SINERGETICA

SINERGETICA

Definizione e storia del termine. - Il termine s. è stato introdotto da H. Haken per denotare la scienza dei sistemi composti di molti sottosistemi in mutua interazione. La s. o ''scienza degli effetti combinati'' studia come dei sottosistemi interagiscano per produrre strutture spaziali, temporali o funzionali su scale macroscopiche (nascita delle forme: morfogenesi o pattern formation).

Già nell'investigare l'equilibrio termodinamico, L. Landau nel 1937 aveva fatto vedere come certi aspetti universali della nascita di fasi ordinate a bassa temperatura fossero interpretabili in termini di forze non lineari. Si ricorda che una dinamica lineare, cioè con forze proporzionali agli spostamenti, è sempre decomponibile nella giustapposizione di contributi elementari scorrelati (sovrapposizione degli effetti). Invece l'introduzione di forze non lineari, da una parte impedisce di fare previsioni a lungo termine (il cosiddetto caos deterministico), dall'altra induce delle correlazioni tra individui che rendono un collettivo non riducibile alla somma dei componenti. A partire dal 1945, queste idee venivano estese da L. von Bertalanffy a sistemi aperti, con particolare riguardo a sistemi biologici. Nel 1952 A. Turing formulava la teoria generale della morfogenesi nei sistemi chimici. A metà degli anni Sessanta l'uso della statistica dei fotoni permetteva un'accurata caratterizzazione sperimentale della nascita della coerenza nelle sorgenti laser. A differenza delle trattazioni fenomenologiche di von Bertalanffy e Turing, in cui le equazioni dinamiche nascono da considerazioni euristiche, nel caso dei laser si riuscì a seguire il trapasso dall'interazione microscopica fra singolo atomo e campo elettromagnetico locale all'instaurarsi di un ordine globale sulla scala degli oggetti di laboratorio, mettendo a fuoco quelle ipotesi aggiuntive, di tipo statistico, che sono essenziali per passare da modelli individuali a modelli collettivi. Haken, che aveva contribuito allo sviluppo della teoria del laser, utilizzò per la prima volta il termine s. in una conferenza nel 1972. Questo termine caratterizzava un campo d'indagine teorica e sperimentale che traeva la sua origine dai dibattiti aperti nel mondo scientifico dal conflitto ottocentesco fra termodinamica dei sistemi chiusi, che predice l'aumento del disordine attraverso l'aumento progressivo dell'entropia, e ipotesi darwiniana dell'evoluzione, che implica l'emergenza di strutture sempre più ordinate.

Il termine ''energetica'', introdotto a fine Ottocento per designare gli scambi globali di energia fra due sistemi, indipendentemente dalla loro struttura macroscopica, ha rappresentato una reazione al punto di vista riduzionistico della meccanica statistica, che cercava di spiegare le proprietà globali come somma di interazioni individuali fra componenti elementari. Il termine ''sinergismo'' è stato usato fin dall'inizio del 20° secolo in chimica per designare l'azione combinata di due sostanze chimiche diverse, quando questa risulta maggiore della somma delle azioni indipendenti delle due sostanze. Nello stesso tempo, nell'ambito delle scienze cognitive, la psicologia della Gestalt ha opposto la percezione di forme globali alla frantumazione in atti di apprendimento elementare da ricomporre con procedure di sintesi. Analogo problema nasceva in fisica-chimica a partire dagli anni Quaranta nel tentativo di estendere considerazioni generali valide per sistemi all'equilibrio termodinamico a sistemi fuori dall'equilibrio nei quali si mantenga un flusso di energia. Tale è la macchina di S.-N.-L. Carnot, per cui esisteva già una trattazione di tipo macroscopico che permetteva solo di valutare parametri globali quale il rendimento. Quel che invece caratterizza i sistemi fuori dall'equilibrio è una soglia critica, che separa una regione disordinata da una regione in cui emergono strutture coerenti, con un processo di ordine che implica una riduzione di entropia. Sistemi di tal genere non sono macchine di Carnot, progettate per uno scopo preciso e pertanto con una struttura pre-assegnata fatta di parti mutuamente interagenti; essi invece sono costituiti da un gran numero di oggetti inizialmente non correlati, e che di conseguenza si comportano come un gruppo incoerente di individui, ma che al variare di un parametro finiscono con l'assumere un comportamento unitario per un processo di organizzazione interna, detto auto-organizzazione.

Si prospetta pertanto un nuovo livello di descrizione della realtà che diremo mesoscopico, distinto dal livello microscopico in cui si studiano le proprietà dei singoli componenti (atomi o molecole in fisica, i geni in biologia, le singole parole in linguistica, ecc.) e dal livello macroscopico in cui si classificano le proprietà globali. A livello mesoscopico si mette a fuoco il ruolo delle mutue interazioni fra individui nel determinare il trapasso dal disordine all'ordine con la nascita di strutture coerenti. Questo livello mesoscopico, oltre che "sinergetica", è stato definito in altri modi, per es. "scienza della complessità", per indicare come le strutture emergenti non siano deducibili dalla semplice conoscenza degli elementi costituenti, oppure "scienza delle strutture dissipative", per indicare come questi fenomeni siano spiegati da modelli dinamici irreversibili e sfuggano all'usuale dinamica reversibile dei modelli di tipo newtoniano.

