Scrivendo in Natura , i ricercatori descrivono la prima osservazione di "criticità auto-organizzata" in un esperimento di laboratorio controllato. Esistono sistemi complessi in matematica e fisica, ma si verificano anche nella natura e nella società. Il concetto di criticità auto-organizzata afferma che senza input esterni, i sistemi complessi in disequilibrio tendono a svilupparsi in uno stato critico lontano da un equilibrio stabile. Quel modo, rafforzano il proprio disequilibrio.

Sistemi che a prima vista sono molto diversi, come la diffusione di informazioni nei social network o la diffusione di incendi o malattie, possono avere caratteristiche simili. Un esempio è un comportamento simile a una valanga che si rafforza invece di fermarsi. Però, questi sistemi complessi sono molto difficili da studiare in condizioni di laboratorio controllate.

Per la prima volta, ricercatori del Centro europeo di scienze quantistiche (CESQ) di Strasburgo, in collaborazione con ricercatori delle università di Colonia e Heidelberg e del California Institute of Technology, sono riusciti a osservare le caratteristiche più importanti della criticità auto-organizzata in un esperimento controllato, incluso il comportamento universale delle valanghe.

Il team ha lavorato con un gas costituito da atomi di potassio, che preparavano a bassissime temperature, vicino allo zero assoluto. "In questo stato, il gas è più facile da controllare, che lo rende più adatto allo studio delle proprietà quantistiche fondamentali degli atomi, ", ha affermato il professor Shannon Whitlock dell'Istituto di scienza e tecnologia supramolecolare dell'Università di Strasburgo.

Stimolando gli atomi di gas con i laser, il team è stato in grado di influenzare le interazioni tra questi atomi. "Quando stimolato, gli atomi possono generare nuove stimolazioni secondarie o scaricarsi spontaneamente, " ha spiegato Tobias Wintermantel, un ricercatore di dottorato nella squadra di Whitlock.

Quando il laser è stato acceso, molti atomi inizialmente sono fuggiti molto rapidamente. Il loro numero rimanente nel gas si è stabilizzato allo stesso valore. Anche, il numero di particelle rimanenti dipendeva dall'intensità del laser. "Confrontando i risultati del nostro laboratorio con un modello teorico, abbiamo visto che questi due effetti hanno la stessa origine, " ha affermato il fisico teorico professor Sebastian Diehl dell'Università di Colonia. Si trattava di un primo indizio del fenomeno della criticità auto-organizzata.

"Gli esperimenti hanno mostrato che alcuni sistemi si sviluppano da soli fino al loro punto critico di transizione di fase, " Ha aggiunto Diehl. Questo è sorprendente:in una tipica transizione di fase, come acqua bollente che da liquida diventa gassosa, c'è un solo punto critico. Nell'acqua bollente, La criticità auto-organizzata significherebbe che il sistema rimarrebbe automaticamente in uno stato di sospensione tra liquido e gas nel punto critico di transizione, anche se la temperatura fosse cambiata. Finora, questo concetto non è mai stato verificato e testato in un sistema fisico così altamente controllabile.

Dopo l'esperimento, il team è tornato in laboratorio per confermare un'altra caratteristica sorprendente della criticità auto-organizzata:un comportamento autosufficiente del decadimento atomico, simile a quello delle valanghe continuamente rifornite. Caratteristiche simili sono già state osservate qualitativamente in passato in altri casi, come terremoti o eruzioni solari. "Per la prima volta, abbiamo osservato quantitativamente in laboratorio gli elementi chiave della criticità auto-organizzata. Siamo stati in grado di stabilire un sistema sperimentale atomico altamente controllabile, ", ha detto Shannon Whitlock.

In ulteriori passaggi, gli scienziati ora vogliono studiare come la natura quantistica degli atomi influenzi il meccanismo di auto-organizzazione. "A lungo termine, questo potrebbe contribuire alla creazione di nuove tecnologie quantistiche o alla risoluzione di alcuni problemi di calcolo difficili per i normali computer, "Ha concluso Diehl.

Il fenomeno della criticità auto-organizzata è stato sviluppato per la prima volta per le valanghe nel 1987 dai fisici Per Bak, Chao Tang e Kurt Wiesenfeld. Ulteriori modelli di altri ricercatori per l'evoluzione, seguirono incendi boschivi e terremoti. Finora, non sono state individuate condizioni generali che inneschino criticità auto-organizzate.