FISICA

LAUREA MAGISTRALE

SISTEMI COMPLESSI

Docenti: 
VEZZANI Alessandro
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2020/2021
Responsabile della didattica: 
VEZZANI Alessandro
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA DELLA MATERIA (FIS/03)
Semestre dell'insegnamento: 
Secondo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Italiano

Obiettivi formativi

Lo studente dovrà conoscere: diversi modelli di fisica statistica con rilevanza interdisciplinare, la meccanica statistica di non-equilibrio evidenziando soprattutto le differenze concettuali rispetto all’equilibrio, la teoria dei network focalizzandosi sui temi di maggior rilevanza per la fisica statistica.

Dovrà saper applicare le tecniche numeriche ed analitiche insegnate per analizzare i modelli di fisica statistica. Particolare rilevanza sarà data alla capacità di svolgere in modo autonomo simulazioni numeriche.

Autonomia di giudizio: saprà comprendere come gli argomenti proposti possano essere utilizzati per studiare diversi sistemi sia in campo fisico che in applicazioni interdisciplinari in ambito biologico, sociale, economico ed informatico.

Lo studente dovrà sapere illustrare efficacemente, utilizzando anche supporti informatici, i risultati delle simulazioni numeriche svolte. Inoltre dovrà saper esporre gli argomenti di base del corso in modo chiaro e interdisciplinare rivolgendosi non solo a specialisti del campo.

Lo studente dovrà essere pronto ad affrontare argomenti avanzati di fisica statistica che sono attualmente oggetto di ricerca scientifica.

Prerequisiti

Concetti di base di meccanica statistica di equilibrio e transizioni di fase.

Contenuti dell'insegnamento

Il corso è dedicato allo studio di sistemi che presentano comportamenti tipici della fisica dei sistemi complessi. Saranno illustrati diversi modelli teorici e tecniche sia analitiche che numeriche. Inizialmente discuteremo le proprietà di alcuni modelli puramente statistici, poi ci dedicheremo alle dinamiche stocastiche, infine tratteremo la tematica dei grafi e delle reti complesse. Particolare rilevanza sarà data al ruolo della stocasticità ed agli effetti della dinamica. Saranno discusse applicazioni nel campo della fisica, della biologia, dell’epidemiologia dell'informatica e dell'economia. Data l'interdisciplinarietà e le molteplici ricadute applicative degli argomenti trattati, il corso è consigliato per tutti gli indirizzi.

Programma esteso

1 Meccanica statistica di equilibrio.
Richiamo di teoria degli ensemble statistici, campo medio e transizioni di fase, finite size-scaling cumulanti di Binder. Descrizione di alcuni modelli classici rilevanti per la loro fenomenologia e per gli aspetti applicativi: applicazioni interdisciplinari del modello di Ising, modello di Potts, modello p-spin, modello di Hopfield, modello XY (vortici), catene polimeriche, percolazione.

2 Dinamica
Richiami sul metodo Montecarlo e bilancio dettagliato. Master-equation e cammini aleatori. Moto browniano equazioni di Langevin e Fokker-Planck. Sistemi fuori equilibrio. Legge di Arrhenius per sistemi con barriere di potenziale. Teoria della risposta lineare dipendente dal tempo. Trasporto ed equazione di Einstein. Produzione di entropia in dinamiche dipendenti dal tempo. Subdiffusione nei continuous time random walks e superdiffusione nei Lévy walks. Dinamiche lente: crescita dei domini magnetici nel modello di Ising. Esponente di scala dinamico e transizioni di fase dinamiche.
Modelli puramente dinamici. Modelli SIS e SIR per la diffusione di epidemie. Contact process e percolazione diretta come paradigma delle transizioni di fase dinamiche. Approssimazione dinamica di campo medio. Voter model. Modello di sand-pile e criticità autorganizzata. Sincronizzazione e modello di Kuramoto. Dinamiche di reti neurali. Modelli di crescita delle interfacce (KPZ).
Applicazione del campo medio dinamico a modelli quantistici: equazione di Gutzwiller ed equazione di Schroedinger non lineare per lo studio di bosoni interagenti su reticolo.

3 Grafi e network complessi
Definizione di grafo. Elementari proprietà dei grafi: grado, raggio, matrice di adiacenza. Modelli lineari definiti su grafo: oscillatori armonici, reti elettriche, e cammini aleatori. Dimensione frattale e di dimensione spettrale. Diffusione anomala su frattali. Network complessi, small world e scale free. Modelli di Watts-Strogatz e di preferential attachment. Studio di alcuni modelli statistici su network complessi: percolazione e modelli epidemici, e sincrionizzazione.

4 Applicazioni.
Per i vari modelli e problematiche considerati illustreremo applicazioni sia in ambito fisico che interdisciplinare in campo biologico, epidemiologico, informatico e sociale.

Bibliografia

Appunti del corso.

L. Peliti Appunti di Meccanica statistica.

B. Cowan Topics in Statistical Mechanics.

R. Livi e P. Politi Nonequilibrium statistical physics.

M. Henkel, H. Hinrichsen e S. Lübeck Non-Equilibrium Phase Transitions.

J. Klafter and I.M. Sokolov First Steps in Random Walks.

A. Barrat, M Berthélemy e A. Vespignani Dynamical processes in Complex Networks.

Metodi didattici

I vari argomenti verranno affrontati principalmente tramite lezioni in aula. Inoltre, agli studenti verrà proposto di effettuare una simulazione numerica al calcolatore su un argomento a scelta, in modo da familiarizzare in modo più approfondito con le tecniche numeriche e analitiche spigate a lezione. L’insegnante è disponibile al di fuori dell’orario di lezione per discutere di eventuali criticità incontrate nella svolgimento delle simulazioni numeriche.

Modalità verifica apprendimento

L’esame consiste in una prova orale su due punti. Prima lo studente illustrerà i risultati della simulazione numerica preparata durante il corso avvalendosi di slide al computer (20 pts). Poi ci sarà una breve interrogazione orale focalizzata sui concetti chiave del corso (10 pts).