Pubblichiamo questa intervista ad Angelo Vulpiani, professore di fisica teorica all’università Sapienza di Roma, recentemente insignito della medaglia Lewis Fry Richardson dall’European Geosciences Union.

Ringraziamo il prof. Vulpiani per la sua disponibilità ad essere intervistato.

Una precedente intervista pubblicata sempre su questo sito è disponibile qui così come un suo intervento dal titolo “Qualche osservazione sui limiti dell’uso dei Big Data“

Oltre a numerosi libri specialistici è autore anche di libri divulgativi come, per esempio, “Perché è difficile prevedere il futuro”, “Caos, probabilità e complessità”.

Iniziamo questa intervista a partire dal premio che le è stato assegnato dall’European Geosciences Union proprio agli inizi di questo 2023: la medaglia Lewis Fry Richardson. Per prima cosa le vorremmo chiedere di spiegare quali sono gli scopi della medaglia Lewis Fry Richardson e di parlarci della figura di Lewis Fry Richardson, uno scienziato probabilmente poco noto al pubblico più generalista.
Per quanto riguarda la medaglia la cosa è semplice, basta citare la pagina uffciale:

“This medal was established by the Nonlinear Processes in Geophysics Division in recognition of the scientific achievements of Lewis Fry Richardson. It is awarded to scientists for their exceptional contributions to nonlinear geosciences in general.”

Lewis Fry Richardson (fonte wikipedia)

E’ un po’ più lungo parlare di Richardson (LFR), un grande scienziato, con idee visionarie, che ha avuto grandissima importanza, purtroppo è poco noto. Ha dato contributi fondamentali in molti campi, spesso anticipando aspetti che sono diventati popolari senza essere associati al suo nome; un esempio per tutti: non è stato Mandelbrot il primo ad usare la geometria frattale ma proprio LRF. Ecco un elenco parziale dei sui contributi alla dinamica dei fluidi ed alla matematica:

  1.  la metodologia matematica per le previsioni meteorologiche;
  2.  il meccanismo della cascata di energia turbolenza;
  3. l’ idea di self similarity e la geometria frattale;
  4. la diffusione non gaussiana nei fluidi turbolenti;
  5.  l’ uso della matematica in ambito non tradizionale (psicologia dei conflitti);
  6. l’ idea del calcolo parallelo.

Parlando di LFR non si può non menzionare il suo impegno nel movimento pacifista: partecipò alla prima guerra mondiale disarmato guidando ambulanze sul fronte francese; la sua estrema correttezza e coerenza lo portarono a licenziarsi più volte per evitare ogni interazione con i militari; ad un certo punto smise di lavorare sulla diffusione in turbolenza temendo che le sue ricerche potessero avere applicazioni belliche. Nonostante il suo prestigio, ampiamente riconosciuto a livello internazionale (ad esempio era fellow della Royal Society), non ebbe mai una cattedra universitaria e, senza polemiche, insegnò in college di provincia, il maggior meteorologo dell’epoca, Vilhelm Bjerknes, manifestò espressamente la sua sorpresa. Dal 1939 si dedicò quasi esclusivamente allo studio di modelli matematici della psicologia dei conflitti tra stati.

Può spiegarci inoltre quali sono stati i contributi che hanno portato a vincere questo prestigioso riconoscimento?
Principalmente il meccanismo della risonanza stocastica per il paleoclima (l’alternanza di periodi glaciali ed interglaciali su scala di centinaia di migliaia di anni), il modello multifrattale per la turbolenza e la generalizzazione dell’esponente di Lyapunov per risoluzioni non infinitesime. Quest’ultimo argomento ha origine dai lavori di LFR sulla diffusione in turbolenza, ed ha avuto varie applicazioni per il trasporto in geofisica, anche per il trattamento dei dati.

Nel 2021 ha ricevuto lo Statistical and Nonlinear Physics Prize dell’European Physical Society per i suoi contributi nel campo della meccanica statistica. In questo caso quali sono stati i contributi che hanno portato a vincere questo premio?
In parte si sovrappongono a quelli della Medaglia Richardson, in più ci sono state le ricerche sul caos Hamiltoniano nei sistemi ad alta dimensionalità e quelle nella meccanica statistica di non equilibrio (relazioni fluttuazione-dissipazione e mezzi granulari).

