RAPORT

Imigranci na granicy z Białorusią

Nobel z fizyki 2021 za modelowanie złożoności natury

Czy trzeba śledzić każdą kroplę wody na planecie, by wyjaśnić, jak działa ocean? – pyta autorka (fot. Shutterstock/Maridav)
Czy trzeba śledzić każdą kroplę wody na planecie, by wyjaśnić, jak działa ocean? – pyta autorka (fot. Shutterstock/Maridav)

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano w połowie wspólnie Syukuro Manabe i Klausowi Hasselmannowi „za fizyczne modelowanie klimatu Ziemi, kwantyfikację zmienności i wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia”, a drugą połowę – Giorgio Parisi „za odkrycie wzajemnego oddziaływania zaburzeń i fluktuacji w układach fizycznych od skali atomowej do planetarnej”.

Nobel z fizjologii i medycyny, czyli dlaczego chili grzeje, a mentol chłodzi

Zgromadzenie Noblowskie w Karolinska Institutet w Sztokholmie po raz 112. zakończyło obrady i ogłosiło tegorocznych laureatów Nagrody Nobla w...

zobacz więcej

Gdy chodzimy do szkoły i uczymy się tam fizyki, mamy wrażenie, że zajmuje się ona prostymi i uporządkowanymi fenomenami: ruch po prostej, grawitacja, rozszczepienie światła w pryzmacie, rozchodzenie się dźwięku w jednorodnym ośrodku, struktury krystaliczne, orbity planetarne. Wydaje się nam, że fizyka idealizuje (a to ciało doskonale czarne, a to punkt materialny), zaniedbuje zmienne (a to tarcie, a to ciśnienie, kiedy tak wygodniej, bo inaczej uczniom ciężko to policzyć, co trzeba) i zasadniczo oderwana jest od zmiennego i nieprzewidywalnego świata, w którym żyjemy.

Mamy wrażenie jak starożytni Grecy, którzy żyli w zmiennym i pozbawionym jakichkolwiek prawidłowości świecie podksiężycowym, a poszukiwali jakiegokolwiek porządku (choćby w regularności ruchu gwiazd na nieboskłonie) dopiero powyżej, w niebie.

Fizyka jednak coraz lepiej potrafi opisywać swymi równaniami i modelami nasz jakże głęboko nieidealny, dałoby się powiedzieć „wypełniony bałaganem” – czy jak to określają fachowo fizycy „frustracją” świat. Choćby takie zdawałoby się nieprzewidywalne zjawiska, jak pogoda czy klimat. Poszukiwaniu „metody” w „szaleństwie zmiennych”, próbie ogarnięcia zjawisk z pozoru najgłębiej nieuporządkowanych (nie „chaotycznych” – bo chaos to pojęcie w fizyce zdefiniowane) i dostrzeżenia w nich jakichś prawidłowości oddali swe życie i talenty dzisiejsi nobliści. Wykorzystali podstawowe teorie dotyczące struktury materii dla wyjaśnienia bardzo złożonych zjawisk naturalnych.

W takich badaniach poza gigantyczną wiedzą, potrzeba wiele intuicji i wyobraźni, aby „ważyć i mierzyć”, a zatem brać pod uwagę właśnie to, co potrzeba i widzieć relacje między zmiennymi. Trzeba też matematycznego geniuszu, by te swoje intuicje i wyobrażenia przerobić na model, czyli opis nie tylko tego, jaka sytuacja jest, ale jak może się rozwijać, albo jak da się ją zastosować do innych przypadków przy zmianie parametrów.

Robak boi się, ostrzega i pamięta

Pamięć i komunikacja nierozerwalnie kojarzą nam się z mózgiem. Można jednak mózgu nie mieć ani krztyny, a jednak wyczuwać niebezpieczeństwo,...

zobacz więcej

Jak wyjaśniał w swym wykładzie przedstawiciel Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk przyznający najważniejszą z corocznych naukowych nagród, z dużej odległości, z kosmosu, złożone obiekty jak Ziemia wydają się proste i „do pojęcia”. Diabeł jednak tkwi w szczegółach struktury widocznych dopiero z bliska, w ich mnogości i złożoności. Naukowcy zaś stawiają podstawowe pytanie niejako metodologiczne: jak wysoki poziom szczegółowości jest niezbędny, aby zrozumieć obserwowane zjawisko i nie zaniedbać nic istotnego? A mówiąc prosto, czy trzeba śledzić każdą kroplę wody na planecie, by wyjaśnić, jak działa ocean?

