Нобелова награда 2021: Сложните физически системи - от разходката на кучето и полета на скорците

Трима лауреати споделят тазгодишната Нобелова награда за физика за своите изследвания на сложни явления. Шукуро Манабе и Клаус Хаселман полагат основите на нашите познания за климата на Земята и как човечеството му влияе. Джорджо Паризи е възнаграден за революционния си принос към теорията на хаотичните и случайни явления.

Всички сложни системи се състоят от много различни взаимодействащи части. Те са изследвани от физици за няколко века и може да бъде трудно да се опише математически - те могат да имат огромен брой компоненти или да се управляват случайно. Те биха могли също да са хаотични като времето, където малки отклонения в първоначалните стойности водят до огромни разлики по-късно. Всички тазгодишни лауреати са допринесли за придобиването на по-големи познания за такива системи и тяхното дългосрочно развитие.

Климатът на Земята е един от многото примери за сложни системи. Манабе и Хаселман са наградени с Нобелова награда за тяхната новаторска работа за развитие климатични модели. Паризи е възнаграден за своята теория и решения на широк спектър от проблеми в теорията на сложните системи.

Шукуро Манабе демонстрира как увеличемите концентрациите на въглероден диоксид в атмосферата водят до повишаване на температурите на повърхността на Земята. През 60-те години той ръководи разработката на физически модели на климата на Земята и бе първият човек, който изследва взаимодействието между баланса на слънчевата рабиация и вертикалния пренос на въздушни маси. Неговата работа поставя основите на разработването на климатични модели.

Около десет години по-късно Клаус Хаселман създава модел, който свързва времето и климата, като по този начин се отговаря на въпроса защо климатичните модели могат да бъдат надеждни, въпреки че времето е променливо и хаотично. Той също така разработва методи за идентифициране на специфични сигнали, пръстови отпечатъци, които са естествени явления и кои човешки дейности се отразяват на климата. Неговите методи са използвани, за да докажат, че повишената температура в атмосферата се дължи на човешките емисии на въглероден диоксид.

Около 1980 г. Джорджо Паризи открива скрити закономерности в хаотични сложни материали. Неговите открития са сред най-важните приноси към теорията на сложните системи. Те правят това възможно разбирането и описването на много различни и очевидно напълно случайни сложни материали и явления, не само във физиката, но и в други, много различни области като математика, биология, невронаука и машинно обучение.

Новаторски модел за ефекта на въглеродния диоксид

През 50-те години на миналия век японският физик, специалист по атмосферни явления Шукуро Манабе е един от младите и талантливи изследователи в Токио, напуснали Япония, опустошена от войната, и продължили кариерата си в САЩ. Целта на изследванията на Манабе  е да разбере как повишените нива на въглероден диоксид могат да причинят повишени температури като ръководи работата по разработването на физически модели за включване на вертикалния пренос на въздушни маси поради конвекция, както и латентната топлина на водната пара.

За да направи тези изчисления управляеми, той избира да намали модела до едно измерение - вертикална колона, 40 километра нагоре в атмосферата. Въпреки това са били необходими стотици ценни изчислителни часове, за да се тества моделът чрез промяна на нивата на газове в атмосферата. Кислородът и азотът са имали незначителни ефекти върху повърхностната температура, докато въглеродният диоксид е имале ясно въздействие: когато нивото на въглероден диоксид се удвои, глобалната температура се повишав с над 2 ° C.

Кредит: © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

^{Източник: Manabe and Wetherald (1967) Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity, Journal of
the atmospheric sciences, Vol. 24, Nr 3, May © Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences}

Моделът потвърди, че това нагряване наистина се дължи на увеличаването на въглеродния диоксид, тъй като той прогнозира повишаване на температурите по-близо до земята, докато горните слоеве на атмосферата остават по-студени. Ако причината за повишаването на температурата бе в променливостта на слънчевата радиация, би трябвало цялата атмосфера да се затопля едновременно.

