Нобелівський тиждень
Нобелівський тиждень

Нобелівську премію з фізики присудили за моделювання хаотичних систем

Шведська королівська академія наук оголосила лауреатів Нобелівської премії з фізики. Цього року комітет відзначив «новаторський внесок у наше розуміння складних фізичних систем». Половину премії розділять між собою Шукуро Манабе (Syukuro Manabe) і Клаус Хасельман (Klaus Hasselmann ) за моделювання клімату Землі, кількісні оцінки мінливості та надійні прогнозування глобального потепління. Іншу половину отримав Джорджіо Парісі (Giorgio Parisi) за внесок у теорію складних систем завдяки відкриттю прихованих патернів поведінки частинок у невпорядкованих матеріалах. Онлайн-трансляція нагородження доступна на сайті Нобелівського комітету.

Ми можемо вивчати різні закони природи завдяки тому, що можемо передбачити майбутню поведінку тієї чи іншої системи. Втім, більшість систем не піддаються таким передбаченням. Що більше частинок взаємодіють і що параметрів можуть вплинути, тим складніша система і тим складніше спрогнозувати її поведінку. Найменші відхилення призводять до її зміни, а отже і до похибок у наших уявленнях про неї. Нобелівська премія з фізики цього року відзначила трьох вчених саме за внески у методи дослідження і моделювання поведінки таких складних фізичних систем. До них можна віднести гази і рідини, погоду, зоренародження, рух шпаків та звичайне скло.

Так половину нагороди, яка цього року складає десять мільйонів шведських крон, поділили між собою японський та німецькі метеорологи Шукуро Манабе і Клаус Хасельман. Вони займалися розробкою фізичних моделей клімату Землі — одного із багатьох прикладів складної системи. Разом їхні роботи забезпечили міцну фізичну основу для наших знань про клімат Землі і пояснили, як люди впливають на нього.

Манабе досліджував, як підвищений рівень вуглекислого газу може викликати підвищення температури. Так виявилося, що якби за підвищення температури була відповідальна виключно сонячна радіація, вся атмосфера Землі повинна була б нагріватися одночасно. Однак, Манабе показав, що здатність нашої планети повертати нагрівання Сонцем назад, її парниковий ефект, залежить від вмісту вуглекислого газу. Виявилося, що кисень і азот практично не впливають на підвищення температури в той час, як з подвоєнням рівня вуглекислого газу, вона зростає більш ніж на два градуси Цельсія. Його модель була одномірною і спрощеною. Однак вже у 1975 вчений опублікував на її основі тривимірне моделювання кліматичних умов на Землі, де на основі повних рівнянь для тепла, маси, імпульсу і випромінювання навколо земної кулі, глобальна середня температура поверхні збільшилася на 2,93 градуса Цельсію.

Кліматична модель Манабе, де підвищений рівень вуглекислого газу призводить до підвищення температури в нижніх шарах атмосфери, тоді як її верхня частина лишається холодною. Манабе підтвердив, що зміна температури обумовлена збільшенням рівня вуглекислого газу, а не нагріванням з боку Сонця / Nobel Prize 

Кліматична модель Манабе, де підвищений рівень вуглекислого газу призводить до підвищення температури в нижніх шарах атмосфери, тоді як її верхня частина лишається холодною. Манабе підтвердив, що зміна температури обумовлена збільшенням рівня вуглекислого газу, а не нагріванням з боку Сонця / Nobel Prize

Разом з Манабе четверть нагороди присудили німецькому вченому Клаусу Хасельману, який через десять років довів, що погода залежить від клімату. Йому вдалося показати, що підвищення температури в атмосфері викликано викидами вуглекислого газу людиною, а також визначити погодні і антропогенні чинники, що впливають на клімат. Так Хасельман зміг описати погодні явища, які хаотично змінюються, мов шум, та продемонструвати, що нагрівання атмосфери всього на один градус здатне спричинити і нагрівання океану у довгостроковій перспективі. Також йому вдалося показати, як на кліматичну систему впливає людська діяльність. За аналогією з тим, як зміни сонячної радіації, вулканічних часток або рівнів парникових газів здатні довгостроково впливати на клімат, метеоролог врахував і людську діяльність. Так він звернув увагу, що з середини XIX століття рівень вуглекислого газу в атмосфері збільшився на 40 відсотків, а його модель проілюструвала це прискореним парниковим ефектом.

Порівняння між змінами середньої температури відносно середньої за 1901–1950 роки, де чорна лінія — спостережувана температура, червона — вплив природних чинників на кшталт вулканів (вони позначені пунктиром), а синя — розрахунки ефектів від антропогенних і природних чинників разом / Nobel Prize

Порівняння між змінами середньої температури відносно середньої за 1901–1950 роки, де чорна лінія — спостережувана температура, червона — вплив природних чинників на кшталт вулканів (вони позначені пунктиром), а синя — розрахунки ефектів від антропогенних і природних чинників разом / Nobel Prize

Другу половину нагороди отримав італійський фізик-теоретик Джорджо Паризі, як цього до речі очікували професіональні «передбачувачі» на Нобеля — аналітична компанія Clarivate. Комітет відзначив його за «відкриття прихованих правил, якими керуються очевидно випадкові явища».

Сучасні дослідження складних систем сягають корінням в статистичну механіку, яка показала, що, наприклад, температура газу є мірою середнього значення енергії частинок газу. Тобто для опису таких систем, які складаються з великого числа, достатньо обчислювати середній ефект від їхньої взаємодії, а не кожну окремо. Однак річ у тім, присутній в них хаос визначає їхню нездатність відтворювано збиратися у певному порядку. Кожного разу, коли кілька однакових частинок стикаються разом, утворюється новий неправильний візерунок, незважаючи на те, що умови для них не змінилися. Що визначає результат? Паризі вдалося відповісти на це питання, описавши математично закономірності, які визначають розташування магнітних атомів у спіновому склі. Одночасно опрацювавши безліч варіантів того, як вони можуть скластися, фізик виявив приховану структуру у цих копіях і описав її, тим самим створивши основу, яка охоплює багато інших складних систем: від поведінки птахів до зоряних колисок.

Минулорічну премію отримали Роджер Пенроуз (Roger Penrose), Райнхард Генцель (Reinhard Genzel) та Андреа Гез (Andrea Ghez) за підтвердження можливості формування чорних дір рамках загальної теорії відносності та відкриття надмасивного компактного об’єкту в центрі нашої галактики.

спіновому склі
речовина з такою магнітною структурою, магнітні моменти окремих атомів якої не можуть упорядкуватися і, подібно до звичайного аморфного скла, розташовуються хаотично