Esempi di descrizione sinergetica. - Il laser è il primo sistema fisico per il quale sia stata sviluppata con successo una descrizione sinergetica. Il motivo sta nel fatto che accurate misure di statistica dei fotoni hanno permesso, a metà degli anni Sessanta, d'individuare una fenomenologia che non può essere descritta con il linguaggio microscopico della spettroscopia di singola particella, né con il linguaggio macroscopico delle proprietà ottiche globali del fascio di luce emesso (cioè: direzionalità, monocromaticità, intensità).

Ricordiamo che un laser è costituito da atomi o molecole in grado di emettere radiazioni, posti fuori dall'equilibrio da un meccanismo che fornisce energia (pompa). I vari atti di emissione individuale (o spontanea) forniscono una radiazione disordinata, analogamente a quanto avviene in qualunque sorgente di luce. Se però una particolare configurazione, o modo, del campo elettromagnetico è mantenuta a lungo a contatto con gli atomi mediante specchi opportuni, questo modo riesce a coordinare gli atti di emissione di atomi distinti (emissione stimolata). Al di sopra di una soglia critica questa emissione ordinata prevale sull'emissione spontanea e le proprietà statistiche della radiazione emessa cambiano drasticamente. Un simile meccanismo di ordine si può instaurare per configurazioni diverse, e tutte queste − una volta attivate − si comporteranno a loro volta come individui in grado di entrare in competizione, dando luogo a forme spazio-temporali complesse (turbolenza ottica).

Come secondo esempio consideriamo un liquido scaldato dal basso. Al di sotto di una certa soglia, le molecole dal fondo del recipiente trasferiscono la loro agitazione termica alle altre per conduzione, ma non c'è coordinazione fra i vari moti. Oltre la soglia i vari moti risultano coordinati e nascono strutture convettive coerenti (convezione di Rayleigh e Bénard). Scaldando ulteriormente, strutture convettive di forme diverse possono andare sopra soglia ed entrare in competizione, dando luogo a turbolenza. Una descrizione microscopica si limita a studiare l'interazione a livello molecolare, una descrizione macroscopica si limita agli scambi globali, la descrizione sinergetica individua le caratteristiche spaziali e temporali dei modi che vanno sopra soglia. In entrambi i casi (laser e liquidi) il modo che passa attraverso la soglia ha un tempo di memoria lungo e pertanto diviene dominante. Dal punto di vista matematico, le variabili degli altri modi che sono a memoria corta vengono valutate all'equilibrio imposto dal modo lento, cioè agganciate o ''asservite'' al modo vincente; si dice anche che vengono eliminate adiabaticamente.

Aspetti concettuali e interpretazioni. - Per evitare dettagli matematici, la descrizione sinergetica si è avvalsa di termini desunti dal linguaggio comune e utilizzati come metafore (auto-organizzazione, asservimento, eliminazione adiabatica). Ciò ha ingenerato false interpretazioni. Secondo alcuni, si è riaperta la polemica, in voga all'inizio del 20° secolo, fra riduzionisti e vitalisti. In effetti la s. non introduce leggi fisiche nuove, ma prende atto che qualunque descrizione scientifica è limitata, non coglie l'essenza delle cose, e pertanto ha un ambito di validità circoscritto. Sia la descrizione microscopica sia quella macroscopica si lasciano sfuggire il ruolo delle mutue interazioni che determinano il prevalere di una struttura ordinata al di là di una soglia critica. Per altro il fatto che si prescinda dalla struttura dei singoli individui per focalizzare il ruolo delle interazioni dà un carattere di universalità a questa descrizione, che risulta in tal modo applicabile nei contesti più diversi: fisica, chimica, biologia, economia, sociologia, linguistica, ecc.

Già sono note in natura altre forme di ordine che si realizzano a temperatura costante (equilibrio termico): quando si raffredda un sistema di più particelle interagenti, si raggiunge una temperatura critica per cui le mutue interazioni prevalgono sull'agitazione termica, e pertanto s'instaura un ordine a lungo raggio. Così vanno viste le transizioni di fase da gas a liquido, da paramagnete a ferromagnete, ecc.

