In attesa di Esof 2020 e per dare visibilità alle tre aree della Sissa che vi prenderanno parte, dopo il primo articolo dedicato alle neuroscienze, è ora la volta della fisica. Una disciplina che dal secondo dopoguerra a oggi non solo ha portato alto il nome di Trieste nel mondo, ma ha anche dato vita a una fitta rete di scambi e collaborazioni internazionali.

Il Centro Internazionale di Fisica Teorica (Ictp) è nato nel 1964, su accordo del Governo italiano e dell’Agenzia Internazionale per l’Energia Atomica delle Nazioni Unite. La collocazione dell'Ictp a Trieste, in quegli anni città a ridosso della Cortina di ferro, era funzionale alla promozione di collaborazioni scientifiche tra Est e Ovest. E inoltre, come scrive lo stesso Budinich, fondatore della Sissa, si trattava di far capire “quanto importante sarebbe stato per una Trieste martoriata dai nazionalismi avere un’istituzione scientifica internazionale” (L’Arcipelago delle Meraviglie, 2000).

Dopo l’Ictp, come già sappiamo, nel 1978 è la volta della Sissa, pensata per essere la prima a conferire il titolo di PhD in Italia, ma anche per dotare il Centro di un interlocutore di ricerca permanente, innovativo e con una tangibile apertura internazionale nelle due aree di fisica e matematica. Ecco perché la storia della fisica alla Sissa è fortemente intrecciata a quella dell’Ictp. A testimoniare questo legame abbiamo incontrato Erio Tosatti, teorico della fisica degli stati condensati, che, con i matematici Arrigo Cellina e Antonio Ambrosetti, è stato tra i primissimi professori della Scuola.

L’edificio Main Building (ex sede Sissa) e le scale di collegamento tra Sissa e Ictp

È il 1967 quando Tosatti, perfezionando della Scuola Normale a Pisa, arriva per la prima volta a Trieste su suggerimento del suo supervisore Franco Bassani. Paolo Budinich e Abdus Salam avevano deciso, tre anni dopo la fondazione dell’Ictp, di organizzare il primo College, una scuola di tre mesi coi migliori docenti europei e americani sulla fisica della materia condensata. Un campo estraneo per loro, ma di importanza e impatto scientifico enormi. Questo fu solo il primo di una serie di congressi ed eventi il cui scopo era di costruire una base scientifica permanente a Trieste. Passano gli anni e Tosatti, che nel frattempo aveva continuato a visitare l’Ictp da Roma e dagli Stati Uniti, viene attirato nel 1977 in modo permanente a Trieste da Salam e Budinich, che gli permettono di portare con sé un intero gruppo di ricerca. Così Tosatti riesce ad attrarre a Trieste anche Michele Parrinello da Messina, Mario Tosi e Mauro Rovere da Roma e Gabriele Giuliani da Pisa. Appoggiato all’Università di Trieste e al CNR, oltre che all’Ictp, il gruppo inizia a lavorare arricchendosi di tanti altri nomi e collaboratori. Nell’80 Tosatti vince la cattedra in struttura della materia destinata all’Università di Trieste. Ma di nuovo Budinich decide che, oltre alla fisica delle alte energie e alla matematica, è necessario anche formare un nuovo gruppo in struttura della materia teorica.

A quell’epoca la Scuola era “un contenitore vuoto”, tutta da inventare e progettare, ma proprio per questo di gran fascino e potenziale. Così, seppur tra mille dubbi e incertezze, Tosatti accetta. «Presi servizio l’11 febbraio 1981», racconta con un tono che non vuole lasciare niente al caso.

Erio Tosatti, la scienza è fatta di persone

In proporzione al poco personale c’era da rimboccarsi le maniche, sia dal punto di vista amministrativo (Tosatti è anche segretario del Consiglio della Scuola) sia didattico, nell’insegnamento e nella ricerca con gli allievi. Si adopera per mettere in piedi il gruppo di ricerca in teoria della materia condensata, con un criterio molto preciso, “chiamare a collaborare sempre gente più brava di me”, che possa costituire un solido fondamento per il futuro. Così all’inizio degli anni '80 arriva da Losanna anche Roberto Car, che con Parrinello forma un trio che studia, fa ricerca, ma va anche a nuotare nel mare triestino proprio di fronte alla (oramai ex) sede della Sissa, cresciuta in simbiosi con l’Ictp.