Pierwsza połowa tegorocznej Nagrody Nobla idzie zatem do meteorologów: japońskiego Amerykanina Syukuro Manabe z Princeton University i Klausa Hasselmanna z Max Planck Institute for Meteorology w Hamburgu, specjalistów w zakresie fizyki klimatu. Nie jest to wcale nowa dziedzina, ma swój początek jeszcze w pierwszej połowie XIX wieku, kiedy to badania atmosfery prowadził Józef Fourier.

Później zaczynają się naukowe pomiary emisji i absorpcji przez atmosferę promieniowania podczerwonego, czyli niewidzialnego dla nas, „ciemnego” ciepła i powstaje pierwszy matematyczny opis tych zjawisk, czyli model klimatu sformułowany przez Svante Arrheniusa. I to on pierwszy przewidział, że gdy stężenie gazów cieplarnianych w atmosferze się podniesie, to temperatura na Ziemi wzrośnie.

Żebyśmy mogli pójść dalej, musiała nastąpić rewolucja informatyczna. Wtedy na scenie pojawia się laboratorium kierowane w Princetown przez Syukuro Manabe, zdolne dołączyć do zjawisk mierzalnych i wpływających na rozwój wypadków, np. wilgotność powietrza i konwekcję, czyli  proces przekazywania ciepła związany z makroskopowym ruchem materii w gazie, cieczy lub plazmie, termodynamiką i dynamiką atmosfery. Powstał dokładniejszy model tego, jak wzrośnie temperatura na powierzchni Ziemi, gdy stężenie dwutlenku węgla w atmosferze będzie rosło.

Czytaj także: Szczepionka na COVID jest bezpieczna. I co z tego?

Magdalena Kawalec-Segond: Mozart łagodzi objawy epilepsji

Muzyka łagodzi obyczaje. Czy jednak muzykoterapia ma naukowy sens? Owszem, o ile zdołamy zrozumieć, jak to działa. Neurologom amerykańskim udało...

zobacz więcej

Drugi z noblistów, Klaus Hasselmann pracował nad opisem fizycznym szybko zmieniającej się pogody i wolno zmieniającego się klimatu w oparciu o teorię chaosu Lorenza (to ten słynny twórca modelu „skrzydełka motyla, które machając wywoła El Ninjo”). Chaotyczne ruchy, tzw. Brauna i kolizje miedzy cząsteczkami wody a pyłem były podstawą jego modelu.

Przewidział on, że gwałtowne fluktuacje pogodowe następujące w skali kilku dni mają wpływ na zmiany w oceanie zachodzące w skali wieloletniej. Stworzył on metodyczny statystyczny sposób porównywania ze sobą mierzalnych obserwacji pogodowych tak, aby pozwalało to rozpoznawać „odciski palca” konkretnych zjawisk i procesów fizycznych wpływających na system klimatu.

Wielki matematyk naszych czasów Giorgio Parisi z rzymskiego Uniwersytetu Sapienza z kolei został nagrodzony za przełomowe prace potrafiące opisać i wymodelować układy znacznie przerastające swym skomplikowaniem słynny model Isinga. Gdzie znane nam ze szkoły niebiesko-czerwone magnesiki mogą, przyjąć wobec siebie tylko dwie pozycje: spin +1 (niebieski do czerownego) i spin -1 (niebieski do niebieskiego, a czerwony do czerwonego). Obrazuje to wszelkie przejścia fazowe, stąd jest nadal, mimo stu lat, które upłynęły od jego opublikowania, stosowany w mechanice statystycznej.

