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Un paradosso turbolento: svelato il collegamento inatteso tra due problemi irrisolti della fisica

Un team di ricerca interdisciplinare SISSA-Università di Padova ha analizzato il problema di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou in maniera innovativa scoprendo un collegamento con la turbolenza nei fluidi

Alcuni dei fenomeni fisici che incontriamo quotidianamente nella nostra vita sono ancora oggi incompresi. Un primo esempio è la turbolenza nei fluidi. La turbolenza è legata alla complessità delle equazioni di Navier-Stokes che regolano la dinamica dei fluidi, uno dei problemi del millennio. Un altro esempio di problema aperto è l’approccio all’equilibrio termodinamico per i sistemi isolati. Un nuovo studio in collaborazione tra la SISSA e l’Università di Padova, pubblicato su Physical Review Letters, analizza in dettaglio un collegamento nuovo tra queste due tipologie di fenomeni e potrebbe aprire nuove strade per la loro comprensione.

collegamento due problemi fisica turbolenza fluidi
Un paradosso turbolento: svelato il collegamento inatteso tra due problemi irrisolti della fisica. Credits: New York University

A metà degli anni ‘50, Enrico Fermi, John Pasta, Stanislaw Ulam e Mary Tsingou si interessarono al problema dell’approccio all’equilibrio termodinamico per i sistemi isolati. Ebbero l’idea di simulare al computer la dinamica di un sistema molto semplice, costituito da oscillatori nonlineari in interazione, con la speranza di poter sviluppare qualche intuizione per una teoria più generale. Gli esiti di questo pionieristico studio furono sorprendenti al punto che il risultato venne rinominato “paradosso di Fermi-Pasta-Ulam” (tralasciando l’importante ruolo di Mary Tsingou). Invece di osservare il sistema approcciarsi progressivamente all’equilibrio termodinamico, gli autori fecero quello che loro stessi definirono una “piccola scoperta”: il sistema sembrava non raggiungere mai l’equilibrio termodinamico. Oggi, a distanza di quasi settant’anni, grazie innumerevoli studi si è scoperto che quello osservato da Fermi, Pasta, Ulam e Tsingou altro non era che uno stato “metastabile” in cui il sistema rimaneva a lungo prima di raggiungere l’equilibrio. Da altri studi sappiamo che questo stato metastabile è presente quando al sistema si dà poca energia, mentre questo paradosso non si presenta quando il sistema ha un’energia sufficientemente alta.

Nella nuova ricerca, gli autori hanno studiato la struttura dello stato metastabile del modello di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou trovando che ha somiglianze significative con la turbolenza dei fluidi. Inoltre, i tempi-scala del problema (il tempo in cui il sistema raggiunge questo “stato intermedio” e il tempo dopo cui lo abbandona) sono “universali”, ovvero dipendono dai parametri del sistema in modo noto, sono calcolabili esattamente e non dipendono dai dettagli dell’interazione.

Antonio Ponno, Professore Associato del Dipartimento di Matematica dell’Università di Padova e autore dello studio, racconta: “L’idea per questo lavoro è nata qualche anno fa, a partire dal progetto di tesi di Matteo Marian, studente di fisica dell’Università di Trieste. Fin da subito sono stati coinvolti anche Stefano Ruffo e Matteo Gallone della SISSA ed è nato così un gruppo di ricerca tuttora attivo”.

Il lavoro appena pubblicato coinvolge quattro generazioni di ricercatori, tre istituzioni accademiche e due settori scientifico-disciplinari.

Un lavoro che ha potuto raggiungere risultati importanti solo grazie all’ambiente multidisciplinare che c’è in SISSA” commenta Matteo Gallone, primo autore dello studio. La ricerca unisce metodi matematici d’avanguardia con le simulazioni numeriche per illuminare problemi di fisica statistica. “La sinergia tra matematica è fisica ci ha permesso di affrontare l’analisi del problema di Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou in maniera innovativa e costruire un ponte con la turbolenza” aggiunge Gallone.

La collaborazione costruttiva tra scuole diverse, centrata sulla promozione e la circolazione dei più giovani – un principio saldo del nostro Ateneo – è la chiave di volta della qualità della ricerca” conclude Ponno.

Full paper: Physical Review Letters

 

Testo e immagine dagli uffici Stampa dell’Università degli Studi di Padova e SISSA – Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati

Giorgio Parisi è Nobel per la Fisica 2021

L’assegnazione del Premio al docente Sapienza, resa pubblica oggi alle 11.45, corona una carriera di scienziato costellata di successi e riconoscimenti.

