Завдяки Сюкуро Манабе і Клаусу Хассельману ми багато чого дізналися про поведінку клімату і погоди, зокрема, про глобальне потепління. А Джорджо Парізі пояснив, як випадкові явища керуються прихованими правилами.
Нобелівська премія з фізики 2021 року вручена «За новаторський внесок у наше розуміння складних фізичних систем». Половину премії поділили Сюкуро Манабе (Прінстонський університет, США) і Клаус Хассельман (Інститут метеорології Макса Планка, Німеччина) «за фізичне моделювання клімату Землі, кількісну оцінку мінливості і надійне прогнозування глобального потепління». Інша половина премії була присуджена Джорджо Парізі (Римський університет, Італія) «за відкриття взаємодії безладу і флуктуацій у фізичних системах від атомних до планетарних масштабів».
Лауреати 2021 року отримали Нобелівську премію з фізики за дослідження складних хаотичних, випадкових явищ. Сюкуро Манабе і Клаус Хассельманн заклали основу наших знань про клімат Землі і про те, як людство впливає на нього. А Джорджіо Парізі перейшов за революційний внесок у теорію неупорядкованих матеріалів і випадкових процесів у них.
Всі складні системи складаються з безлічі взаємодіючих частин. Вони вивчаються фізиками вже протягом декількох століть. Проблема полягає в тому, що їх складно описати математично - вони можуть мати величезну кількість компонентів і поводитися випадковим, важкопрогнозованим чином. У разі, скажімо, погоди невеликі відхилення від початкових значень призводять до величезних відмінностей на більш пізніх етапах. Усі лауреати цього року зробили значущий внесок у поглиблення наших знань про такі системи та їх довгостроковий розвиток. Вони запропонували нові методи їх опису та прогнозування поведінки в довгостроковій перспективі.
Однією з таких складних систем, що мають життєво важливе значення для людства, є клімат Землі. Сюкуро Манабе продемонстрував, як підвищений рівень вуглекислого газу в атмосфері призводить до підвищення температури на поверхні Землі. У 1960-х роках він керував розробкою фізичних моделей клімату Землі і був першою людиною, яка досліджувала взаємодію між радіаційним балансом і вертикальним перенесенням повітряних мас через конвекції з урахуванням прихованої теплоти водяного пара. Його робота заклала основу для розробки сучасних кліматичних моделей.
Шістдесят років тому комп'ютери були в сотні тисяч разів повільніше, ніж зараз, тому модель Манабе була відносно простою. Він звів завдання до одного виміру і розглянув вертикальний стовп в атмосфері висотою 40 кілометрів. Але навіть у цьому випадку знадобилися сотні цінних обчислювальних годин, щоб перевірити модель, варіюючи вміст газів в атмосфері.
Незважаючи на простоту моделі, Манабе правильно зрозумів ключові принципи. Розрахунки підтвердили, що нагрівання атмосфери дійсно було пов'язано зі збільшенням вмісту вуглекислого газу. Вони передбачали підвищення температури ближче до землі, в той час як верхні шари атмосфери ставали холоднішими. Саме так і було в реальності. Якби замість цього за підвищення температури були відповідальні зміни в сонячній радіації, то вся атмосфера повинна була б нагріватися одночасно. Ідеї одномірної моделі призвели в підсумку до створення тривимірної моделі клімату, яку Манабе опублікував в 1975 році. Це була важлива віха на шляху до розуміння секретів клімату.
Дещо пізніше Клаус Хассельман зумів створити модель, яка пов'язала воєдино погоду і клімат, тим самим відповідаючи на питання, чому кліматичні моделі можуть бути надійними, незважаючи на те, що погода мінлива і хаотична. Швидкі і випадкові погодні зміни дуже складні для розрахунків, на них впливає безліч факторів. На практиці проблеми з прогнозуванням погоди частково пов'язані з тим, що неможливо досить точно вказати температуру, тиск, вологість або вітрові умови для кожної точки атмосфери. Крім того, рівняння, які використовуються для моделювання, є нелінійними. Це призводить до того, що невеликі відхилення у вихідних значеннях можуть обумовлювати абсолютно різні зміни погодної системи. Приблизно в 1980 році Клаус Хассельман продемонстрував, що хаотично мінливі погодні явища можна описати як швидко мінливий шум, тим самим поставивши довгострокові прогнози клімату на міцну наукову основу.
Після того, як модель кліматичних змін була закінчена, Хассельман розробив методи визначення антропогенного впливу на кліматичну систему. Він зрозумів, що зміни сонячної радіації, вулканічних частинок або рівнів парникових газів залишають унікальні сліди, свого роду відбитки пальців, які можна відокремити. Цей метод визначення «відбитків пальців» також може бути застосований і до впливу людини на кліматичну систему. Зокрема, його методи були використані, щоб довести, що підвищення температури в атмосфері викликано саме викидами вуглекислого газу людиною.
Ці відкриття демонструють, що наші знання про клімат спираються на міцну наукову основу, засновану на суворому аналізі спостережень.
Третій лауреат Джорджіо Парізі приблизно 1980 року представив своє відкриття того, як випадкові явища в неупорядкованих матеріалах керуються прихованими правилами. Перша робота Парізі в цьому напрямку відносилася до так званих спинових склів. Це особливий тип металевого сплаву, в якому, наприклад, атоми заліза випадковим чином перемішані в сітці атомів міді. Незважаючи на те, що атомів заліза мало, вони змінюють магнітні властивості матеріалу радикальним і дуже загадковим чином. У 1970-х роках багато фізиків, у тому числі навіть кілька лауреатів Нобелівської премії намагалися зрозуміти це явище. Але саме Парізі знайшов спосіб описати його математично. Тепер його роботи вважаються одним з найважливіших вкладів у теорію складних систем. Вони дозволяють зрозуміти і описати безліч різних випадкових явищ не тільки у фізиці, а й в інших, дуже різних галузях, таких як математика, біологія, нейробіологія і машинне навчання.
Пізніше Парізі вивчив безліч явищ, в яких випадкові процеси відіграють вирішальну роль у тому, як створюються структури і як вони розвиваються. Він займався проблемами, на перший погляд, далекими від спинового скла. Чому періодично повторюються льодовикові періоди? Чи є загальний математичний опис хаосу і турбулентних систем? Однак сам Парізі якось сказав, що велика частина його досліджень присвячена тому, як проста поведінка породжує складну колективну поведінку, і це відноситься як до скла, так і до скворців.
За матеріалами Нобелівського комітету.