Natura jest zawiła, a za prace nad tego zrozumieniem jest Nobel z Fizyki 2021

Nagrody Nobla, nie tylko z Fizyki, zawsze budzą emocje i kontrowersje. Być może większe niż nagrody Ig Nobel. Przede wszystkim do samego końca w pełnej tajemnicy trzymana jest informacja o nagrodzonych. Jest tak tajna, że nawet przewidywania co do wyróżnień często okazują się bardzo chybione.

Rok temu nagrodę otrzymali badacze czarnych dziur, w 2019 z kolei Nobel powędrował do odkrywców planet pozasłonecznych i eksperta od pierwszych chwil Wszechświata. To tematy, które ładnie daje się opisać i zilustrować. Tym razem nagrody trafiły za osiągnięcia, które są zrozumiałe, ale też skomplikowane w opisie. 

W tym roku wśród spodziewanych nagrodzonych portal insidescience wymieniał fizyków zajmujących się tematyka informacji kwantowej, czyli badaniami nad technologiami, które pozwoliły wykorzystać potencjał cząstek na poziomie kwantowym i operacji na nich przeprowadzanych, między innymi do rozwoju technologii komputerów kwantowych.

Innym spodziewanym nagrodzonym byli naukowcy, którzy przyłożyli się do rozwoju dziedziny metamateriałów. Choć wciąż jest ona raczkująca, to już wiadomo, że w przyszłości będzie bardzo istotnym elementem nowych technologii związanych z miniaturyzacją i przekraczaniem barier, które wydawałyby się nie do przekroczenia. Po prostu metamateriały, choć zachowują się zgodnie z prawami fizyki, to wymykają się szkolnej intuicji.

Najbardziej egzotycznym kandydatem, były prace nad spowolnieniem światła. To eksperymenty, które doprowadziły praktycznie do zatrzymania wiązek światła wewnątrz materii. Choć brzmi to bardzo tajemniczo, celem takiej technologii jest stworzenie systemów, które pozwolą przenosić informacje niesioną w wiązce światła do materii i na odwrót.

Komitet Noblowski w 2021 roku zdecydował się wyróżnić naukowców, którzy przyłożyli się do zrozumienia skomplikowania naszego świata.

I nie chodzi tu o to, że są oni omnibusami, którzy na każdy temat mieli coś przełomowego do powiedzenia. A o fakt, że ich badania dotykają bardzo ważnej sfery funkcjonowania naszego świata i wszechświata. Tej, która wymaga całościowego podejścia do problemu, a nie tylko rozpatrywania go kawałek po kawałku.

Być może czytaliście benchmarkowy tekst o zmianach wiekowych. To coś co jest bardzo istotne, ale niedostrzegalne z perspektywy zwykłego człowieka. To też problem, który odgrywa bardzo ważną rolę w obecnej rzeczywistości, w której kompletnie nie szanujemy świata i nie przejmujemy się przyszłością. Wbrew wszelkim deklaracjom i powszechnym konwencjom oraz programom ochrony natury do któregoś tam roku.

Ogólne przesłanie nagrody, czyli „za przełomowy wkład w nasze zrozumienie złożonych systemów fizycznych” w przypadku każdego z nagrodzonych należy tłumaczyć trochę inaczej.

Giorgio Parisi z Włoch, z Uniwersytetu La Sapienza w Rzymie, otrzymał nagrodę „za odkrycie wzajemnego zależności nieuporządkowania i fluktuacji w systemach fizycznych w skalach od atomu to układów planetarnych”. Druga połowa nagrody dla Syukuro Manabe z Uniwersytety w Princeton i Klausa Hasselmanna z Instytutu Meteorologicznego w Hamburgu w Niemczech, to wyróżnienie „za fizyczne modelowanie ziemskiego klimatu, ilościowe określenie zmienności i skuteczne przewidywanie globalnego ocieplenia”.

Zadacie pytanie? No ale za co dokładnie nagroda dla Giorgio Parisiego. Bo przecież chyba to naturalne, że bałagan ma istotny wpływ. Owszem, jednak Giorgio Parisi zdaniem komitetu noblowskiego, znalazł w tym pozornym chaosie porządek, wzorce, które pozwalają zrozumieć zachowanie różnych obiektów fizycznych.

