La mirada renacentista de Parisi a los sistemas complejos bien merece un Nobel

Este año la academia sueca ha galardonado a tres investigadores con el Premio Nobel de Física por sus “contribuciones a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos”. Un sistema complejo (del latín “con” – completamente y “plexus” – entrelazado) es un conjunto grande de elementos que pueden tener naturalezas diversas y que interaccionan entre ellos a través de una multitud de procesos que los “entrelazan completamente”. Una definición en la que encajan muchísimos sistemas, desde las partículas de un gas (física) hasta las neuronas del cerebro (biología), un ecosistema (ecología) o un sistema económico (sociología y economía). 

Uno de los aspectos más fascinantes de los sistemas complejos es que, pese a su abundancia y a su extraordinaria diversidad, es posible identificar características y comportamientos genéricos con independencia de su naturaleza. Así, la llamada “ciencia de los sistemas complejos” nos proporciona un nueva forma de comprender los universos físicos, biológicos, ecológicos y sociales, según nos explican desde la Complex System Society. 

Una mitad del premio de este año es compartida entre Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann, por la “modelización física del clima de la Tierra, la cuantificación de su variabilidad y la predicción fiable del calentamiento global”. Manabe fue uno de los primeros científicos en utilizar simulaciones numéricas para estudiar la atmósfera, desarrollando modelos que combinan los procesos atmosféricos con los oceánicos. Por su parte, Hasselmann ha contribuido de manera decisiva al estudio del cambio climático, demostrando que es posible distinguir entre la evolución del clima a largo plazo y las rápidas y caóticas oscilaciones a corto plazo (lo que conocemos como “el tiempo”). Ambos han sido pioneros en advertir que un incremento de los niveles de CO2 en la atmósfera se traduce en un aumento de la temperatura del planeta. Manabe describió los detalles del proceso, y Hasselmann comprobó que efectivamente está ocurriendo. 

La otra mitad del premio es para Giorgio Parisi “por el descubrimiento de la interacción entre el desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos, desde la escala atómica hasta la planetaria”. Giorgio Parisi es un verdadero hombre del renacimiento, que ha tratado multitud de temas durante su dilatada carrera científica en la Universidad de Roma La Sapienza, siempre desde la perspectiva de los sistemas complejos con la que abordó su trabajo en física de partículas. Sus primeras contribuciones destacadas provienen del campo de la cromodinámica cuántica. Junto a Guido Altarelli desarrolló las ecuaciones que describen cómo varía la probabilidad de encontrar quarks y gluones dentro de un protón al cambiar la energía. Sus descubrimientos en esta área han sido de relevancia en el estudio de la transición de fase que se produjo en el universo temprano cuando, al disminuir la temperatura, comenzaron a formarse protones y neutrones en aquella “sopa caliente” de partículas elementales que era el universo. 

A principios de los 80, Parisi se interesó por las propiedades de los llamados vidrios de spin. Se trata de materiales desordenados formados por partículas magnéticas y no magnéticas, que experimentan lo que en Física se conoce como “frustración”. Cada par de partículas trata de tener una configuración de mínima energía entre ellas, pero las características del sistema no se lo permiten por lo que se “frustran”. La forma más habitual de explicar qué es esto de la frustración es compararlo con una fiesta en la que todo el mundo tiene filias y fobias con el resto, es decir, hay gente que le cae bien, y gente que le cae mal. Como los gustos no son coincidentes resulta imposible formar grupos donde todo el mundo se encuentre a gusto, por lo que todos experimentan un cierto grado de frustración. Esto es lo que les ocurre a los vidrios de spin en presencia de un campo magnético, pues no todas las partículas consiguen alinearse con el resto de manera “satisfactoria”. Lo que se observa es que al poner a uno de estos sistemas en presencia de un campo magnético adopta un estado que es diferente al que adoptará en ciclos sucesivos de encendido y apagado del campo magnético. Hay una infinidad de estados a los que puede evolucionar el sistema, al igual que en la fiesta hay una multitud de configuraciones en las que los invitados pueden situarse en su intento por estar lo menos “frustrados” posible. 

Tratando de indagar en el comportamiento de estos sistemas, Parisi utilizó el llamado “truco de las réplicas”, que consiste en utilizar muchas copias del sistema que son diferentes unas de otras, pero que mantienen el mismo grado estadístico de desorden. Esto le permitió desarrollar una solución matemática que ni es intuitiva a nivel físico, ni tampoco era formal a nivel matemático. Una auténtica genialidad que fue consolidada en años posteriores por matemáticos, con la que pudo predecir la aparición de patrones en este tipo de sistemas. Concretamente descubrió que los múltiples estados a los que puede evolucionar el sistema satisfacen un tipo de simetría que sólo es perceptible cuando se compara la forma en la que se disponen los átomos individuales en diferentes escalas. Un descubrimiento merecedor de todo un Nobel. Según Federico Ricci-Tersenghi, antiguo alumno y colaborador de Parisi, “Abrió una vía para ver e interpretar fenómenos complejos que hasta entonces se habían pasado por alto”.