Lei è autore di una ampia serie di libri scientifici. Citiamo, come esempio, due libri disponibili in italiano: “Meccanica Statistica Elementare”, “Probabilità in Fisica”. Anche se brevemente, può indicare ai nostri lettori gli obiettivi di questi due testi e il livello di conoscenze necessarie per leggerli?
Il primo, in collaborazione con Massimo Falcioni, è dedicato a quelle parti delle meccanica statistica che, pur importanti, sono quasi sempre sacrificate nei corsi della laurea triennale, in particolare gli aspetti tecnici e concettuali del problema dell’ergodicità e dell’irreversibilità, come diciamo nella prefazione elementare non significa semplice bensì fondamentale. E’ un libro che si può tranquillamente ignorare se si vuole solo superare l’esame di Meccanica Statistica, ma può essere interessante se si hanno interessi verso la matematica ed i fondamenti. Il secondo, in collaborazione con Guido Boffetta, è stato un tentativo per introdurre gli studenti universitari alle parti più importanti della probabilità, in particolare il loro uso per la fisica. Entrambi i testi sono accessibili con una preparazione a livello del secondo-terzo anno della triennale.

Dei testi in lingua inglese, invece, quale vorrebbe portare all’attenzione dei nostri lettori?
Tralasciando quelli specialistici vorrei dire qualche parola su “A Random Walk in Physics” (Springer 2021), scritto in collaborazione con Massimo Cencini, Andrea Puglisi e Davide Vergni, un libro di divulgazione in cui si parla di argomenti (come caos, probabilita’, turbolenza e meccanica statistica) che in genere non sono discussi nei libri per il grande pubblico; il sottotitolo è esplicito, e volutamente un po’ polemico, “Beyond Black Holes and Time-Travels”. Purtroppo le principali case editrici italiane non sono interessate alla traduzione in italiano, dicono che è fuori mercato perché le tematiche che discutiamo non attraggono lettori, ma forse apparirà una traduzione in tedesco ed in turco.

Nel tempo si è anche dedicato alla scrittura di libri divulgativi. Uno di questi, scritto insieme con Luca Gammaitoni e recentemente pubblicato, si intitola “Perché è difficile prevedere il futuro. Il sogno più sfuggente dell’uomo sotto la lente della fisica”. Può spiegare ai nostri lettori gli obiettivi di questo libro?


Il nostro scopo è stato quello di discutere i principali problemi che si incontrano nel fare le previsioni. Cerchiamo di spiegare le difficoltà sia tecniche che concettuali, in particolare il ruolo della teoria, dei modelli e dei dati. E’ importate chiarirsi le idee sui diversi tipi di previsioni, capire ad esempio che la previsioni meteorologiche sono concettualmente diverse dalle previsioni in borsa. Nel primo caso abbiamo una teoria fisica, modelli matematici ed una rete di rilevamento di dati, nel secondo caso è proprio difficile dire cosa determina l’andamento della borsa. Una parte del libro è dedicata ai contributi
di LFR al problema delle previsioni meteorologiche.

Vorremmo ora farle alcune domande più generali legate al suo percorso di scienziato. Come è nata la sua passione per la fisica e in particolare la fisica teorica?
Intorno ai 16 anni ho cominciato leggendo qualche libro divulgativo, ricordo con grande piacere la collana scientifica della Boringhieri, all’inizio, come molti giovani, cercavo di tenere insieme tutto: matematica, fisica e filosofia.
Dopo aver deciso per la fisica, la scelta della fisica teorica è stata naturale: ho sempre avuto la passione per la matematica e scarsissime capacità pratiche, come se non bastasse il docente del corso di laboratorio del primo anno era talmente noioso e pedante che, almeno per me, era proprio difficile appassionarsi alla fisica sperimentale. Fortunatamente il professore del secondo anno era decisamente migliore, ma era chiaro che non ero adatto all’attività di laboratorio.

