Nagroda Nobla z fizyki i astronomii 2021. Jak zrozumieć chaos?

Pierwsza część Nagrody Nobla została przyznana Syukuro Manabe i Klausowi Hasselmannowi za opracowanie modeli klimatycznych, które pozwoliły na lepsze zrozumienie globalnego ocieplenia. Z kolei drugą część przyznano Giorgio Parisiemi za na pozór niepowiązane badania, dotyczące materiałów nieuporządkowanych (głównie tzw. szkła spinowego) i procesów losowych. Prace noblistów wykazały, że nawet drobna zmiana może prowadzić do gigantycznej deformacji całego układu, czyli dobrze znanego zjawiska efektu motyla.

Wszystkie systemy złożone mają to do siebie, że charakteryzuje je duża przypadkowość i stopień nieuporządkowania. Są chaotyczne, bo ich zachowanie zależy od wielu części składowych, dlatego tak trudno je zrozumieć. Jednym z najbardziej złożonych systemów o kluczowym znaczeniu dla całej ludzkości jest klimat Ziemi - za stworzenie odpowiednich modeli przyznano pierwszą część tegorocznej nagrody.

Syukuro Manabe w latach 60. kierował pracami nad fizycznymi modelami klimatycznymi i był pierwszą osobą, która przeanalizowała interakcje między bilansem promieniowania słonecznego a pionowym transportem mas powietrza. Japończyk wykazał, że zwiększony poziom dwutlenku węgla w atmosferze prowadzi do wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi. Bez jego pracy nie byłoby możliwe stworzenie obecnych modeli klimatycznych.

Z kolei Klaussowi Hasselmannowi udało się stworzyć model, który wiąże pogodę z klimatem, odpowiadając tym samym na pytanie: dlaczego niektóre modele klimatu są wiarygodne, skoro tak trudno nam przewidzieć, jaka będzie pogoda za kilka dni. Hasselmann wykazał także, że zjawiska naturalne i działalność człowieka odciskają swoje piętno na klimacie. Jego prace pozwoliły udowodnić, że wzrost temperatury w atmosferze to wynik emisji dwutlenku węgla przez człowieka.

Z kolei badania Giorgio Parisiego na pozór wydają się niepowiązane z dwoma wcześniej wymienionymi fizykami. Nie zajmował się on bowiem badaniem klimatu, a zjawiskami nieuporządkowanymi w mniejszej skali. Ok. 1980 r. Parisi odkrył ukryte wzory w nieuporządkowanych materiałach złożonych - dlaczego dzieje się tak, że atomy organizują się w konkretne struktury, a planety w układy. Fizyk pracował na tzw. szkle spinowym, czyli rodzajem materiału magnetycznego, w którym dochodzi do lokalnego uporządkowania spinów, lecz bez wypadkowego momentu magnetycznego. 

Odkrycia Parisiego są jednak kluczowe nie tylko dla fizyki, ale i innych dziedzin, np. matematyki, biologii, neuronauk czy uczenia maszynowego. 

Jeden z członków Komitetu Noblowskiego zapytany o związek z pracami fizyków wspomniał, że kluczowa w nich jest próba zrozumienia fluktuacji, czyli zmian układu - bez tego nie będziemy w stanie przewidzieć zachowania, czy to sieci krystalicznej, czy ziemskich mas powietrza.