В этом году Нобелевская премия по физике присуждена за работу над сложными системами, лежащими в основе изменения климата

От атомного уровня до планетарного эти трое ученых вычленили смысл из хаоса.

Отредактировано 2023-25-06
Иллюстрации Сюкуро Манабе Клауса Хассельмана и Джорджио ПаризиСюкуро Манабе, Клаус Хассельманн и Джорджио Паризи получают Нобелевскую премию по физике 2021 года за вклад в понимание сложных физических систем.

Нобелевская премия по физике 2021 года была присуждена Сюкуро Манабе, Клаусу Хассельману и Джорджио Паризи за их вклад в понимание сложных физических систем, таких как климат Земли, а также феномена изменения климата. Манабе и Хассельманн разделили одну половину премии, а Паризи получил вторую половину.

Системы материи во Вселенной кажутся почти чудесно сложными, но еще более удивительной, чем их сложность, является их очевидная простота. Даже такая банальная вещь, как прогноз погоды, является неоценимо сложной частью серии предсказаний, основанных на закономерностях, сложившихся за миллионы лет. Манабе, Хассельманн и Паризи пробирались сквозь хаос постоянно развивающейся окружающей среды, чтобы найти надежные закономерности, отделяя сигнал от шума и находя структуру в случайности от атомного уровня до планетарного. Манабе и Хассельманн победили за свою работу по физическому моделированию климата Земли и достоверному прогнозированию глобального потепления; Паризи обнаружил скрытые закономерности в неупорядоченных, сложных системах, которые позволяют описывать кажущиеся случайными явления с помощью этих правил.

Сюкуро Манабе, метеоролог и климатолог из Принстонского университета, показал, как повышение концентрации углекислого газа в нашей атмосфере приводит к повышению температуры поверхности Земли. В 1960 году он возглавил разработку физических моделей климата, став первым человеком, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом (излучение, приходящее на планету и уходящее с нее) и вертикальным движением воздушных масс в атмосфере. Работая с упрощенной моделью, Манабе обнаружил, что уровень углекислого газа повышает глобальную температуру поверхности более чем на 2°C, в то время как кислород и азот практически не влияют на нее.

Фотография изменения климатаКлиматическая модель Сюкуро Манабэ.

Эта модель подтвердила, что углекислый газ, в отличие от солнечного излучения, вызвал повышение температуры поверхности - температура вблизи земли повысилась, а температура атмосферы понизилась. Если бы это изменение было вызвано солнечным излучением, то вся атмосфера должна была бы нагреваться одновременно. На основе этих выводов Манабэ перешел к новаторской трехмерной модели, которую он опубликовал в 1975 году.

В то время как Манабе сосредоточился на углекислом газе в атмосфере, Хассельман, профессор Института метеорологии Макса Планка, сосредоточил свой взгляд на климате и погоде. Погода ежедневно подвержена диким колебаниям, в то время как климат - это среднее значение погодных условий. Поскольку погода меняется так быстро, ее трудно рассчитать. Примерно через десять лет после Манабе Хассельман создал стохастическую модель погоды, то есть модель, учитывающую случайность. Но он пошел дальше - он также разработал методы учета влияния человека на климат. Эти методы позволили исследователям связать климат, погоду и вмешательство человека в сложные климатические модели.

Около 1980 года Джорджио Паризи, физик-теоретик из римского университета Сапиенца, продемонстрировал более важный принцип, лежащий в основе таких систем, как климат, показав, что за случайностью некоторых явлений скрывается паутина скрытых правил. Паризи исследовал природу особого вида материи, называемого спиновым стеклом. Спиновое стекло - это сплав, композитный металл, состоящий из двух или более металлических элементов. Например, один из видов спинового стекла представляет собой атомы железа, беспорядочно вкрапленные в сетку атомов меди. Эти несколько атомов железа изменяют общие магнитные свойства материала. Каждый атом ведет себя как магнит, или спин, и обычно все спины направлены в одну сторону. Но в спиновом стекле спин фрустрирован, то есть некоторые пары спинов стремятся направиться в одну сторону, а другие пары - в противоположную. В своей книге Паризи сравнивает такое поведение атомов с трагедией Шекспира. Вспомните Ромео и Джульетту: Хотя они любят друг друга, каждый из них получает противоположные сигналы от своей семьи, чтобы презирать другого. Их влечению мешает то, что семья тянет их в разные стороны.

Спиновое стекло является основой для многих сложных моделей, и в 1979 году Паризи применил нечто, называемое трюком реплики, к проблеме модели спинового стекла. Трюк с репликами - это математическая техника, которая обрабатывает множество реплик системы одновременно, что было невозможно для физики. Паризи нашел тайную структуру в репликах и использовал ее для решения проблемы спинового стекла. Его работа по спиновому стеклу изменила не только физику, но и математику, биологию, неврологию и машинное обучение. Это исследование также связано с климатической системой.

Нобелевский комитет подчеркнул, что премия этого года не только отмечает огромный научный вклад, но и призывает мировых лидеров быстро принять меры для предотвращения дальнейших последствий изменения климата. "Мы должны действовать сейчас очень быстро", - сказал Паризи во время пресс-конференции.

Нобелевские премии присуждаются каждый год в октябре по нескольким категориям, основными из которых в науке являются медицина и физиология, физика и химия. В прошлом году премию по физике получили Роджер Пенроуз за открытие того, что образование черных дыр является надежным предсказанием общей теории относительности, а также Райнхард Гензель и Андреа Гез за открытие сверхмассивного компактного объекта в центре нашей галактики.