Ευρωπαίοι φυσικοί αποκάλυψαν τη «μνήμη» της πολυπλοκότητας

Mόλις ανακοινώθηκαν τα αποτελέσματα μιας ιταλικής και ισπανικής ερευνητικής συνεργασίας, στην οποία πρωταγωνιστής είναι ο νομπελίστας θεωρητικός φυσικός Τζόρτζιο Παρίζι (Giorgio Parisi).

 

Τα αποτελέσματα αυτής της πολυετούς έρευνας έδειξαν πρώτη φορά το πώς οι μυστηριώδεις «ύαλοι σπιν» μπορούν να μας αποκαλύψουν το φυσικό υπόστρωμα ή, αν θέλετε, το «μνημονικό αποτύπωμα» της εξέλιξης των πολύπλοκων συστημάτων. Μια νέα ανακάλυψη που έχει απρόσμενες θεωρητικές και τεχνολογικές εφαρμογές, ενώ βασίζεται στις θεμελιώδεις ανακαλύψεις του Παρίζι για τη δυναμική όλων των πολύπλοκων συστημάτων.

Ο Τζόρτζιο Παρίζι έχει αδυναμία του στους ελληνικούς χορούς

Πράγματι, ο Τζόρτζιο Παρίζι είναι σήμερα ο πιο διάσημος φυσικός για τις έρευνές του για τα πολύπλοκα συστήματα στη Φύση, αλλά και δραστήριος αριστερός διανοούμενος. Το 2021 κέρδισε δικαίως το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής «για την ανακάλυψη του ρόλου της αταξίας και των διακυμάνσεων στα φυσικά συστήματα, από τις ατομικές έως τις πλανητικές κλίμακες», σύμφωνα με την αιτιολόγηση της Σουηδικής Ακαδημίας Επιστημών.

Από το 1980 μέχρι σήμερα, οι έρευνες του Τζόρτζιο Παρίζι αφορούν τη μαθηματική-πιθανοκρατική περιγραφή των τυχαίων αλληλεπιδράσεων που γεννούν τις χαώδεις δυναμικές σε όλα τα πολύπλοκα συστήματα: από την ατμόσφαιρα και το κλίμα του πλανήτη μας μέχρι τα ανθρώπινα νευρωνικά και κοινωνικά δίκτυα και από τις μικροσκοπικές υποατομικές αλληλεπιδράσεις μέχρι τις μακροσκοπικές αλληλεπιδράσεις των πλανητών και των γαλαξιών.

Στην πιο πρόσφατη έρευνά του με τίτλο «Memory and rejuvenation effects in spin glasses are governed by more than one length scale«, που μόλις δημοσιεύτηκε στο κορυφαίο διεθνές περιοδικό «Nature Physics», συνεργάστηκε με κορυφαίους Ιταλούς φυσικούς του Πανεπιστημίου της Ρώμης και του ιταλικού Ινστιτούτου Νανοτεχνολογίας, αλλά και με σπουδαίους Ισπανούς ερευνητές του 

Πανεπιστημίου Complutense της Μαδρίτης και Extremadura της Σαραγόσα.
Η πολύπλοκη μνήμη των «υαλωδών σπιν»
 

 

Η ύαλος σπιν είναι ένα κράμα μετάλλου όπου άτομα σιδήρου, για παράδειγμα, αναμιγνύονται τυχαία σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού. Κάθε άτομο σιδήρου συμπεριφέρεται σαν ένας μικρός μαγνήτης, ο οποίος επηρεάζεται από τους άλλους μαγνήτες γύρω του. Ωστόσο, σε ένα σύστημα υάλου σπιν ‘συγχύζονται’ και δυσκολεύονται να επιλέξουν προς ποια κατεύθυνση θα προσανατολιστούν. Εκδήλωση της σύγχυσης (frustration) είναι το πάγωμα των σπιν και η εκθετική αύξηση του χρόνου αποκατάστασης. Ο Parisi ανέπτυξε μια θεωρία που ερμηνεύει το φαινόμενο και εφαρμόζεται σε πολλά άλλα πολύπλοκα συστήματα.

Οι μυστηριώδεις ύαλοι σπιν (spin glass) και κυρίως οι αναδυόμενες φυσικές τους ιδιότητες αποτελούν το αγαπημένο αντικείμενο ερευνών του Παρίζι, επειδή από το 1980 μέχρι σήμερα αποδείχτηκαν το ιδανικό μοντέλο για τη φυσική περιγραφή όλων των πολύπλοκων συστημάτων που μελέτησε. Στη Φυσική περιγράφεται ως «ύαλος σπιν», ένα κράμα μετάλλου, όπου π.χ. τα άτομα σιδήρου αναμιγνύονται τυχαία μέσα σε ένα πλέγμα ατόμων χαλκού. Σε αυτό το κράμα κάθε ένα από τα λίγα άτομα σιδήρου συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης, ο οποίος επηρεάζεται από τα άλλα άτομα-μαγνήτες που υπάρχουν γύρω του.

Ωστόσο, ενώ σε έναν συνηθισμένο μαγνήτη τα σπιν, δηλαδή οι ιδιοπεριστροφές όλων των ατόμων, προσανατολίζονται αυτομάτως προς την ίδια κατεύθυνση, στο σύστημα των υάλων σπιν αυτό δεν συμβαίνει αυτομάτως, γιατί ορισμένα ζεύγη σπιν προσανατολίζονται προς την ίδια κατεύθυνση ενώ άλλα προς την εντελώς αντίθετη.