Преди шестдесет години компютрите са били стотици хиляди пъти по-бавни от сега, затова благодарение на това, че моделът е бил сравнително прост Манабе успява да получи правилните ключови характеристики. Винаги трябва да опростяваш, казва той. Не може да се конкурирате със сложността на природата - във всичко има толкова много физика, че дори в дъждовна капка никога няма да е възможно да се изчисли абсолютно всичко. Прозренията от едноизмерния модел довеждат до климатичен модел в три измерения, който Манабе публикува през 1975 г .. Това бе още един крайъгълен камък по пътя към разбирането на тайните на климата.

Както всички знаем, правенето на надеждни прогнози за времето за повече от следващите десет дни е предизвикателство.

Преди двеста години известният френски учен Пиер-Симон дьо Лаплас заявява, че ако просто знаехме положението и скоростта на всички частици във Вселената, тогава би трябвало да е възможно да изчислим както какво се е случило, така и какво ще се случи в нашия свят. По принцип това би трябвало да е вярно. Тривековните закони на движението на Нютон, които също описват въздушния пренос в атмосферата, са изцяло детерминирани - те не се управляват случайно.

Нищо подобно не важи за времето. Това отчасти се дължи на факта, че на практика е невъзможно да бъдем достатъчно точни - да посочим температурата на въздуха, налягането, влажността или параметрите на вятъра за всяка точка в атмосферата. Също така, уравненията са нелинейни, тоест малки отклонения в първоначалните стойности може да накара метеорологичната система да се развива по напълно различни начини.

Въз основа на въпроса дали пеперуда, рамахваща крилца в Бразилия, може да причини торнадо в Тексас, явлението е наречено ефекта на пеперудата. На практика това означава, че е невъзможно да се правят дългосрочни прогнози за времето - времето е хаотично.

Това откритие е направено през 60-те години на миналия век от американския метеоролог Едуард Лоренц, който полага основите на съвременната теория за хаоса.

Осмисляне на шумни данни

Как може да произвеждаме надеждни климатични модели за няколко десетилетия или стотици години в бъдещето, въпреки че времето е класически пример за хаотична система?

Около 1980 г. Клаус Хаселман демонстрира как хаотично променящите се метеорологични явления могат да бъдат описани като бързо променящ се шум, като по този начин се поставят дългосрочни климатични прогнози на научна основа на концепциите за управление на риска. Освен това той разработва методи за идентифициране на човешкото въздействие върху наблюдаваната глобална температура.

Като млад докторант по физика в Хамбург, Германия, през 1950-те години, Хаселман работи върху динамиката на флуидите, след това започва да разработва наблюдения и теоретични модели за океанските вълни и течения. Премества се в Калифорния и продължава с океанографията, срещайки се с колеги като Чарлз Дейвид Кийлинг, с когото Хаселман създава тясно сътрудничество.

Получаването на климатичен модел от шумни метеорологични данни може да се илюстрира чрез разходка на куче: кучето тича около вас, назад и напред,  настрани и около краката ви. Как може да използвате следите на кучето, за да видите дали ходите или стоите неподвижно? Или дали вървите бързо или бавно?

Следите на кучето са промените във времето, а разходката ви е изчисленият климат. Възможно ли е да се направят изводи за дългосрочните тенденции в климата, като се използват хаотичните и шумни климатични данни?

Едно допълнително затруднение е, че колебанията, които влияят върху климата, са изключително променливи във времето - те могат да бъдат бързи като силата на вятъра или температурата на въздуха, или много бавни като топенето на ледените щитове и затоплянето на океаните. Например равномерното нагряване само с един градус нагоре може да отнеме хиляда години за океана, но само няколко седмици за атмосферата. Решаващият трик бе включването на бързите промени във времето в изчисленията като шум и показване как този шум влияе върху климата.

Хаселман създава стохастичен климатичен модел, което означава, че случайността е вградена в модела. Вдъхновението му идва от теорията на Алберт Айнщайн за брауновото движение, наричана още случайна разходка. Използвайки тази теория, Хаселман демонстрира, че бързо променящата се атмосфера всъщност може причинява бавни вариации в океана.

