Particelle, formiche e neuroni…

Che cos’hanno in comune gli elettroni in un superconduttore, i fotoni di un laser, le formiche di un formicaio ed i neuroni del cervello? Apparentemente nulla. Tuttavia quando queste microscopiche entità si aggregano ed interagiscono, in determinate condizioni emergono proprietà straordinarie, riconducibili ad una misteriosa e profonda legge fisica. Ad esempio, gli elettroni in un superconduttore si muovono con una sintonia tale da permettere all’elettricità di fluire senza resistenza; i fotoni di un raggio laser diventano coerenti, tanto da ottenere un raggio di luce rettilineo e ad alta potenza; le formiche si auto-organizzano e creano un perfetto ecosistema senza bisogno di alcun controllo centralizzato.

Questa “magia” si attua anche nel nostro cervello: miliardi e miliardi di semplici neuroni interagiscono attraverso scambio di segnali elettrochimici dando luogo all’incessante gioco di pensieri che popola la nostra mente: una straordinaria concatenazione d'immagini ed emozioni in grado di trasformarsi al variare delle condizioni degli ambienti esterno e interno, nonché delle loro rappresentazioni emotive. L’emergere di queste proprietà sono riconducibili ad una profonda legge che ha a che fare con la “simmetria”.

Il concetto di simmetria è familiare a tutti: è la caratteristica di ripetibilità della struttura di un oggetto, per cui alcune parti di esso sono non solo identiche, ma sono anche disposte nello spazio in maniera tale da essere trasformabili l’una nell’altra.
Pensate a un fiocco di neve: guardandolo, ci rendiamo conto che parti di esso sono non solo identiche tra di loro, ma sono anche disposte nello spazio in maniera tale da essere trasformabili l’una nell’altra. La legge fisica di cui stiamo parlando riguarda la trasformazione della simmetria.

Ad esempio, quando, in particolari condizioni, una goccia d’acqua si trasforma in un fiocco di neve subisce una trasformazione della sua simmetria (detta rottura di simmetria) passando da una configurazione simmetrica ad una meno simmetrica. Nell'acqua infatti le molecole sono disposte in modo disordinato: questo tuttavia denota uno stato omogeneo, altamente simmetrico, in cui ciascun punto ha le stesse proprietà di qualsiasi altro (si parla in questo caso di simmetria di traslazione); dopo la transizione in fiocco di neve, invece, la simmetria si riduce solo ad esagonale. Una goccia d’acqua è più simmetrica di un fiocco di neve.

Intuitivamente, un insieme di persone che si muovono casualmente in una stanza è una configurazione più simmetrica di quella assunta dopo che le persone decidono di sedersi nelle file regolari di sedie. Si è verificata una rottura di simmetria.

In generale possiamo dire che la “legge di rottura di simmetria” governa multiple e dinamiche transizioni dei sistemi aperti da stati più simmetrici a stati meno simmetrici, al fine di raggiungere delle configurazioni che minimizzano l’energia. Vediamo un altro esempio. Il comportamento di un singolo elettrone è un processo più o meno casuale, ma se osserviamo un flusso di elettroni come una corrente in un circuito elettrico, allora possiamo dire che complessivamente il comportamento degli elettroni è tale da minimizzare la dissipazione del calore per una data corrente elettrica. Stiamo dicendo che la Natura risolve meravigliosamente un complicatissimo problema di ottimizzazione in presenza di determinati vincoli dettati dal circuito elettrico.

Anche l’intelligenza collettiva del formicaio non fa altro che risolvere un complesso problema di ottimizzazione dell’energia, in presenza di determinati vincoli dettati dalla fisicità del formicaio: la società delle formiche, si auto-organizza senza alcun controllo centralizzato, passando da stati ad alto consumo di energia (e quindi a costi più elevati) a stati a più basso consumo di energia (e quindi a costi più bassi), ovvero rompe la “simmetria”, trovando configurazioni ottime.