Parrinello aveva importato dall’America la simulazione al computer; Car conosceva la nuova struttura elettronica dei solidi: era chiaro che se solo si fossero potuti combinare i due metodi, si sarebbe potuto far man bassa su una quantità enorme di problemi. Peccato che nessuno avesse idea di come fare! Poi, nel maggio 1985, Tosatti riceve una telefonata a Zurigo, dove si trovava per un periodo sabbatico: Parrinello e Car erano riusciti a combinare i due ingredienti lavorando con un Gould, un nuovo computer super potente (per l’epoca). Avevano appena inventato il metodo Car-Parrinello, ora famosissimo. Attraverso la cosiddetta “Density Functional Theory” si univa il calcolo dell’energia degli elettroni con la simulazione in tempo reale della dinamica molecolare newtoniana. Grazie a questo metodo, la simulazione al computer della materia ha fatto un salto di qualità fondamentale, permettendo agli scienziati d’intercettare gli atomi in movimento durante i processi chimici e fisici.

Questo aneddoto funge un po' da ritratto dello studio della fisica: molta della ricerca nasce per gioco, per idee o ipotesi scambiate anche a tu per tu. E questo accade perché, più che di numeri, di materiali o di macchine, la scienza è fatta di persone. La scienza è innanzitutto umana e la motivazione è ciò che, al di là di ogni barriera geografica e politica, accomuna le persone. In Sissa si è potuto respirare tutto questo. « Sono orgoglioso,» commenta Tosatti, «di aver preso parte a questa storia».

Una storia che lo scorso anno ha tagliato il traguardo dei quarant'anni di attività, lungo i quali durante i quali si è verificata una vera e propria esplosione di tematiche da approfondire. Negli anni immediatamente successivi alla fondazione della Scuola, tre erano sostanzialmente i macroambiti d’indagine:

• Fisica delle particelle, alla cui guida troviamo lo stesso Budinich, con lo scopo di studiare e sviluppare modelli dedicati alla comprensione e all'unificazione delle quattro interazioni fondamentali nella natura
• Materia condensata, avviata appunto da Erio Tosatti, ovvero la comprensione, attraverso i calcoli, delle qualità e le caratteristiche della materia.
• Astrofisica, introdotta da Nicolò Dallaporta, cui succede Denis Sciama, per portare avanti le indagini sulla formazione delle galassie, l’energia e la materia oscura, la struttura stellare, la sua evoluzione e il cosiddetto Cosmic Microwave Backgroung

A questo proposito, negli archivi Sissa troviamo un preziosissimo documento storico, il libretto con i discorsi dei primi professori per l’inaugurazione dell’anno accademico 1981-1982. Di seguito riportiamo un estratto dalle parole di Dallaporta:

Storicamente parlando, la formazione del quadro cosmologico attuale si articola in tre successive tappe di avanzamento, verso domini sempre più ampi di dimensione, che si possono in modo quasi antitetico mettere in relazione con altrettante tappe di progressione, in direzione opposta della fisica, e cioè verso la conoscenza del sempre più piccolo. Infatti, fin verso la metà dell’Ottocento, la fisica si trova essenzialmente impegnata a disbrigar la comprensione delle leggi e delle proprietà dei corpi su scala, diciamo umana, mentre l’astronomia, tanto tolemaica che copernicana, rimane essenzialmente confinata entro il sistema solare: una estensione ancora modesta tutto sommato, dalle frazioni di millimetro alle ore-luce. A cavallo dell’incipiente Novecento, ha luogo un primo salto di dimensioni che apre una seconda prospettiva: il centro dell’interesse fisico si porta sull’atomo, su lunghezze cioè del decimilionesimo di millimetro, mentre la ricerca astronomica si fa soprattutto astrofisica e straripa nel mondo stellare portandosi fino a migliaia di anni luce. Infine. ad un terzo livello, che inizia pochi anni prima della seconda guerra mondiale, la fisica sprofonda nell’indagine del nucleo atomico e delle particelle elementari su ordini di grandezza di 10˜¹³, mentre l’astrofisica, divenendo cosmologia, erompe nel campo delle galassie, spingendosi fino ai diversi milioni e poi miliardi di anni luce. Da un lato, nel sempre più piccolo, si punta quindi a sviscerare il problema dell’intima struttura della materia e delle leggi elementari, dall’altro, nell’abbracciare il sempre più ampio, si mira al Tutto, concepito come integrale di quanto si osserva. […] Questo raffronto, oltre l’interesse intrinseco che può avere, serve a marcare che lo stesso ruolo essenziale che giuoca l’atomo per le vicende del microcosmo, appartiene alle stelle nell’ambito della cosmologia