Αυτή η άβολη αλλά καθόλου αφύσικη συνύπαρξη διαφορετικών σπιν δημιουργεί μια κατάσταση «σύγχυσης» (frustration) και τα σπιν των ατόμων δεν μπορούν να αποφασίσουν προς ποια κατεύθυνση είναι καλύτερο (ενεργειακά) να προσανατολιστούν, ενώ καταφέρνουν τελικά να βρουν τη σωστή κατεύθυνση μόνο υπό ορισμένες θερμοδυναμικές συνθήκες.

Μελετώντας τη συμπεριφορά αυτών των συστημάτων, ο Τζόρτζιο Παρίζι ανακάλυψε τα κρυμμένα φυσικομαθηματικά πρότυπα που περιγράφουν αυτά και πολλά άλλα πολύ πιο πολύπλοκα φυσικά συστήματα. Και οι ανακαλύψεις του θεωρούνται αποφασιστικές για την κατανόηση της ανάδυσης και της εξέλιξης όλων των πολύπλοκων δομών, οι οποίες περιγράφονται όχι μόνο από τη Φυσική, αλλά και από πολλές άλλες επιστήμες, όπως η Γεωλογία, η Βιολογία, οι Νευροεπιστήμες, η Ιατρική Επιδημιολογία, η Γνωσιακή Ψυχολογία και η Πληθυσμιακή Κοινωνιολογία.

Οι πιο πρόσφατες έρευνές του εστιάζουν στο αν τα στοιχειώδη πολύπλοκα συστήματα των «υάλων σπιν» μπορούν να λησμονούν τα διάφορα εξελικτικά βήματα που τα οδήγησαν στη σημερινή τους κατάσταση. Καθώς και αν, υπό ορισμένες ακραίες φυσικές συνθήκες, μπορούν να «ξανανιώσουν», ανακτώντας τις προηγούμενες και ξεχασμένες φυσικές καταστάσεις τους!

Χάρη σε αυτές τις έρευνες και με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή Janus, που είναι ικανός να εκτελεί 8 δισ. αριθμητικές πράξεις το δευτερόλεπτο, οι σημερινοί ερευνητές κατάφεραν να επιβεβαιώσουν τις βασικές αρχές της θεωρίας του Παρίζι, αλλά και να ανασυγκροτήσουν την εξέλιξη αυτών των πολύπλοκων συστημάτων.

Όπως δήλωσε ο Enzo Marinari, συνεργάτης του Παρίζι που συνυπογράφει αυτήν την τελευταία έρευνα: Χάρη στα πρόσφατα αποτελέσματα «είμαστε σε θέση να κατανοούμε τις αρχές βάσει των οποίων οργανώνονται τα βιολογικά συστήματα, ή ακόμη να περιγράφουμε με πολύ καλύτερα μοντέλα τις φυσικές αρχές που εξηγούν τις ικανότητες των υαλωδών σπιν».

Και προσθέτει διευκρινιστικά ο Enzo Marinari: «Πρόκειται για συστήματα στα οποία γνωρίζαμε ότι πρέπει να υπάρχει στη δομή τους μια αρκετά πολύπλοκη διάταξη, αλλά αγνοούσαμε ποια είναι αυτή. Τα πειράματα που έγιναν τα τελευταία 25 χρόνια, έδειχναν ότι στις υάλους σπιν συμβαίνουν παράξενα πράγματα, τα οποία δεν καταφέρναμε να αναλύσουμε, ούτε καν καταφεύγοντας στη θεωρία του Παρίζι.

Με τη βοήθεια του υπερυπολογιστή Janus και των τεράστιων ικανοτήτων του για αριθμητικές προσομοιώσεις, καταφέραμε τελικά, μετά από 25 χρόνια, να εμφανιστούν αυτές οι συμπεριφορές σε συστήματα των υαλωδών σπιν. Αυτά τα υλικά φαίνονται κανονικά, αλλά διαθέτουν κρυφές ποιότητες, μοιάζουν να είναι σταθερά, αλλά μπορούν κρυφά να εξελίσσονται, και αυτή η εξέλιξη τα οδηγεί να γερνάνε, αλλά μετά η γήρανσή τους εξαφανίζεται και λαμβάνει χώρα η ανανέωσή τους».

Σπύρος Μανουσέλης – https://www.efsyn.gr/epistimi/epistimonika-nea/388307_eyropaioi-fysikoi-apokalypsan-ti-mnimi-tis-polyplokotitas – https://www.adnkronos.com/ricerca-nuova-scoperta-sullinvecchiamento_6xPWIYD69Rueck657weAgL?refresh_ce

https://physicsgg.me/2023/05/05/%ce%b5%cf%85%cf%81%cf%89%cf%80%ce%b1%ce%af%ce%bf%ce%b9-%cf%86%cf%85%cf%83%ce%b9%ce%ba%ce%bf%ce%af-%ce%b1%cf%80%ce%bf%ce%ba%ce%ac%ce%bb%cf%85%cf%88%ce%b1%ce%bd-%cf%84%ce%b7-%ce%bc%ce%bd/