Pensate al perfetto coordinamento in volo di uno stormo di uccelli. Nella pratica non esiste un leader, ma ognuno segue alcune semplici regole, come ad esempio regolare la propria velocità su quella degli altri o mantenersi a distanza di sicurezza da un numero limitato di compagni. Nel volo, la formazione a “V” permette un risparmio di energia dal punto di vista aerodinamico. Di nuovo, questo sta a indicare che l’intelligenza collettiva ha risolto un complesso problema di ottimizzazione dell’energia! Come emerge questa intelligenza collettiva capace di risolvere problemi di ottimizzazione così complessi? Nel 1986 i ricercatori della Sony hanno sviluppato un modello di simulazione, in base al quale ciascun uccello dello stormo doveva comportarsi secondo tre semplici movimenti: non urtare gli altri componenti, mantenere l'allineamento e la coesione. Ebbene, la simulazione di queste tre semplici regole di comportamento dimostrò la possibilità di far emergere nello stormo un'intelligenza collettiva. È stupefacente come l’organizzazione collettiva dello stormo scaturisca dalla combinazione di semplici regole attuate da una moltitudine di componenti. Lo stesso accade nel nostro cervello: in un certo senso l’intelligenza emerge dall’interazione di miliardi di neuroni, che sono, di per sé, semplicissime cellule.

La maggior parte dei collassi di ecosistemi, non solo naturali ma anche socio-economici o politici, sono dipesi da crisi energetiche (pensate al classico esempio del crollo dell'impero romano): quando sopraggiunge una crisi energetica ed economica, sopravvivono le specie che hanno un minor consumo (la mancanza di energia colpisce per primi i grandi consumatori che lasciando spazio alla moltiplicazione dei piccoli consumatori). È come se si attuassero le condizioni per una transizione di fase volta, a favorire l’ottimizzazione dei consumi, una sorta di rottura di simmetria.

La crisi che oggi sta travagliando la nostra società, il nostro modo di vivere e pensare, è anche il risultato di modelli economici, sociali e culturali che stanno portando a un drammatico impoverimento del pianeta, e quindi ad una inevitabile transizione. E se la vera soluzione andasse allora cercata nello studio, comprensione e nell’applicazione di quei principi sulla rottura di simmetria che governano la fisica della materia, gli ecosistemi in Natura e la “società della mente”?

Marvin Minsky, uno dei padri dell’intelligenza artificiale, nel libro “La società della mente” descrive il cervello umano come “una vasta società organizzata, composta da molte parti diverse”. Una società, sottolineerei, che “consuma solo 30 Watt” per svolgere tutti quei meravigliosi compiti di cui è capace: dal governo dei centomila miliardi di cellule del corpo al pensiero logico e creativo (capace di centomila pensieri al giorno), al linguaggio, alle emozioni. Approfondendo la conoscenza di queste leggi di Natura potremmo davvero costruire una società migliore.

Fino al XVIII secolo si credeva, come ha proposto Galeno, che il tessuto nervoso avesse funzioni ghiandolari, in cui i nervi erano condotti nei quali scorreva fluido secreto dal cervello e dal midollo spinale. Da allora, le discipline che studiano il cervello e la mente hanno fatto straordinari progressi. Oggi sappiamo che il sistema cervello-mente, o meglio il complesso corpo-mente, è costituito da una fittissima rete di scambi di messaggi di natura elettrochimica che determinano configurazioni e dinamiche guidate dalle stesse leggi fisiche che governano insiemi di particelle o formicai.

Molto resta ancora da scoprire: ci auguriamo una sana “curiosità creativa ed un approccio sistemico multi-disciplinare che integri profondamente psicologia, neuroscienze, linguistica, matematica-fisica, informatica, filosofia. Progressi congiunti in queste o analoghe direzioni d'indagine potrebbero avere straordinarie ricadute di ordine scientifico e tecnologico: dalla medicina allo sviluppo delle tecnologie d'informazione e comunicazione, dall’interazione uomo-computer alla robotica avanzata, dal supplire ai danni provocati dalle malattie neurodegenerative al progettare l’Internet e il web del futuro come un’immensa “mente” secondo le leggi della rottura di simmetria.

Il libro che ho scritto “Particelle, Formiche e Neuroni: un Concerto di Simmetrie” (pubblicato da Segnidartos, Biella, 2013) sviluppa questi temi.
È un libro divulgativo che nasce con il proposito di aumentare la consapevolezza del meraviglioso potere racchiuso nella nostra mente, per comprendere se stessa e la realtà.
Una proposta di cammino di conoscenza, attraverso un approccio multidisciplinare, alla scoperta delle leggi della simmetria che governano l’intima natura di materia e mente. L’eccitante sfida scientifica che ci aspetta è duplice: da un lato capire come possiamo usare le tecnologie avanzate per svelare i misteri del cervello e della mente, e dall’altro scoprire come utilizzare queste preziose conoscenze per un sano progresso sociale e tecnologico.

In libreria dal 10 giugno 2013

Antonio Manzalini