Le prix Nobel de physique 2021 a été décerné conjointement à l'Italien Giorgio Parisi, Le Japonais Syukuro Manabe et l'Allemand Klaus Hasselmann pour leurs « contributions révolutionnaires à notre compréhension des systèmes complexes ».

Quand j'ai entendu la nouvelle, J'ai beaucoup de difficulté à y croire. J'ai étudié pour ma thèse de maîtrise et mon doctorat. en physique théorique sous la direction du professeur Parisi à l'Université Sapienza de Rome.

Quand je dis que j'étais incrédule, ne me comprends pas mal. De toutes les personnes que j'ai rencontrées dans mon expérience de recherche, peut-être dans ma vie, il est sans aucun doute le plus ingénieux. Je n'ai donc pas été surpris de la décision du comité du prix Nobel de le nommer lauréat. Plutôt, c'est leur décision de reconnaître ses "contributions à notre compréhension des systèmes complexes" qui a piqué mon intérêt.

Ce prix pour le professeur Parisi, partagé avec les météorologues pionniers Professeur Manabe et Professeur Hasselmann, est une reconnaissance étonnante d'un domaine de recherche entier - peut-être un peu moins glamour que les goûts de la relativité générale ou de la théorie des cordes - qui tente de comprendre et de modéliser ce que nous appelons en physique des "systèmes complexes".

Ceux-ci incluent des choses comme les écosystèmes climatiques, systèmes financiers, et les phénomènes biologiques, pour n'en nommer que quelques-uns. La grande variété de systèmes complexes - représentés dans des marchés fluctuants et des étourneaux en troupeau - rend très difficile l'élaboration de règles universelles pour eux. Les travaux de Parisi nous ont permis de tirer des conclusions sans précédent sur de tels systèmes qui, à la surface, avoir l'air au hasard, imprévisible et impossible à modéliser théoriquement.

Contrairement à d'autres modèles de physique, les systèmes complexes ne sont pas une collection de particules identiques, interagissant régulièrement de manière cohérente et prévisible. Au lieu, les systèmes complexes sont des systèmes d'éléments, potentiellement différents les uns des autres, interagissant de manières différentes et apparemment imprévisibles tout en étant exposé à des conditions externes variables.

Un tremplin pour la modélisation des systèmes complexes est la théorie des « systèmes désordonnés ». Il s'agit essentiellement de systèmes dans lesquels différentes paires d'éléments font l'expérience de différentes, forces potentiellement conflictuelles qui peuvent conduire les éléments à devenir « frustrés ».

Une manière d'illustrer cela est d'imaginer un parti (un système social fermé), où Alice peut vouloir discuter avec Bob, et Bob voudra peut-être discuter avec Charlie, mais Charlie peut ne pas vouloir discuter avec Alice. Il y a de la frustration ici, alors que devraient-ils faire ?

Les recherches du professeur Parisi ont clarifié ce qui se passe lorsque la frustration survient dans des systèmes désordonnés et complexes. Il a identifié que les systèmes complexes sont capables de se souvenir de leurs trajectoires dans le temps, et peut rester bloqué dans des états sous-optimaux pendant une longue période.

Dans notre exemple de fête, imagine Alice, Bob, Charly, et d'autres invités changeant irrégulièrement de groupes de conversation et de partenaires, dans l'espoir de trouver le meilleur groupe de personnes avec qui discuter, sans jamais le trouver. C'est l'état sous-optimal dans lequel les systèmes complexes peuvent rester bloqués.

Modèles de désordre

L'un des nombreux outils théoriques que le professeur Parisi a utilisés pour établir sa théorie est ce qu'on appelle le « truc de la réplique », une méthode mathématique qui prend un système désordonné, le reproduit plusieurs fois, et compare le comportement des différentes répliques du système. Tu peux le faire, par exemple, en comprimant des billes dans une boîte, qui formera une configuration différente à chaque fois que vous effectuerez la compression. Sur de nombreuses répétitions, Parisi savait, des modèles révélateurs pourraient émerger.

Cette méthode est aujourd'hui l'un des rares piliers théoriques pour le développement de toute la théorie des systèmes complexes telle que nous la connaissons aujourd'hui. Il a été démontré que la théorie du professeur Parisi donne des prédictions fiables sur les propriétés statistiques de systèmes complexes allant des liquides surfondus (liquides en dessous de leur température de solidification), liquides congelés, solides amorphes tels que le verre, et même des troupeaux d'étourneaux.

La théorie des systèmes désordonnés nous permet de donner un sens à la belle émergence de schémas de vol cohérents au sein de groupes serrés d'oiseaux - qui parviennent à se serrer les coudes et à former de vastes groupes malgré des conditions défavorables.

Le même cadre a été utilisé pour donner un sens au climat de la Terre. Les météorologues qui partagent le prix Nobel avec le professeur Parisi se seront appuyés sur des percées en physique théorique pour produire les modèles que nous utilisons maintenant pour démontrer de manière fiable le réchauffement climatique.

J'ai eu la chance de discuter de ces sujets avec le professeur Parisi à Rome, pendant ses expériences avec des volées d'oiseaux et pendant ses simulations informatiques sur le comportement du verre. Connaissant un peu son esprit, Je ne suis pas du tout surpris qu'il ait reçu le prix Nobel de physique.

Mais je suis agréablement surpris que le domaine des systèmes complexes, qui repousse tranquillement la frontière de la recherche théorique en physique, a reçu cette exposition. Ce prix Nobel a apporté une nouvelle légitimité et, on peut espérer, de nouveaux esprits—à ce domaine fascinant de la physique contemporaine.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.