Paul, Richard, Barcelona...

Il grande fisico britannico Paul Dirac, uno che non credo avrebbe approvato la Brexit, scriveva nel 1929 (mia libera traduzione dall'inglese):

Paul Adrien Maurice Dirac (1902-1984)

"Le leggi fisiche necessarie per la teoria matematica di una gran parte della fisica e dell'intera chimica sono completamente note,  e la difficoltà risiede unicamente nel fatto che l'esatta applicazione di tali leggi conduce a equazioni che sono troppo complicate per poter essere risolte."

Mi fermo un attimo perché Dirac era uno che parlava pochissimo e sceglieva con cura le parole, al punto che i suoi colleghi/amici avevano usato il dirac come unità di misura della loquacità: un dirac valeva l'emissione di una parola all'ora (normalmente viaggiamo sul kilodirac). Nel 1929 era stata scoperta e sistematizzata (in gran parte) la meccanica quantistica, così come oggi la conosciamo. Una teoria che aveva rivoluzionato completamente il modo stesso di pensare, forse più della relatività generale di Einstein e che a molti (pare anche allo stesso Einstein) appariva anche un po' bizzarra.

Proviamo a immaginare cosa significava scrivere così in quei tempi di profonda incertezza (di lì a poco il mondo sarebbe finito nuovamente nella spirale della guerra), tempi molto simili ai nostri, in cui però la scienza dava (e darebbe anche oggi) se non le certezze di cui c'era bisogno, almeno un metodo. Dirac dice che, almeno dal punto di vista matematico, le leggi fondamentali che regolano il funzionamento dell'universo sono note. Forse non è molto chiaro a cosa si riferisca con "la gran parte della fisica": in effetti, la fisica delle particelle elementari era praticamente di là da venire, ma proprio l'equazione che porta il suo nome ne sarebbe stata una componente fondamentale. 

Tuttavia per la chimica parla di totalità, perché in effetti la chimica si fonda soprattutto sulle forze di natura elettrostatica e sulla meccanica quantistica. Dirac però dice di più: se tentiamo di applicare quelle leggi, ci ritroviamo di fronte a equazioni che non riusciamo a risolvere. Che peccato, perché se fossimo in grado di risolverle, avremmo lo strumento per capire e guidare l'intera chimica, inclusa la biochimica. Le equazioni nel 1929 si risolvevano con elegantissimi, direi quasi eroici, metodi analitici, ma solo 20 anni più tardi sarebbero state affrontate con un mezzo che oggi fa parte del quotidiano, il calcolatore elettronico o computer. 

Il supercalcolatore Mare Nostrum di Barcellona

Quello qui a lato è in realtà un supercomputer, ho scelto una foto del calcolatore Mare Nostrum, di Barcellona, incastonato (è il caso di dire) in una splendida chiesa, ovviamente sconsacrata. Con questo tipo di macchine è oggi possibile risolvere le equazioni alle quali si riferiva Dirac, per via numerica, con un elevato consumo di energia elettrica. Tali equazioni vanno risolte per un numero molto grande di particelle, al momento dell'ordine di un milione circa. Certamente lo stesso Dirac ne sarebbe rimasto impressionato, tuttavia c'è un problema che vanifica tutto il nostro orgoglio per un tale risultato: il problema è che un milione di particelle (che siano atomi o molecole) non rappresenta minimamente la complessità della realtà, ma neanche a livello di piccola porzione di materia, organica, inorganica o biologica. Nè possiamo sperare che tra 30 o 60 anni si possa arrivare a computer ancora più potenti degli attuali che siano in grado di calcolare il movimento di miliardi di particelle. Il problema è che una mole di sostanza (tipica unità di misura della chimica, corrispondente in pratica ad una porzione tangibile di materia) contiene circa 100mila miliardi di miliardi di particelle (il numero esatto è detto numero di Avogadro). Tutto questo sembra frustrante, ma in realtà per noi fisici significa solo che è necessario il nostro lavoro, e proprio nei termini descritti da Dirac nella seconda parte della citazione di cui sopra:

"Diventa dunque auspicabile che siano sviluppati metodi pratici approssimati per applicare la meccanica quantistica, in modo che si possano spiegare gli aspetti principali dei sistemi atomici complessi senza troppi calcoli."

Dirac si riferiva sicuramente ai calcoli analitici, almeno quando scrisse questo pezzo. Tuttavia questo pensiero è ancora attuale nel 2017, nonostante i supercomputer presenti in tutta Europa, in America e in Giappone (sulla Cina non sono ancora pienamente informato). Calcolare tutto dai cosiddetti "principi primi" o, per dirla usando il gergo del settore, "ab initio" non solo è di fatto impossibile, ma andrebbe contro gli stessi principi scientifici. In effetti dove sta il contributo scientifico se, di fatto, stiamo solo cercando di imitare la natura? Non sarebbe meglio compiere un esperimento e verificare che quelle equazioni sono corrette? E non è già stato fatto? La risposta è sempre sì, sarebbe decisamente meglio compiere un esperimento e esperimenti in tal senso sono stati portati a termine e hanno confermato, oltre ogni ragionevole dubbio, che quelle equazioni sono valide e hanno anche un altissimo potere predittivo. Tuttavia è proprio in biologia che tutti questi sì cominciano a vacillare: gli esperimenti in biologia sono intrinsecamente difficili. Non solo per motivi legati alla tecnologia, ma anche perché è davvero difficile controllare le condizioni in cui opera un sistema biologico.

L'estratto di un articolo che descrive la conferenza 
tenuta dal fisico Richard P. Feynman (1918-1988) il 
29 dicembre 1959 al Caltech: c'è un sacco di spazio 
là sotto...

In alcuni casi, gli esperimenti sono fattibili ma costerebbero un mare di soldi e di tempo. Studiare tutto con un calcolatore dunque permetterebbe di risparmiare tempo e denaro. Non solo: studiare questo permetterebbe anche di comprendere i meccanismi molecolari che permettono alle proteine di funzionare, o che impediscono loro di funzionare nel modo corretto. E, come in tutti i campi del sapere, comprendere significa anche poter intervenire, ad esempio sviluppando farmaci che siano in grado di controllare il corretto funzionamento delle proteine e, dunque, delle nostre cellule. Tutto bellissimo: tuttavia, per rendere tutto questo una reale possibilità è necessario usare i «metodi pratici approssimati» di cui parla Dirac e gli sforzi dei biofisici computazionali sono dedicati proprio alla costruzione teorica di questi metodi, alla loro implementazione sui calcolatori (e supercalcolatori) e alla loro applicazione ai più disparati casi di studio che la complessità della biologia propone oggi e continuerà a proporre nei secoli a venire. Perché proprio in campi come questi è molto evidente l'esattezza della frase di un altro grande fisico, Richard Feynman: c'è ancora tanto spazio là sotto...