Разпознаване на следите от човешко въздействие

След като моделът за изменението на климата е завършен, Хаселман разработва методи за идентифициране човешкото въздействие върху климатичната система. Той открива, че моделите, заедно с наблюдения и теоретични съображения, съдържат адекватна информация за свойствата на шума и сигналите. Например промените в слънчевата радиация, вулканичните частици или нивата на парникови газове оставят уникални сигнали, пръстови отпечатъци, които могат да бъдат отделени. Този метод за идентифициране на отпечатъците може да се приложи и към въздействието, което хората оказват върху климатичната система. Така Хаселман разчиства пътя към по-нататъшни изследвания на изменението на климата, които демонстрират следите от човешко въздействие върху климата с помощта на голям брой независими наблюдения.

Климатичните модели стават все по-усъвършенствани, тъй като процесите, включени в климата се усложняват, взаимодействията се картографират по-задълбочено, не на последно място чрез сателитни измервания и наблюдения на времето. Моделите ясно показват ускоряващ се парников ефект. От средата на 19 век, нивата на въглероден диоксид в атмосферата са се увеличили с 40 %. Земната атмосфера не е съдържала толкова въглероден диоксид в продължение на стотици хиляди години. Съответно температурните измервания показват, че светът се е затоплил с 1 ° C през последните 150 години.

Шукуро Манабе и Клаус Хаселман са допринесли най-голямата полза за човечеството, в духа на Алфред Нобел като осигуряват солидна физична основа за познанията ни за климата на Земята.

Вече не можем да кажем, че не сме знаели - климатичните модели са недвусмислени.

Земята повишава ли температурата си? Да.

Причината увеличените количества парникови газове в атмосферата ли е? Да.

Може ли това да се обясни единствено с природни фактори? Не.

Емисиите на човечеството ли са причината за повишаване на температурата? Да.

^{Източник: Hegerl and Zweirs (2011) Use of models in detection & attribution of climate change, WIREs Climate Change.}

Методи за нереулярни системи

Около 1980 г. Джорджо Паризи представя своите открития за това как очевидно случайните явления се управляват от скрити правила. Неговата работа сега се счита за един от най-важните приноси в теорията на сложните системи.

Съвременните изследвания на сложните системи се коренят в статистическата механика, разработена през втората половина на 19-ти век от Джеймс К. Максуел, Лудвиг Болцман и Дж. Уилард Гибс, които дават име на тази област на познанието през 1884 г. Статистическата механика еволюира от прозрението, че е необходим нов тип метод за описване на системи като газове или течности, които се състоят от голям брой частици. Този метод е трябвало да вземе предвид случайните движения на частиците, така че основната идея е била да се изчисли средният ефект на частиците, вместо да се изучава всяка частица поотделно. Например температурата на газ е мярка за средната стойност на енергията на газовите частици. Статистическата механика представлява голям успех, тъй като предоставя микроскопично обяснение за макроскопичните свойства в газове и течности като температура и налягане.

Частиците в газ могат да се разглеждат като малки топки, които се разхождат със скорости, които се увеличават при по-високи температури. Когато температурата спадне или налягането се увеличи, топките първо се кондензират в течност и след това в твърдо вещество. Това твърдо вещество често е кристал, където топките са организирани по подреден модел. Ако обаче тази промяна се случи бързо, топките могат да образуват неправилен модел, който не се променя, дори ако течността бъде допълнително охладена или подложена на налягане. Ако експериментът се повтори, топките ще приемат нов модел, въпреки промяната, която се случва по абсолютно същия начин. Защо резултатите са различни?

