Studenti e ricercatori hanno capito da tempo che la fisica è difficile. Ma solo ora gli scienziati sono riusciti a dimostrarlo. Si è scoperto che uno degli obiettivi più comuni in fisica – trovare un’equazione che descriva come un sistema cambia nel tempo – è definito “difficile” dalla teoria dei computer. Questa è una brutta notizia per gli studenti di fisica che sperano che una macchina possa risolvere tutti i loro problemi di compiti, ma almeno i loro futuri lavori nel campo sono al sicuro dall’automazione.

I fisici sono spesso interessati a descrivere matematicamente il comportamento di un sistema: per esempio, una formula traccia i movimenti dei pianeti e delle loro lune nella loro complicata danza intorno al sole. I ricercatori elaborano queste equazioni misurando gli oggetti in vari punti nel tempo e poi sviluppando una formula che collega tutti quei punti insieme, come riempire un video da una serie di istantanee.

Con ogni nuova variabile, tuttavia, diventa più difficile trovare l’equazione giusta. I computer possono accelerare le cose passando al setaccio le potenziali soluzioni a rotta di collo, ma anche i migliori supercomputer del mondo si scontrano con una certa classe di problemi, noti come problemi “difficili”. Questi problemi richiedono esponenzialmente più tempo per essere risolti con ogni variabile aggiuntiva che viene gettata nel mix – il movimento di un pianeta in più, per esempio.

A volte, i problemi difficili possono essere resi più facili attraverso abili manovre matematiche, ma il fisico quantistico Toby Cubitt dell’Università Complutense di Madrid e colleghi hanno eliminato questa speranza per le equazioni fisiche che descrivono un sistema nel tempo.

I matematici riconoscono una serie di problemi veramente difficili che non possono essere semplificati, spiega Cubitt. Sanno anche che questi problemi sono tutte variazioni l’uno dell’altro. Mostrando che la sfida di trasformare i dati fisici in equazioni è in realtà uno di questi problemi sotto mentite spoglie, il team ha dimostrato che anche questo compito è veramente difficile. Di conseguenza, qualsiasi algoritmo generale che trasforma una serie di dati in una formula che descrive il sistema nel tempo non può essere semplificato in modo che possa essere eseguito su un computer, il team riferisce in un prossimo numero di Physical Review Letters.

Le equazioni fisiche sono in buona compagnia, secondo l’informatico Stephen Cook dell’Università di Toronto in Canada, che non è stato coinvolto nel lavoro. “Letteralmente migliaia di problemi” rientrano in questa categoria di problemi veramente difficili, dice.

C’è ancora un briciolo di speranza che i fisici troveranno un modo per trasformare questi problemi apparentemente non semplificabili in forme risolvibili al computer. Se una tale via più facile venisse fuori, profondi effetti a catena si ripercuoterebbero sulla matematica, perché significherebbe che anche tutti gli altri problemi difficili potrebbero essere semplificati. Il Clay Mathematics Institute di Cambridge, Massachusetts, offre un premio di 1 milione di dollari a chiunque scopra un tale problema universale.

I matematici, tuttavia, sospettano fortemente che non si possa fare (anche se il Clay Institute vi pagherà anche 1 milione di dollari per dimostrare che il sospetto è vero). In questo caso, “non c’è un modo più intelligente” per i computer di risolvere queste equazioni fisiche “che il controllo della forza bruta” di ogni possibile equazione, dice Cubitt. Eppure, si chiede, se i computer trovano queste equazioni così difficili da capire, perché i fisici sono stati in grado di calcolarne così tante?

Il fisico Heinz-Peter Breuer dell’Università di Friburgo in Germania suggerisce che è perché i fisici danno al loro cervello e ai loro computer un vantaggio. Essi preparano la scena con le leggi della fisica che sono già state sviluppate da artisti del calibro di Newton, Maxwell ed Einstein, e questo dà il contorno dell’equazione, dice. I dati sperimentali devono solo riempire i dettagli. La fisica può essere difficile per i computer, ma i veri scienziati la aggirano stando sulle spalle dei giganti.