Il testo continua con la descrizione dell’attività e dell’evoluzione stellare in relazione alle galassie e all’azione della gravità, culminando in una serie di quesiti che Dallaporta pone agli uditori circa l’origine dell’universo e la sua espansione. Interrogativi che ancora oggi, nonostante il progredire degli studi e l’avanzare delle tecnologie, non cessano di affascinare e di accendere l’interesse degli scienziati, se è vero che, come ci racconta, l’attuale coordinatore dell’area di fisica Stefano Liberati, nonché ex studente di Sciama, la cifra di questa disciplina è la passione per la ricerca, intendendo la ricerca in senso primo, come vuole la sua etimologia.

Stefano Liberati: ricerca e didattica non sono scindibili

In Sissa, la gamma di tematiche oggetto di studio e approfondimento è vastissima e complessa: dallo studio di una particella elementare alle analisi sul macrocosmo, dai processi subatomici più effimeri a quelli cosmologici, dalle più deboli fluttuazioni dei neutrini fino allo studio della nascita dell’universo, dallo studio delle proteine e i cromosomi nella loro varietà molecolare allo studio della materia, con tutti i suoi comportamenti sorprendenti.

«Ciò che però è rimasto immutato, come pilastro metodologico dell’area, è lo strettissimo legame tra ricerca e didattica: insegnare per noi non è separabile dal fare ricerca, e viceversa. Lo stesso processo con cui gli studenti conseguono il titolo di PhD prevede che, una volta ottenuto il numero minimo di crediti, rivolgano l’attenzione ai loro specifici interessi di ricerca, al fine di produrre come tesi finale un elaborato originale. Gli aspiranti PhD arrivano come studenti, ma non è insolito che al termine del loro percorso finiscano per iniziare a essere nostri colleghi più giovani, spesso già avviati su collaborazioni scientifiche con altri istituti di ricerca nazionali e internazionali», spiega Liberati. «Attualmente l’area conta circa 130 studenti di PhD, di cui il 35% provenienti dall’estero: l’internazionalità è sempre stata una nostra prerogativa, come dimostrato proprio dal fatto che il primo titolo di dottorato è stato conferito nell’anno 1982 al cinese Yun Qiang Yu in una tesi di astrofisica dal titolo The gravitational collapse and the issue of final state».

Il primo PhD, conferito nel 1982 al cinese Yun Qiang Yu

 

Internazionalità e nuovi campi d'indagine

Negli anni, l’interazione con altri Paesi, quindi con altri istituti di ricerca, assieme all’arrivo di nuovi docenti e ricercatori stranieri, ha sensibilmente contribuito al fiorire di nuovi campi d’indagine. È in questo senso che dagli originari tre gruppi di astrofisica, fisica della materia condensata e fisica teorica particellare, la ricerca si è estesa in ulteriori ambiti di studio. La “giovane” fisica astroparticellare può essere vista come una disciplina a metà strada tra fisica delle particelle e astrofisica; il suo sviluppo si è intensificato nel corso degli ultimi anni, soprattutto in relazione al crescente interesse per la scoperta delle onde gravitazionali: a questo proposito va citata la recente nascita dell’IFPU, l'Istituto per la fisica fondamentale dell'Universo con sede a Trieste, un'iniziativa congiunta della Sissa, del Centro Internazionale di Fisica Teorica, dell'Istituto Nazionale di Astrofisica (Inaf) e dell'Istituto Nazionale per la fisica nucleare (Infn). Catalizzando nuove collaborazioni con istituti e persone di fama internazionale, l'intento è quello di ospitare e promuovere un programma di ricerca multidisciplinare e innovativo sullo studio delle leggi fondamentali della natura sotto una prospettiva astrofisica, e attraverso seminari che radunino la comunità scientifica attiva su questi temi.