Giorgio Parisi Nobel per la Fisica 2021

Giorgio Parisi è Nobel per la Fisica.
L’assegnazione del Premio, resa pubblica oggi alle ore 11.45, è giunta con la seguente motivazione: “Per la scoperta del legame tra il disordine e le fluttuazioni nei sistemi fisici dalla scala anatomica a quella planetaria”. 

“Quella di oggi è un’emozione difficile da tradurre in parole, è un orgoglio immenso, per la Sapienza, per la comunità scientifica e per il nostro Paese – sottolinea la Rettrice Antonella Polimeni – Giorgio Parisi è un gigante, uno di quelli sulle cui spalle le generazioni future si siederanno per scrutare l’orizzonte della scienza e fare un passo ulteriore verso la conoscenza”


Lo studioso, professore ordinario di Fisica Teorica alla Sapienza di Roma, già Presidente dell’Accademia dei Lincei, è il 6° italiano a ottenere l’ambito riconoscimento nel campo della Fisica, dopo Guglielmo Marconi (1908), Enrico Fermi (1938), Emilio Segre (1959), Carlo Rubbia (1984), Riccardo Giacconi (2002).

Nel 2021, il fisico italiano è stato insignito del Premio Wolf ed è entrato, primo esponente dell’accadmia italiana, nella Clarivate Citation Laureates per “le scoperte rivoluzionarie relative alla cromodinamica quantistica e lo studio dei sistemi disordinati complessi”.

Focus

Giorgio Parisi è professore ordinario di Fisica Teorica alla Sapienza Università di Roma, ricercatore associato all’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare ed è stato Presidente dell’Accademia dei Lincei (2018-2021). Nato a Roma nel 1948, Parisi ha completato i suoi studi alla Sapienza Università di Roma dove si è laureato in fisica nel 1970 sotto la guida di Nicola Cabibbo. Ha iniziato la sua carriera scientifica ai Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, prima come membro del CNR (1971-1973) e successivamente come ricercatore dell’INFN (1973-1981). Durante questo periodo ha trascorso lunghi soggiorni all’estero, prima alla Columbia University di New York (1973-1974), all’Institut des Hautes Études Scientifiques a Bures-sur-Yvettes (1976-1977), all’École Normale Superieure di Parigi (1977-1978). Nella sua carriera scientifica, Giorgio Parisi ha dato molti contributi determinanti e ampiamente riconosciuti in diverse aree della fisica: in fisica delle particelle, meccanica statistica, fluidodinamica, materia condensata, supercomputer. Ha, inoltre, scritto articoli su reti neurali, sistema immunitario e movimento di gruppi di animali. È stato vincitore di due advanced grant dell’ERC European Reasearch Council, nel 2010 e nel 2016, ed è autore di oltre seicento articoli e contributi a conferenze scientifiche e di quattro libri. Le sue opere sono molto conosciute.

Riconoscimenti. Nel 1992 gli è stata conferita la Medaglia Boltzmann (assegnata ogni tre anni dalla IUPAP International Union of Pure and Applied Physics per nuovi risultati in termodinamica e meccanica statistica) per i suoi contributi alla teoria dei sistemi disordinati, e la Medaglia Max Planck nel 2011, dalla società tedesca di fisica Deutsche Physikalische Gesellschaft. Ha ricevuto i premi Feltrinelli per la Fisica nel 1987, Italgas nel 1993, la Medaglia Dirac per la fisica teorica nel 1999, il premio del Primo Ministro italiano nel 2002, Enrico Fermi nel 2003, Dannie Heineman nel 2005, Nonino nel 2005, Galileo nel 2006, Microsoft nel 2007, Lagrange nel 2009, Vittorio De Sica nel 2011, Prix des Trois Physiciens nel 2012, il Nature Award Mentoring in Science nel 2013, High Energy and Particle Physics dell’EPS European Physical Society nel 2015, Lars Onsager dell’APS American Physical Society nel 2016. Nel 2021 ha ricevuto il prestigioso Wolf Prize per la Fisica.  Sempre nel 2021, è entrato, primo esponente dell’accademia italiana, nella Clarivate Citation Laureates.   È membro dell’Accademia dei Quaranta, dell’Académie des Sciences, dell’Accademia Nazionale delle Scienze degli Stati Uniti, dell’Accademia Europea, dell’Academia Europea e dell’American Philosophical Society.

 

Testo e foto dal Settore Ufficio stampa e comunicazione Sapienza Università di Roma