Giorgio Parisi prowadził badania nad tak zwanym szkłem spinowym, czyli materiałem, w którym spiny (momenty magnetyczne) wymykają się spodziewanemu uporządkowanemu układowi. Dokładnie rzecz ujmując, przedmiotem badań Parisiego był stop, w którym do siatki atomów miedzi losowo rozmieszczono kilka atomów żelaza. Takie drobne naruszenie istniejącego porządku prowadziło do nieprzewidywalnych i znaczących zmian. Trudność polegała na wyjaśnieniu, dlaczego spiny atomów w układzie przyjmują taką, a nie inną orientację i dlaczego w ogóle całość potrafi osiągnąć stan optymalny.

Potencjalnym rozwiązaniem była analiza zachowania wielu kopii pojedynczego układu. I choć pozwalała wyjaśnić zachowanie szkła spinowego, to w sposób, który nie pasował do założeń znanej nam fizyki.

Parisi na początku lat 80. XX wieku odkrył porządek w zachowaniu wielu kopii jednego układu. Opisał go matematycznie, a gdy już udało się udowodnić, że jest to prawidłowe rozumowanie, metoda Parisiego pomogła w analizie innych złożonych i nieuporządkowanych układów. W efekcie wkład Giorgio Parisiego odczuwalny jest dziś nie tylko w fizyce, ale również w matematyce, biologii czy nauczaniu maszynowym, z którego korzyści czerpiemy dziś chyba wszyscy.

To temat równie skomplikowany co kontrowersyjny. Jednak nie wdawajmy się tu w dyskusję nad jego sensem, bo sens jest i nikt przy zdrowych zmysłach nie zaprzeczy, że klimat na Ziemi się zmienia. Dyskutować można jak, czy w dobrym kierunku i jakie będą tego konsekwencje, ale nie negować. Nie trzeba jednak ograniczać się do kwestii wielkoskalowych zmian klimatu. Ci dwaj panowie przyczynili się także do dużo precyzyjniejszych prognoz pogody z jakimi dziś mamy do czynienia. Możemy tego nie dostrzegać, bo narzędzia pozwalające monitorować i wizualizować rozwój pogody stały się dla nas czymś naturalnym.

Początek tych prac sięga lat 60. XX wieku, gdy Sykuro Manabe przewodził pracom nad rozwojem modeli klimatycznych. Był pierwszą osobą, która rozwinęła zagadnienie wzajemnej interakcji pomiędzy balansem promieniowania (czyli relacją pomiędzy tym co otrzymuje Ziemia, tym co jest wypromieniowywane, zwracane w kosmos, a co zatrzymywane w sposób, który wpływa na klimat) i pionowym transportem mas powietrznych.

Klaus Hasselmann w latach 70. XX wieku rozwinął zagadnienie łącząc w jednym modelu pogodę i klimat. Tym samym odpowiedział na pytanie, dlaczego modele klimatyczne mogą skutecznie przewidywać przyszłość, podczas gdy sama pogoda jest bardzo chaotyczna i zmienna.

Przyłożył się on także do powstania metod, które pozwalają wykryć sygnały, czy też sygnatury, które ludzkość pozostawia w naturze, a których odpowiednie odczytanie pozwala zrozumieć powód zmian w przyrodzie. Badania Hasselmanna pomogły dowieść wpływu emisji CO2 generowanego przez naszą cywilizację na stopniowy wzrost temperatury otoczenia. To coś co może być trudne dla zrozumienia dla laika, który patrzy się na rzeczywistość jedynie w kategoriach ilościowych i nie rozumie dlaczego małe działania (czyli emisja CO2 przez człowieka) mogą być bardziej niebezpieczne niż duże (czyli emisja CO2 w wyniku zjawisk naturalnych).

Tegoroczna nagroda Nobla z Fizyki trafiła do ludzi, których badania pomogły zrozumieć ostatecznie, że naturę należy traktować jako złożony system, w którym trzeba uwzględniać wpływ wszystkich czynników jednocześnie. Dlatego jest to moim zdaniem tak ciekawe wyróżnienie. Konsekwencje działań nagrodzonych można odkryć w każdej sferze naszego życia. Być może nawet w czymś takim jak wczorajsza wielka awaria Facebooka i powiązanych usług. Oczywiście nie jako przyczyna, ale wyjaśnienie.

Źródło: NobelPrize.org, inf. własna, rysunki: Niklas Elhemed / Nobel Prize Outreach