Il viaggio attraverso la storia dell'Universo, rappresentato al sesto piano dell'edificio Sissa e dedicato a Dennis Sciama. Crediti: Stefano Amadeo

 

Fisica statistica nasce come un sottogruppo di fisica delle particelle poi emancipatosi nell’incontro con materia condensata, attraverso l’approfondimento di alcune tematiche quali la fisica del non equilibrio, la teoria dell’entropia e dell’entanglement: tutte questioni già presenti nella fisica teorica, ma diventate di maggiore attualità, quando sono sopraggiunti metodi matematici più sofisticati che hanno richiesto una propria comunità di riferimento, più specializzata. Fisica e chimica dei sistemi biologici è germinata da materia condensata con un’interfaccia molto interessante con la genomica e la neurobiologia, un balcone sull’area di neuroscienze, ovvero come trattare problemi biologici con un approccio fisico.

Sebbene ognuno di questi gruppi di studio abbia una sua specifica storia e un suo preciso percorso di crescita, il collante di base è l’esigenza di creare ponti tra gli ambiti di studio preesistenti. La loro nascita non è avvenuta dietro pianificazione, ma sotto forma di spontanee emancipazioni d’interessi che ricercatori, docenti e studenti hanno avvertito e avviato. «Questo aspetto», spiega Liberati, «dice della flessibilità della Scuola di andare dove andava e dove va la scienza. Quando i temi raggiungevano una certa maturazione sul panorama internazionale, con duttilità e interesse vivo, nascevano nuovi gruppi di ricerca».

Questo è avvenuto e avviene perché in Sissa non solo non è più possibile esimersi dal pensare in modo interdisciplinare, ma nemmeno si può rinunciare alle sempre più fitte dinamiche dialettiche interateneo. Il denso tessuto di centri di ricerca presenti nel territorio triestino riflette questo presupposto: dal già citato Ifpu per lo studio dell’universo all’Igap, l’istituto per la geometria e la fisica che permette agli studenti di arricchire il loro curriculum con insegnamenti ed esami “misti” tra queste due discipline; fino al Trieste Institute for the Theory of Quantum Technologies, un progetto congiunto di Sissa, Ictp e Università degli Studi di Trieste, per coordinare le competenze dei numerosi ricercatori che si occupano di quantum technologies. L'Istituto vuole diventare un punto di riferimento internazionale per la ricerca sulle tecnologie quantistiche, settore al centro di importanti finanziamenti europei, nonché uno dei temi del programma scientifico di ESOF2020.

Quello della multidisciplinarità è un aspetto importante da sottolineare, perché è oggi il filtro per guardare al futuro, in tutte le sue sfaccettature e avanguardie più rilevanti, dalle simulazioni numeriche alla gestione di grandi masse di dati. Molta della fisica sta andando verso le simulazioni: in questo ambito, oltre a DEMOCRITOS National Simulation Center, al progetto Quantum ESPRESSO e alla condivisione con l’Ictp del Supercomputer Ulysses, Sissa collabora con l’Ictp anche a un master in High Performance Computing ed è uno dei centri d’eccellenza in Italia per MaX - Materials design at the Exascale.

Uno degli ulteriori sviluppi della scienza moderna è la gestione di grandi masse di dati, una ricerca che sta assumendo sempre più preminenza all’interno della fisica. Per saperne di più abbiamo incontrato Alessandro Laio. Laureatosi in ingegneria nucleare al Politecnico di Torino, consegue nel 1999 in Sissa un dottorato in fisica dello stato solido con Erio Tosatti. Dopo sei anni in Svizzera, nel 2007 ritorna nella Scuola, dove dal 2014 è professore ordinario in fisica statistica e biologica.

