Ogni giorno sentiamo parlare di nuovi materiali, nuove medicine, nuovi strumenti. Alla base di questi avanzamenti tecnologici sta spesso la simulazione al computer. Con i moderni computer, infatti, è spesso possibile SIMULARE il comportamento di un materiale o di una molecola prima di effettuare degli esperimenti reali. I vantaggi di questo approccio sono due: gli esperimenti sono spesso più costosi della simulazione, più "rumorosi" e meno ripetibili, e per mezzo delle simulazioni si possono misurare quantità non raggiungibili per via sperimentale. La simulazione non rimpiazza ovviamente la prova sperimentale del materiale, ma può aiutare molto: negli esperimenti si possono misurare delle quantità facilmente accessibili e confrontarle con i risultati delle simulazioni.

D'altra parte, la simulazione stessa è un'arte (ed una tecnica) sofisticata. Diversamente da quanto si vede nei film, non è possibile introdurre in una simulazione TUTTO quello che sappiamo sul sistema. Tanto per fare un esempio: la fisica è arrivata a riprodurre, su computer, il comportamento delle particelle elementari con un grado di precisione estremo. Quindi, logica vorrebbe che si simulasse un insieme sufficientemente grande di tali particelle per riprodurre il comportamento di un qualsiasi materiale. Ebbene, per questa strada non riusciamo neppure a riprodurre il comportamento degli atomi più semplici. Così come, pur conoscendo molto bene la fisica (quantistica) degli atomi non riusciamo a riprodurre per questa strada il comportamento delle molecole, se non a costo di approssimazioni pesanti e solo per estensioni temporali di alcuni nanosecondi.

Eppure le simulazioni "funzionano". Com'è possibile questa contraddizione? Il fatto è che la realtà è per fortuna "gerarchica". Ci sono delle "scale" (di lunghezza, di tempo o di energia) ben separate. Se parliamo di atomi, ci riferiamo alla scala di lunghezza dei nanometri o degli amstrong, per le (grandi) molecole ed i cristalli ai micron, e così via, fino alle centinaia di chilometri nella metereologia e agli anni-luce nella cosmologia.

E' spesso possibile effettuare una operazione di "media" sulle scale piccole rispetto a quelle interessanti, e questo ci permette, per esempio, di usare con successo la meccanica di Newton invece di quella quantistica, o di schematizzare un oggetto come un corpo rigido, o di assimilare un pianeta ad un punto materiale!

Questi sistemi "separabili" sono quelli che sono stati (e sono) studiati anche con "carta e penna", e in questo caso il computer serve solo per effettuare i calcoli in maniera più veloce.  Ma con il computer si può fare di più. Ci sono casi  in cui il comportamento del sistema non può essere facilmente previsto sulla base di quello dei suoi componenti, come per esempio nel caso dei comportamenti caotici, nelle transizioni di fase, ed in genere nei sistemi "complessi". Ovviamente, sono proprio questi sistemi "complessi" che promettono di fornire nuovi e clamorosi avanzamenti tecnologici.

Quando un sistema è complesso, si cerca in genere di capire da dove viene questa "complessità", e per fare questo spesso si ricorre a modelli semplici, in modo che alla "complessità" non si aggiunga anche la "confusione".

In essenza, quindi, nel laboratorio di modellistica fisica si studiano modelli semplificati di sistemi complessi, di origine ingegneristica, fisica e biologica, con l'uso del computer. Quindi non solo computer come "calcolatore", ma come vero e proprio "simulatore". Per fare questo, non solo si impara a studiare su un computer le equazioni della matematica, come le equazioni differenziali, ma a ricreare veri e propri "mondi virtuali", ovviamente molto semplificati, e a studiarne le caratteristiche. Un altro aspetto, per ora poco sviluppato, riguarda lo studio di dati sperimentali e la loro interpretazione sulla base di un modello di riferimento.

-- FrancoBagnoli - 08 Nov 2006