Come su un marciapiede affollato i pedoni si organizzano spontaneamente in colonne che procedono in senso inverso, così anche le molecole si dispongono ordinatamente quando due fluidi scorrono in direzioni opposte. Anche se in quest’ultimo caso non siamo in presenza di comportamenti “intelligenti”. Questo il risultato, sorprendente, di una ricerca, appena pubblicata dalla rivista Physical Review Letters, condotta congiuntamente dalle università di Milano e di Friburgo. In questa intervista, il professor Alberto Vailati, del dipartimento di Fisica dell’ateneo milanese, spiega ai lettori de ilsussidiario.net l’importanza di tale scoperta soprattutto nell’ambito dello studio dei movimenti oceanici, così determinanti per il clima.
Professore, in cosa consiste la vostra scoperta?
Abbiamo mostrato come due fluidi che scorrono in direzioni opposte si organizzano spontaneamente in corsie parallele, come le auto in autostrada o i pedoni che attraversano le strade. Studiando gli effetti termici su miscele liquide abbiamo osservato che inclinando la cella di misura di circa un grado si formano colonne convettive ascendenti e discendenti di liquido che cominciano a muoversi in direzioni opposte, proprio come veicoli o pedoni, auto-organizzandosi e muovendosi su percorsi paralleli notevolmente stabili, nonostante in questo caso sia completamente assente un comportamento intelligente. Questo fenomeno è un esempio di auto-organizzazione che avviene nei sistemi complessi.
Cos’è un sistema complesso?
Un sistema complesso è costituito da tanti elementi o unità fondamentali che presentano fenomeni spontanei di auto-organizzazione non interpretabili in termini riduzionistici, la cui spiegazione non è cioè semplicemente riconducibile al comportamento delle unità elementari. Fenomeni di auto-organizzazione provenienti dai campi più disparati della scienza, dalla fisica alla sociologia, passando per la biologia, presentano delle analogie formali tra loro. Fenomeni di auto-organizzazione hanno luogo in sistemi molto diversi tra loro che, a titolo di esempio, includono i laser, la struttura delle nuvole, la tassellazione del manto della giraffa, la dinamica con cui si muovono le greggi di pecore.
Ci fa un esempio?
Un classico esempio dalla fisica è quello di un liquido sottoposto ad una differenza di temperatura tra la parte superiore e la parte inferiore. In tal caso quello che succede è che se si scalda la regione inferiore del liquido, questo si dilata e, per la spinta di Archimede, verrebbe a salire. Quali siano i punti in cui il liquido comincia a salire non è dato a sapersi a priori visto che il sistema presenta una simmetria orizzontale e nessun punto è privilegiato rispetto agli altri. Quello che si realizza in questo caso è una “rottura spontanea della simmetria”in cui per una fluttuazione statistica ci sono dei punti in cui il liquido comincia a salire in colonne ascendenti ed altri in cui il liquido più denso che è sopra forma delle colonne discendenti. Il tutto a formare le cosiddette “celle convettive”.
In questo contesto qual è il contenuto della vostra scoperta?
Abbiamo studiato come si comporta una miscela di liquidi sottoposta a una differenza di temperatura e posta su un piano inclinato e abbiamo riscontrato una circolazione auto-organizzata in colonnesia su piccola scala che su grande scala. Lo studio di una miscela di liquidi sottoposti a una differenza verticale di temperatura esibisce strutture colonnari ascendenti o discendenti del diametro di qualche millimetro, indotte dalla leggera separazione verticale dei due liquidi sottoposti a gradiente di temperatura. La nuova scoperta riguarda lo studio di tale fenomeno quando il recipiente con il liquido è inclinato. La rilevanza dell’inclinazione è dovuta al fatto che in fenomeni naturali come la circolazione dell’acqua negli oceani o dell’aria nell’atmosfera, l’inclinazione della parete inferiore risulta evidentemente essere una variabile rilevante. L’inclinazione del piano fa sì che le colonne ascendenti e discendenti di fluido, che si formano anche nel caso in cui il piano sia orizzontale, si organizzino in file parallele che si muovono in direzioni opposte, esattamente come accade per le file di pedoni che autonomamente si formano nell’incontro di flussi di persone che procedono in direzione opposta.
Quali riscontri può avere questo tipo di studi?
Di sicuro nello studio delle correnti oceaniche e quindi negli effetti sul clima che esse hanno, essendo l’acqua un eccezionale serbatoio di calore per via del suo elevato calore specifico. Componenti fondamentali nella dinamica della circolazione oceanica sono la differenza di temperatura tra gli strati d’acqua superiori e quelli inferiori, e la differenza di salinità che determina una differenza di densità. In questo senso negli oceani si creano differenze di composizione e temperature analoghe a quelle studiate nei sistemi modello in laboratorio.
(Leonardo Malgieri)