Alessandro Laio e la scienza dei dati

Il modo di fare scienza con i dati è molto diverso da quello tradizionale, dove osservando i fenomeni naturali e a partire da principi primi vengono formulate delle deduzioni matematiche. La Data Science offre un cambiamento importante di prospettiva rispetto alla fisica tradizionale, grazie alla capacità in costante aumento d'immagazzinare dati da parte dei computer, rendendo i materiali fruibili a tutti. Ciò determina un’esplosione nella quantità di dati che possiamo avere a disposizione. I dati non sono più solo quelli creati nel laboratorio personale di uno scienziato ma quelli elaborati in tutto il mondo, e la cosa curiosa è che ogni scienziato è tenuto a rimanere informato se non vuole rimane indietro rispetto alla comunità che lavora in questo settore. La scienza dei dati non inventa nessun modello ma permette di rendere leggibili e interpretabili grandi masse di numeri. Questo si può fare o riducendo questi dati a delle categorie che includono dati simili tra loro, oppure sviluppando algoritmi per selezionare tra tutte le variabili a disposizione quelle più significative, operando quella che in termini tecnici si chiama “riduzione dimensionale”. In entrambi i casi, il fine è la razionalizzazione per il cervello umano, cioè produrre una struttura che possa essere compresa da un essere umano tramite la visualizzazione.

La Sissa, tra le sue diverse sfide verso il futuro, ha aperto una specifica linea di ricerca in questo ambito, con un nuovo staff che dovrà essere competente in materia e in grado di interfacciarsi con le linee di ricerca già presenti. La Commissione incaricata di reclutare questo personale è composta da cinque membri di fisica, ma anche membri di matematica e neuroscienze, proprio per sottolineare il discorso interdisciplinare. Il fine sarà sviluppare metodologie che avranno applicazione in moltissime linee di ricerca coltivate nella Scuola: dall’analisi della distribuzione delle galassie, della loro forma ed evoluzione all’analisi del genoma, dalla scienza dei materiali alla bioinformatica.

«Un settore, quest’ultimo, che sta guadagnando sempre più attenzione dalle comunità scientifiche e tecnologiche», afferma Laio. «Si tratta di un lavoro di sinergia tra clinici e scienziati, così come avviene per esempio tra gli studiosi presenti in Sissa e il personale medico del CRO di Aviano per il trattamento dei tumori al seno o dell’ospedale di Udine per il trattamento del tumore al cervello. Per ogni paziente si hanno quantità enormi di dati: esami del sangue, radiografie, analisi genomiche, test di laboratorio e così via. Ma come avere linee guida quanto più possibile unitarie per un paziente, considerando che ciascuno è diverso dall'altro? Interviene qui la scienza dei dati. Per esempio, una delle attività più frequenti della bioinformatica è lo studio di una proteina e la predizione della sua sequenza, poiché dalla conoscenza della sua struttura si può capire come funziona il genoma. L’applicazione delle metodologie di data science permette di estrarre da questi dati delle categorie di analisi per rispondere alle domande dei clinici: andrà bene questa terapia? Massimizzerà la sopravvivenza del paziente? La sfida è basare quanto più possibile queste decisioni su criteri razionali e numerici al fine di mettere gli esperti d’accordo sulla diagnosi e sulla prognosi».

Se c’è una prerogativa a cui la fisica oggi non può più rinunciare è il dialogo tra specialisti, e non solo del proprio ambito, ma anche di altra provenienza scientifica. Siamo in un’era scientifica in cui lo scambio rappresenta la cornice di senso della ricerca stessa. Le cose sono dunque molto cambiate rispetto al passato e all’immagine che abbiamo elaborato dello scienziato nel tempo: oggi, ci dice in chiusura Stefano Liberati, a causa della vastità della conoscenza scientifica, siamo sicuramente privi di personalità scientifiche, in senso stretto, a 360°, del calibro di Leonardo Da Vinci per esempio; in compenso abbiamo guadagnato comunità scientifiche fortemente diversificate nella tecnica e nelle specializzazioni, per cui devono rimanere in contatto tra loro e dialogare per progredire nella ricerca.. In Sissa crediamo fortemente in questo futuro e cerchiamo di costruirlo con i nostri studenti ogni giorno.