Nella vita di ogni persona ci sono degli incontri che contribuiscono in modo determinante a segnare il percorso di ciascuno. Vorremmo chiederle quali persone hanno contribuito nella sue formazione e nella sua carriera di fisico.
Per primi ovviamente i miei docenti: ho avuto la possibilità di seguire i corsi di scienziati di livello eccezionale, come Edoardo Amaldi, Gianfausto Dell’Antonio, Nicola Cabibbo e Gianni Jona-Lasinio, che è stato anche il mio relatore di tesi; poi giovane laureato ho avuto la grande opportunità di lavorare con Giorgio Parisi. Ci sono naturalmente i tanti collaboratori (molti dei quali miei ex studenti, ora affermati ricercatori e docenti in Italia ed in giro nel modo), troppo lungo farne un elenco dettagliato, ricordo solo i coautori dei libri prima discussi e Fabio Cecconi. Un ruolo particolare ha avuto Giovanni Paladin (1958-1996), stretto collaboratore per tanti anni ed amico fraterno, purtroppo una sorte ingiusta ci ha privato troppo presto della sua acuta intelligenza e della sua ironia.

Quali sono stati i criteri con cui lei ha orientato la sue ricerca scientifica?

Giovanni Jona-Lasinio (fonte wikipedia)

Devo dire che per me il caso ha avuto un grande ruolo: dopo la laurea, seguendo i suggerimenti di G. Jona-Lasinio, iniziai ad interessarmi alla turbolenza ed ai sistemi caotici, tematiche all’epoca quasi ignote in Italia, che poi sono diventati i miei principali campi di studio per tanto tempo. All’interno di ogni tematica ci sono diversi problemi, la scelta non è ovvia, quasi sempre sono stato guidato dalla ricerca di una coerenza interna e sistemazione degli aspetti generali. Ovviamente i singoli lavori possono nascere nei modi più diversi: incontri durante i congressi, domande di studenti, a volte anche per mostrare che qualche collega antipatico ha torto. Confesso che anche io ho scritto qualche articolo con questa motivazione, questa spinta che può sembrare non troppo nobile può dare buoni risultati a volte eccezionali. Un caso è stato quello del grande matematico russo Markov (ateo ed antizarista) inizialmente introdusse le sue famose catene per i processi stocastici per mettere in difficoltà un collega bigotto e reazionario.

C’è un contributo scientifico di cui va particolarmente fiero che vorrebbe condividere con i nostri lettori?
A parte quelli già accennati, un contributo di cui vado molto fiero è stato la generalizzazione dell’esponente di Lyapunov per risoluzione non infinitesimale. L’introduzione di questa caratterizzazione ha permesso di affrontare in modo efficace diverse tematiche anche pratiche: il problema della predicibilità in sistemi con struttura a multiscale (come la turbolenza), la diffusione non asintotica ed il trattamento di dati geofisici.

Ci sono stati dei momenti di difficoltà nel corso della sua carriera, dei “problemi fisici” che si sono rivelati molto più ostici da risolvere?
La scienza è fatta da persone che hanno la loro vita sociale e familiare, a volte si fa scienza anche per cercare di estraniarsi dalla realtà, lo diceva pure Einstein: ho scritto uno dei miei migliori lavori in un momento particolarmente triste. Se non ci fossero difficoltà, intendo di tipo tecnico, la ricerca non sarebbe un’attività rilevante, a volte capita che ci si blocca su un problema e dopo qualche tempo, in modo apparentemente miracoloso, appare la soluzione. Ma non è una cosa poi tanto strana e non è affatto fortuna, l’aveva capito Poincaré: in un famoso articolo sulla psicologia della matematica racconta alcune sue scoperte avvenute, apparentemente dal nulla, dopo parecchi tentativi andati a vuoto e un periodo di incubazione in cui pensava ad altro.

C’è stata, invece, una sua pubblicazione che, ripresa dal altri scienziati ha portato a qualcosa da lei parzialmente inatteso?
Il lavoro sulla risonanza stocastica apparso all’inizio degli anni 80, per quasi 10 anni ha avuto uno scarsissimo impatto, poi ha attratto un grande interesse da parte di una vasta comunità, attualmente ogni anno vengono pubblicati circa 300 articoli su questo argomento. La cosa mi fa ovviamente piacere, ma devo dire che per parecchio tempo ho pensato che il nostro lavoro fosse poco più di un esercizio sui processi stocastici, una sorta di curiosità matematica su un fenomeno non intuitivo dovuto dell’effetto combinato di rumore e perturbazione periodica nei sistemi non lineari. La ricerca di molti ricercatori
in fisica, matematica e biologia ha poi mostrato la potenzialità del meccanismo della risonanza stocastica e la sua presenza in una grande varietà di fenomeni. Esiste anche un network di artisti sperimentali ed un etichetta indipendente di musica che si chiama “Stochastic Resonance”, cercherò di capire la connessione con il nostro lavoro. Questa fortuna è bilanciata da alcuni articoli che mi hanno impegnato non poco e che pensavo potessero avere grande impatto, ma così non è stato, è evidente che è difficile essere obiettivi su se stessi.