In questi sistemi, le simmetrie della fase ordinata riflettono le simmetrie dell'interazione microscopica (si veda, per es., la simmetria dei cristalli). Invece in un sistema fuori dall'equilibrio, con un flusso di energia da una pompa a un pozzo, le simmetrie vengono imposte dal contorno (gli specchi nel caso del laser, la forma del recipiente nella convezione del liquido) e riflettono pertanto il tipo d'interazione con il mondo esterno. In effetti il modo più lento, che asservisce gli altri, è quello più privilegiato che riesce a fare il miglior uso dell'energia della pompa in quanto minimizza le perdite verso il pozzo.

Negli anni Quaranta C.H. Waddington aveva cercato di descrivere l'evoluzione biologica in termini di un "paesaggio dell'energia" in cui il sistema si muove, tendendo a cadere nei punti di minimo (stati di equilibrio stabile). La descrizione sinergetica fa vedere come tali paesaggi dell'energia non sono assegnati a priori, ma sono modellati dallo stesso sistema che evolve. Si parla così di un paesaggio adattivo (S.A. Kauffman), che si modifica man mano che il sistema composto di molti elementi evolve verso strutture ordinate. In base alle precedenti considerazioni sulla simmetria, la specie biologica che prevale e che asservisce le altre è determinata dalla nicchia ecologica entro cui la competizione ha avuto luogo e che ha privilegiato quella specie assegnandole una vita, o una memoria, più lunghe.

Sinergetica: modello o metafora?- Conveniamo di chiamare ''modello'' una descrizione scientifica coerente del mondo (per es., il modello newtoniano). Ogni modello è una struttura linguistica in cui le ''parole'' sono le uscite degli apparati di misura; la ''sintassi'' è l'insieme delle relazioni matematiche che connettono i numeri forniti dagli apparati di misura, e l'applicazione delle regole della matematica permette di estrarre conseguenze che rappresentano predizioni. Così definito, il modello è co-estensivo alla teoria scientifica e solo nel suo ambito si può sviluppare un discorso scientifico rigoroso.

Un linguaggio scientifico esplora aspetti particolari del mondo e li formalizza in un modello. Un modello ha capacità predittive ottenute astraendo dai fenomeni osservati quegli aspetti inseribili in un algoritmo che − con un'evoluzione automatica, ormai staccata dall'osservazione − porti ad anticipare il futuro. La potenza del modello è legata alla sua capacità di ''comprimere'' l'informazione, permettendo un guadagno rispetto a una ''simulazione'' che mimi tutti i passaggi successivi che avvengono nel mondo. In effetti, il ''nome'' della cosa osservata non è soltanto il numero misurato, da utilizzare in relazioni formali, ma include termini intermedi intervenuti nel processo di elaborazione del modello, ma non completamente calati in esso. Chiameremo ''metafore'' questi termini, che indicano elementi di realtà non utilizzati nella teoria. Nel comunicare con gli altri, a parte gli aspetti formalizzati nel modello, uno scienziato trasferisce anche queste metafore, che possono servire da stimolo nell'ambito di altri linguaggi scientifici. Ma per essere utilizzate, le metafore vanno tradotte nel linguaggio particolare del secondo scienziato: il quale dovrà valutare quanto del contenuto metaforico è utilizzabile nell'ambito del proprio modello. La metafora dunque presuppone il riconoscimento di più ordini di conoscenza autonomi, cioè un pluralismo cognitivo e non una teoria unica del mondo. Lo scambio di metafore è essenziale per creare ponti interdisciplinari, altrimenti diverse formulazioni scientifiche sarebbero incommensurabili, prive di elementi di confronto.

Questi richiami di natura epistemologica sono utili per inquadrare il ruolo della sinergetica. La s. estrae elementi di comportamento comuni in fenomeni diversi, senza entrare nei dettagli dei comportamenti individuali. Peraltro la descrizione sinergetica applicata a campi diversi, dalla fisica alla sociologia, sembra costituire un modello, in quanto ambisce a esercitare un potere predittivo.

In effetti è discutibile che si possa elaborare un modello mesoscopico di applicabilità generale sulla base del solo principio dell'asservimento delle variabili veloci da parte di una o poche variabili lente, che rappresentano i parametri d'ordine. In molti campi, dalla sociologia all'economia e alle scienze cognitive, finora la s. ha fornito solo la possibilità di classificazioni generali senza potere predittivo. È probabile che non si arrivi mai a un linguaggio mesoscopico universale, da applicare a qualunque tipo di fenomeni, ma che si evolva piuttosto verso classi distinte di descrizioni sinergetiche, con differenze sostanziali che non le rendono riducibili una all'altra e perciò con un notevole residuo metaforico.

Bibl.: L. von Bertalanffy, Biophysik des Fliessgleichgewichts, Braunschweig 1953; C.H. Waddington, Strumenti per pensare, Milano 1977; H. Haken, Sinergetica, Torino 1983; G. Nicolis, I. Prigogine, Exploring complexity, New York 1989; F.T. Arecchi, I. Arecchi, I simboli e la realtà, Milano 1990; S.A. Kauffman, The origins of order (selforganization and selection in evolution), Oxford 1993.