Математика за сложни неподредени системи

^{Всеки път, когато много еднакви дискове са подложени на налягане, се образува нов неподреден модел, въпреки че са притиснати по абсолютно същия начин. Какво определя резултата?
Джорджо Паризи открива скрита структура в такива сложни неподредени системи, които тези дискове представляват, и намира начин да ги опише математически}

Разбиране на сложността

Тези компресирани топки са прост модел за обикновено стъкло и за гранулирани материали като пясък или чакъл. Предметът на оригиналната работа на Паризи обаче е бил друг вид система - спиново стъкло. Това е специален вид метална сплав, в която железните атоми например са произволно смесени в решетка от медни атоми. Въпреки че има само няколко железни атома, те променят магнитните свойства на материала по радикален и много озадачаващ начин. Всеки железен атом се държи като малък магнит или спин, който се влияе от другите близки до него железни атоми. В обикновен магнит всички синове (елементарни магнитчета) сочат в една и съща посока, но в спиновото стъкло те са разстроени - някои спинови двойки сочат в една и съща посока, а други в противоположни посоки - така че как да се намери оптималната ориентация?

Когато един спин сочи нагоре, а друг надолу, третият не може да задоволи и двата едновременно, защото съседните спинове искат да сочат в различни посоки. Как спиновете намират оптимална ориентация? Джорджо Паризи може да отговори на тези въпроси за много различни материали и явления.

Във въведението към изследването си за спиновото стъкло, Паризи пише, че изучаването на спиновото стъкло е като гледане на човешките трагедии от пиесите на Шекспир. Ако искате да се сприятелите с двама души едновременно, но те се мразят, това може да бъде разстройващо. Такъв е случаят в класическите трагедии, където силно емоционални приятели и врагове се срещат на сцената. Как може да се сведе до минимум напрежението в стаята?

Спиновите стъкла и техните екзотични свойства предоставят модел за сложни системи. През 70-те години много физици, включително няколко Нобелови лауреати, търсят начин да опишат мистериозните и разстройващи се спинови стъкла. Един от методите, който използват, е методът на репликите, математическа техника, в която много копия, реплики, на системата се обработват едновременно. По отношение на физиката обаче резултатите от първоначалните изчисления са неосъществими.

През 1979 г. Паризи прави решителен пробив като демонстрира как методът на репликите може да бъде гениално използван за решаване на проблема със спиновото стъкло. Той открива скрита структура в репликите и намира начин да я опише математически. Нужни са му много години преди решението на Паризи да бъде доказано математически. Оттогава неговият метод се използва в много неподредени системи и се превръща в крайъгълен камък на теорията за сложните системи.

	Спиново стъкло е метална сплав, където атомите на желязото например са произволно смесени в решетка от медни атоми. Всеки железен атом се държи като малък магнит (или спин), който се влияе от другите магнити около него. Въпреки това, в спиновото стъкло те са разтроени и изпитват затруднения при избора на посоката си. Използвайки своите изследвания на спиновото  стъкло, Паризи разработва теория за такава неподреденост и случайни явления, които обхващат много други  сложни системи.
	Желязо
	Мед

Както спиновото се стъкло, така и гранулираните материали са примери за нерегулярни системи, в които различните елементи трябва да се подредят по начин, който е компромис между противодействащите сили. Въпросът е как се държат и какви са резултатите. Паризи може да отговори на тези въпроси за много различни материали и явления. Неговите фундаментални открития за структурата на спиновите стъкла са били толкова дълбоки, че са повлияли не само на физиката, но и на математиката, биологията, неврологията и машинното обучение, тъй като всички тези полета включват проблеми, които са пряко свързани с нерегулярни системи.

Паризи също е изследвал много други явления, при които случайните процеси играят решаваща роля в начина, по който се създават структурите и как се развиват, и се занимава с въпроси като: Защо имаме периодично повтарящи се ледникови периоди? Има ли по-общо математическо описание на хаоса и турбулентните системи? Или - как моделите възникват при реенето на хиляди скорци? Този въпрос може да изглежда далеч от спиновото стъкло. Паризи обаче казва, че повечето от неговите изследвания са се занимавали с това как простото поведение поражда сложно колективно поведение и това се отнася както за спиновото стъкло, така и за скорците.

Източник: They found hidden patterns in the climate and in other complex phenomena, The Royal Swedish Academy of Sciences

Science Editors: Ulf Danielsson, Thors Hans Hansson, Gunnar Ingelman, Anders Irbäck, John Wettlaufer, the Nobel Committee for Physics
Text: Joanna Rose