emergenti difficili da prevedere analizzando solo i componenti isolati. “Un esempio storico è il percettrone nato negli studi sulla fisiologia neuronale ma sviluppato grazie alla fisica statistica; esso rappresenta uno dei primi modelli matematici capaci d’imparare dai dati aprendo così la strada all’intelligenza artificiale moderna attraverso reti neurali artificiali sempre più sofisticate usate oggi in assistenti virtuali o modelli predittivi avanzati”.
Lo studio delle reti evidenzia ancora una volta quanto sia importante osservare molte entità insieme anziché limitarsi ad analizzare pochi componenti separatamente.
Sistemi fuori equilibrio e clima terrestre: flussi energetici continui nell’ambiente naturale
Molti processi naturali non raggiungono mai uno stato stabile ma rimangono soggetti ad input costanti d’energia o materia dall’esterno mantenendo condizioni instabili dette “fuori equilibrio”. Un caso elementare riguarda il trasferimento termico lungo una barra metallica posta tra due fonti a temperature diverse dove atomi vibranti trasmettono calore senza ordine apparente ma producono un flusso netto verso quella più fredda.
Il sistema climatico terrestre rappresenta invece uno scenario molto più articolato dove atmosfera, oceani, biosfera interagiscono sotto l’effetto continuo dell’energia solare. Il risultato è uno stato dinamico complesso difficile da prevedere senza strumenti teorici capaci di gestire tali squilibri energetici. La comprensione dettagliata del cambiamento climatico passa quindi attraverso metodologie derivate dalla fisica statistica.
Questi studi mostrano quanto sia difficile trattare questi fenomeni esclusivamente con modelli deterministici tradizionali, rendendo indispensabile considerare approcci capacidi descrivere processi stocastici su larga scala.
Materia attiva: collettività animata dalla conversione continua d’energia
Quando diversi sistemi fuori equilibrio entrano in contatto dando vita a comportamenti collettivi nasce ciò che viene definito materia attiva. Si tratta d’insiemi composti da elementi capaci d’assorbire energia dall’ambiente circostante trasformandola in movimenti coordinati. Esempi tipici sono stormi uccelli, banchi pesci, colonie batteriche oppure mercati finanziari dove decisioni individuali generano tendenze globali imprevedibili.
In finanza certe manifestazioni collettive – bolle speculative, crolli improvvisi – assomigliano molto ai passaggi bruschi tipici della fisica delle transizioni di fase. “Questo rende possibile applicare concetti propri della fisica dura anche all’analisi degli aspetti sociali-economici mettendo in discussione confini tradizionali fra discipline differenti”.
L’approccio multidisciplinare consente così nuove letture della realtà partendo dal comportamento simultaneo di moltissimi agenti autonomi ma influenzati da regole comuni implicite nel sistema stesso.
Statphys29 firenze 2025: confronto internazionale sulla ricerca nella fisica statistica
Dal 13 al 18 luglio Firenze ospiterà STATPHYS29, Congresso Internazionale organizzato dall’IUPAP . L’iniziativa riunisce ricercatori provenienti dal mondo intero impegnati nello studio teorico sperimentale della fisica statistica applicata ai materiali complessi, sistemi viventi, reti intelligenti e altro ancora.
Il comitato scientifico vede protagonisti italiani riconosciuti quali Stefano Ruffo ex direttore SISSA Trieste, Roberto Livi presidente Società Italiana Fisica Statistica supportato da Ministero Università Ricerca, Università Firenze e altri enti di ricerca nazionali ed europei.
L’apertura sarà affidata a Giorgio Parisi, premio Nobel Fisica 2021 noto per contributi fondamentali sulla complessità dei sistemi naturali e artificiali. Parisi sottolineerà “Come questa conferenza costituisca occasione preziosa per fare il punto sull’avanzamento della ricerca in questo campo”.
Firenze torna così protagonista dopo aver ospitato nel 1949 la prima edizione del congresso consolidando il legame storico con una disciplina che continua ad evolversi con sfide teoriche e applicazioni pratiche che interessano campi medici, tecnologia, sostenibilità, nuovi materiali e intelligenza artificiale.