La maggioranza delle sue pubblicazioni sono frutto della collaborazione con altri fisici. Che ruolo ha avuto per lei la collaborazione con altri fisici e in  che modo cambia il modo di lavorare quando si collabora?
La collaborazione per me è sempre stata fondamentale, ho bisogno di parlare con qualcuno, a volte mi è necessaria anche per chiarirmi le idee. C’è poi l’ovvio piacere di incontrarsi e discutere insieme, può anche accadere che il gruppo di lavoro diventi una piccola comunità di amici, ad esempio con alcuni collaboratori abbiamo formato un gruppo per le escursioni in montagna.

Nel corso della sua lunga carriera di scienziato e docente universitario ha avuto l’opportunità di conoscere diverse generazioni di studenti. C’è qualcosa che, secondo lei, accomuna gli studenti che poi sono riusciti ad intraprendere una carriera scientifica e che vorrebbe consigliare ai nostri lettori più giovani?
Ovviamente in quelli più motivati e preparati c’è sempre il naturale giovanile entusiasmo verso i grandi problemi. Difficile dare consigli specifici in questo periodo di cambiamenti molto veloci, in cui appaiono problemi nuovi e quelli più tradizionali rimasti irrisolti vengono a volte accantonati non per motivi tecnici, ma di opportunismo. Volendo c’è sempre il consiglio che potrebbe dare una vecchia zia: farsi una solida preparazione di base, ad iniziare dalla matematica, banale certo, ma anche le vecchie zie a volte hanno ragione.

Nota, invece, delle modifiche negli studenti che accedono all’università nell’ultimo periodo rispetto ai decenni passati?
Direi che alcuni degli studenti più giovani sono piuttosto pragmatici, qualche volta al limite del cinismo, ad esempio nella scelta degli argomenti di tesi di laurea o di dottorato, non pochi scelgono in base alle prospettive di carriera anche sacrificando i loro interessi scientifici.

Per concludere vorremmo chiedere qualcosa in merito ai suoi più recenti interessi scientifici. Quali sono i problemi che la stanno impegnando maggiormente negli ultimi anni? Perché, secondo lei, sono particolarmente meritevoli d’interesse?
Un mio attuale interesse è l’uso del teorema di fluttuazione- dissipazione (che mette in relazioni le fluttuazioni spontanee con la risposta del sistema ad una perturbazione esterna) per caratterizzare le proprietà di sistemi estesi e lo studio delle relazioni di causalità tra diverse variabili. Due esempi importanti sono la comprensione di quanto la CO2 influenza la temperatura e viceversa, e capire i legami cooperativi in una proteina. Questi sono problemi che sembrano di natura meramente pratica ma che non possono essere banalmente ricondotti alle correlazioni, ricordare il ben noto adagio “corre-
lation does not imply causation”, e devono essere affrontati usando tecniche della meccanica statistica di non equilibrio.
Un altro problema che mi tiene impegnato è la caratterizzazione dell’irreversibilità nella meccanica statistica di non equilibrio, la speranza è andare oltre il calcolo della produzione di entropia che spesso è proibitivo, in particolare se si ha accesso solo ad informazioni parziali.
Inoltre sono impegnato nella scrittura di un lungo articolo di rassegna sui fondamenti della meccanica statistica, sostanzialmente capire perché questa branca della fisica teorica, pur con tutti i suoi problemi tecnici e matematici non ancora sistemati, sia in grado di funzionare in modo più che soddisfacente. Questa tematica non è di interesse puramente erudito: coinvolge aspetti della probabilità, della dinamica e le proprietà emergenti dei sistemi macroscopici, e può essere utile anche nella ricerca di punta in quanto per affrontare alcuni temi di frontiera (come i sistemi mesoscopici, e quelli non Hamiltoniani) è necessario capire bene gli aspetti fondamentali per poterli usare in modo appropriato ed eventualmente riformularli.

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