Sistemi complessi: dove le interazioni contano quanto gli elementi che le compongono

“Se siamo in un giardino e tu sei un pittore, lo dipingerai. Un botanico invece si concentrerà sulle piante; il fisico avrà un modo differente di osservare il sistema, e la matematica è il suo strumento, un vocabolario di emozioni”. Così Guido Caldarelli direttore dell’Istituto dei sistemi complessi (Isc) del Cnr illustra come per lui la fisica sia un modo di vedere il mondo. “Siamo negli anni ’90 quando la complessità entra nei nostri studi. Ci siamo chiesti come siamo collegati agli altri e abbiamo iniziato a esplorare la scienza delle reti, contribuendo a definirla e svilupparla così come la conosciamo oggi”.

La scienza delle reti è un campo interdisciplinare che studia le connessioni tra diversi nodi, dunque la struttura e la dinamica dei sistemi complessi. I collegamenti hanno essi stessi una complessità. Cerchiamo di capire meglio cosa si intende con il termine “complesso” e perché è possibile studiare sistemi definiti in questo modo. “Innanzitutto, è importante chiarire la differenza tra sistema complicato e sistema complesso, sottile ma fondamentale. Un sistema complicato ha molte parti, ma le interazioni sono prevedibili: conoscendo ogni componente, si può capire il tutto. Un sistema complesso, invece, è composto da elementi le cui interazioni generano comportamenti emergenti e imprevedibili: il tutto non si riduce alla somma delle parti, e comprenderlo richiede di osservare le relazioni tra di esse. Risulta logica, quindi, l’importanza dei legami”, chiarisce il ricercatore.

L’introduzione di questo approccio alle scienze consente di esplorare nuove prospettive, senza invalidare le conoscenze consolidate. “Non mettiamo in dubbio le teorie precedenti, però quando ti trovi a studiare un sistema composto da varie parti, come potrebbe essere la folla a una manifestazione, allora è necessario un approccio che analizzi non solo le singole parti, ma anche, e soprattutto, i legami tra di loro. Sono questi legami a generare fenomeni di emergenza, che determinano le nuove proprietà del sistema. Grazie a questo approccio possiamo studiare sistemi che solitamente vengono affrontati in maniera qualitativa”, spiega Caldarelli, che aggiunge: “Quasi tutte le reti del mondo sono complesse, nel senso che le connessioni non sono casuali: pochi nodi (vertici) hanno un numero molto alto di collegamenti (archi), mentre la maggior parte dei nodi ne ha pochissimi. Questa struttura emerge in sistemi reali come internet, reti sociali, reti biologiche e reti metaboliche. Un elettrone isolato ha proprietà semplici, ma quando interagisce con altri elettroni genera la corrente, un fenomeno collettivo che emerge dalle interazioni. Allo stesso modo, un neurone è una singola cellula, e da sola non ‘pensa’: è grazie alle connessioni con altri neuroni che emergono processi complessi come il pensiero o la coscienza. In un sistema complesso, dunque, ciò che conta non è il singolo nodo, ma l’intero sistema e le regole emergenti dalle sue interazioni”.

La fisica statistica mette a disposizione numerosi strumenti, sia matematici sia concettuali, per affrontare la complessità dei sistemi reali. Un esempio è rappresentato dal gruppo di rinormalizzazione, una tecnica che permette di studiare come un sistema cambia osservandolo a scale differenti. Questo concetto è strettamente legato all’invarianza di scala, cioè alla proprietà per cui il sistema appare simile, indipendentemente dalla “distanza” con cui lo si osserva. In questo modo, si possono identificare proprietà invarianti, che non cambiano a seconda di come guardiamo il problema, e sono proprio questi fenomeni emergenti che risultano più interessanti da studiare in un sistema complesso.

Oggi ci confrontiamo con una nuova forma di complessità: quella dell’Intelligenza Artificiale. “Credo che ci troveremo sempre più spesso di fronte a fenomeni che sfruttano la complessità o che sono, di per sé, complessi”, chiarisce il direttore del Cnr-Isc. L’avanzamento in questa direzione è rapido e concreto, ma non esclude o sostituisce gli obiettivi precedenti: capire i fenomeni, non per controllarli, ma per comprenderli”.

Guardando al futuro, quale potrà essere il contributo più promettente della scienza della complessità? “Il mondo è così complicato, che qualsiasi risposta a questa domanda sarà inevitabilmente parziale. Tuttavia, uno degli obiettivi più ambiziosi è riuscire a sviluppare modelli capaci di comprendere il funzionamento del cervello, modelli in cui venga finalmente presa in considerazione la presenza della coscienza”, conclude Caldarelli.

Il cammino da percorrere, insomma, è ancora lungo, ma una cosa è ormai chiara: sono gli intrecci tra le parti, più dei singoli elementi, a dare forma ai fenomeni complessi e a guidare la nostra comprensione del mondo.

Fonte: Guido Caldarelli, Istituto dei sistemi complessi, direttore@isc.cnr