Jednak rozważenie sytuacji, co będzie, gdy zamiast dwóch magnesików i kolejnych ustawionych jak domino mamy ich trzy, ustawione w rogach trójkąta pokazuje, że świat jest skomplikowany i nie będzie tylko dwóch pozycji. Trzeci magnesik będzie się znajdował w stanie tzw. frustracji. A jeśli magnesików będzie tysiące umieszczonych w rogach trójwymiarowego wielościanu? O!... rzecz się robi mocno nietrywialna, a poziom frustracji i nierównomierność rozłożenia energii w tym układzie bardzo wzrasta.

Czytaj także: Cyfrowa neuropsychologia

Toksyczne białka w mózgu

Spory białkowy agregat zabijający neurony wędruje z komórki do komórki. Jedna chora komórka wytwarza ich sporo, ale gdyby pozostały w niej...

zobacz więcej

Nawet szybko zamarzające ciecze pokazują każdemu, kto patrzy, że takie statycznie zabałaganione układy to nasza realność. I stąd potrzebny był Parisi ze swoją teorią pola i modelem „szkła spinowego”. Ze szkłem, czyli przechłodzoną cieczą, ma to poniekąd tyle wspólnego, że możliwe jest wiele potencjalnych struktur wewnętrznego uporządkowania. Wyobraźmy sobie zatem te magnesiki w rogach wielościanu.

Możliwości znalezienia się konkretnego magnesiku w takim, a nie innym spinie, w tym, a nie innym miejscu jest nagle niewyobrażalnie wiele. Model Parisiego jest tak dobry, że daje się nim objąć analizę frustracji wszelkich naturalnie obserwowalnych układów uporządkowania materii, od subatomowych po międzyplanetarne. Od upakowania ziaren piasku po działanie sieci neuronalnych. Jego model wykorzystywany jest dziś w technologiach informatycznych czy przy konstruowaniu tzw. laserów losowych.

Fizyka była dziedziną, o której Alfred Nobel jako pierwszy wspomniał w swoim testamencie z 1895 roku. „Wspomniany zysk należy podzielić na pięć równych części, które zostaną rozdzielone w następujący sposób: /- – -/ jedna część dla osoby, która dokonała najważniejszego odkrycia lub wynalazku w dziedzinie fizyki…”. Pod koniec XIX wieku wielu uważało fizykę za najważniejszą z nauk i własne badania fundatora Nagrody były również ściśle związane z fizyką. Od swego zarania w 1901 roku, Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki jest przyznawana przez Królewską Szwedzką Akademię Nauk w Sztokholmie w Szwecji. Przyznano jak dotąd 114 razy, nagradzając jak dotąd 215 uczonych (jednego, czyli Johna Bardeena, dwukrotnie, tak za badania nad półprzewodnikami, jak i nadprzewodnikami). Dziś znowu fizyka, wraz z innymi naukami, zdaje się być wzywana do podjęcia – i to szybko – wysiłków na rzecz ochrony atmosfery. Konsensus naukowy mówi wyraźnie, że dwutlenek węgla i inne gazy cieplarniane gwałtownie akumulują w atmosferze, co – jak wiemy od czasów Fourriera – musi wpływać na temperaturę powierzchni Ziemi.

Komitet Noblowski postanowił w tym roku tuż przed COP26, najważniejszą międzynarodową konferencją klimatyczną nagrodzić fizyków – meteorologów, którzy jako pierwsi nie tylko ostrzegali, co się dzieje, ale i przewidywali dalekosiężne skutki globalnego ocieplenia, ale także stworzyli wiarygodne narzędzia pozwalające monitorować zmiany klimatyczne na drodze pomiarów konkretnych elementów pogody, jak temperatura czy wilgotność powietrza atmosferycznego. Oraz matematyka, który stworzył teorie i modele zdolne objąć swym opisem zastany w naturze wysoki poziom nieuporządkowania. Bałaganu, który wydawał się wcześniej nie do ogarnięcia umysłem.

Czytaj także: Neandertalska krew

Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne Aplikacja mobilna TVP INFO na urządzenia mobilne
źródło:
Zobacz więcej