La solución de Parisi ha tenido un gran impacto en otras áreas del conocimiento al ser aplicada con éxito a temas tan diferentes como la neurociencia, la inteligencia artificial, o problemas muy variados en biología. Es así una demostración práctica de que los sistemas complejos comparten comportamientos y características con independencia de su naturaleza, lo que no deja de ser absolutamente fascinante. 

Giorgio Parisi es un polímata, un hombre renacentista, con trabajos relevantes en áreas muy dispares del conocimiento, cuyos intereses trascienden el ámbito de la física como demuestra su doctorado “honoris causa” en filosofía por la universidad de Urbino. Según sus colaboradores (por ejemplo en este podcast), de lo que más habla Parisi (al más puro estilo italiano) es de política italiana, futbol y comida, temas sobre los que escribe artículos de opinión en prensa generalista. Muy apreciado por sus estudiantes, que le recibieron con grandes aplausos tras la recepción del Nobel, no ha desaprovechado la oportunidad brindada por el galardón de ser portada en todos los medios de comunicación para recordar que “la investigación (en Italia) no cuenta con fondos suficientes y la situación ha empeorado en los últimos 10 a 15 años”, apuntillando que “la investigación es como un huerto, si crees que puedes regarlo cada dos semanas, las cosas irán mal”. Aquí debemos recordar que el % del PIB que dedica España a I+D es de 1,24, inferior al 1,45 que dedica Italia, del que se queja Parisi. 

En su discurso en la Cámara de Diputados italiana también lanzó un mensaje bastante contundente sobre la actual crisis medioambiental: “El Producto Interior Bruto de los países individuales es la base de las decisiones políticas, y la misión de los gobiernos parece ser la de aumentar el PIB tanto como sea posible, un objetivo que contrasta profundamente con la lucha contra el cambio climático (…) Si el PIB sigue siendo el centro de atención, nuestro futuro será sombrío”.

Hay tres límites que, en general, dificultan el avance del conocimiento. Dos de ellos se refieren a limitaciones por tamaño: la dificultad de analizar y comprender lo que es demasiado grande – por ejemplo, el universo – y lo que es demasiado pequeño – como son los virus o los neutrinos. Aunque se han conseguido grandes progresos en ambas direcciones con la inestimable ayuda de una tecnología en constante desarrollo, el reto del tamaño sigue siendo desafiante. El tercer límite al conocimiento es el de la complejidad; la tenemos delante de nuestras narices, podemos verla, pero resulta enormemente difícil de entenderla, interpretarla y poder simular su evolución futura. Los avances en matemáticas de la complejidad y en dinámicas no-lineales, junto a la aplicación de la bioinformática y los análisis de big data permiten realizar tareas de cálculo inaccesibles para el cerebro humano. Y sin embargo, seguimos rodeados de océanos de complejidad que limitan nuestra comprensión de la realidad. Contribuciones como las de Parisi ayudan a descorrer estos velos de desconocimiento, permitiéndonos un entendimiento más profundo e insospechado de la naturaleza.  

Con este galardón, la academia sueca incide en la importancia de abordar el estudio de los sistemas naturales desde la perspectiva de la complejidad, con mención expresa al que, sin lugar a dudas, es el problema más grave que afronta la humanidad en estos momentos: la crisis climática. En este post nos hemos centrado en el trabajo de Parisi, dejando para los siguientes el análisis del cambio de paradigma que supone la nueva perspectiva de complejidad, y sus implicaciones sobre nuestra visión de la Tierra y la actual crisis climática.

Este año la academia sueca ha galardonado a tres investigadores con el Premio Nobel de Física por sus “contribuciones a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos”. Un sistema complejo (del latín “con” – completamente y “plexus” – entrelazado) es un conjunto grande de elementos que pueden tener naturalezas diversas y que interaccionan entre ellos a través de una multitud de procesos que los “entrelazan completamente”. Una definición en la que encajan muchísimos sistemas, desde las partículas de un gas (física) hasta las neuronas del cerebro (biología), un ecosistema (ecología) o un sistema económico (sociología y economía). 

Uno de los aspectos más fascinantes de los sistemas complejos es que, pese a su abundancia y a su extraordinaria diversidad, es posible identificar características y comportamientos genéricos con independencia de su naturaleza. Así, la llamada “ciencia de los sistemas complejos” nos proporciona un nueva forma de comprender los universos físicos, biológicos, ecológicos y sociales, según nos explican desde la Complex System Society.