— Published on 29/12/2021 / Matica.hr.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann i Giorgio Parisi dobili su Nobelovu nagradu za fiziku za 2021. godinu "za revolucionaran doprinos našem razumijevanju složenih fizičkih sustava".
Složeni fizički sustav
Za rijetko koji fizički sustav možemo reći da je jednostavan. U tom je smislu gornje obrazloženje povjerenstva Kraljevske švedske akademije znanosti, u najmanju ruku, čudno. Zvuči preopćenito. A Nobelove se nagrade dodjeljuju za vrlo konkretne znanstvene doprinose. O čemu se dakle radi?
Složeni, ili kompleksni, sustav je sustav sastavljen od mnoštva dijelova koji su u međusobnim interakcijama. Ali to nije sve. Kad broj sastavnih dijelova premaši neku vrijednost onda sama svojstva tih djelova i svojstva njihovih interakcija nisu više dovoljna za potpuni opis sustava. Drugim riječima, kad takav sustav dovoljno naraste pojavljuju se neka sasvim nova svojstva, primjerice: nelinearnost, emergencija, spontani red, adaptacija, povratna veza. Ta nova svojstva zahtijevaju potpuno novi pristup rješavanju problema.
Evo konkretnog primjera: za vremensku prognozu načelno trebamo izračunati gibanja velikog broja čestica zraka (molekula dušika i kisika), odnosno za početne vrijednosti tlakova, temperatura i gustoća trebamo izračunati tlakove, temperature i gustoće na drugim mjestima, u budućim trenucima. Stručnije rečeno, zanima nas dinamika sustava: kako se sustav razvija u vremenu i prostoru. Ispočetka se činilo da je to samo puno posla za računanje. Zato su meteorolozi radosno dočekali osvit digitalnog doba. Računala će riješiti njihov problem, mislili su. No, kad je Edward Norton Lorenz, američki matematičar i meteorolog, sredinom 20. stoljeća prvi počeo koristiti računala u tu svrhu brzo je došao do zapanjujuće spoznaje da nelinearni sustavi mogu ući u kaotični režim. Otkrio je deterministički kaos. Bila je to nova pojavnost na koju nismo računali i koja je u igru uvela potpuno nova pravila.
No, složeni sustavi nisu karakteristični samo za geoznanosti poput meteorologije, klimatologije, oceanologije. Nalazimo ih praktički svuda. Složeni sustav je organizam, mozak, biološka stanica, ekosustav, društvena struktura poput grada, infrastruktura poput elektroenergetske mreže.
A sad na scenu stupa zadivljujuće svojstvo fizike, njezina univerzalnost. Kad proniknemo u neki obrazac kompleksnosti jednog sustava, tu spoznaju možemo primijeniti za razumijevanje drugog, naizgled sasvim različitog sustava. Matematika je ista, samo je pojmovni jezik druge struke različit. No prijevod na taj drugi jezik nije nikakav problem.
Nered i fluktuacije
Jednu polovinu Nobelove nagrade dobio je Giorgio Parisi s talijanskog Sveučilišta Sapienza u Rimu "za otkriće odnosa između nereda i fluktuacija u fizičkim sustavima od atomskih do planetarnih razmjera". Pod neredom u fizici obično mislimo na odsustvo uređenosti sustava odnosno na pojavu nasumičnosti. Drugim riječima, to je prividno odsustvo obrazaca ili predvidljivosti. Prividno zato što ne znamo pouzdano je li tih obrazaca stvarno nema ili ih mi samo zasad nismo uočili. Fluktuacija je pojmovno bliska neredu. Grubo bismo mogli reći da je nered statička nasumičnost, a fluktuacija dinamička nasumičnost. Naime, fluktuacija ili kolebanje je nasumično odstupanje neke fizičke veličine od njezine srednje vrijednosti. Ta kolebanja prisutna su u raznim područjima fizike, postoje primjerice kvantne fluktuacije, termičke fluktuacije, primordijalne fluktuacije.
Giorgio Parisi otkrio je one skrivene obrasce zakopane duboko u nered koje drugi nisu vidjeli premda su možda slutli da postoje. Konkretno, otkrio je uzorke u neuređenim kompleksnim materijalima pa je iz toga uspio općenito povezati nered i fluktuacije. Te spoznaje omogućile su razumijevanje i opisivanje složenih sustava ne samo u fizici nego i u mnogim drugim područjima poput matematike, biologije, neuroznanosti i strojnog učenja. Parisi je dao čvrste znanstvene temelje za razumijevanje složenih sustava općenito, a drugi su to primijenili na konkretne probleme, primjerice na klimu.
Klima i globalno zatopljenje
Drugu polovinu Nobelove nagrade podijelili su Syukuro Manabe s američkog Sveučilišta u Princetonu i Klaus Hasselmann s njemačkog Instituta za meteorologiju Max Planck "za fizičko modeliranje klime na Zemlji, određivanje varijabilnosti i pouzdano predviđanje globalnog zatopljenja". Manabe je uvjerljivo pokazao da rast koncentracije ugljikovog dioksida u Zemljinoj atmosferi vodi do povećanja prosječne temperature na površini Zemlje. Svojim je radom postavio temelje za razvoj klimatskih modela.
Hasselmann je uspio povezati vrijeme i klimu te pokazati zašto je klimatski model pouzdan unatoč tome što je (meteorološko) vrijeme kaotično. Također je pronašao način kako razlikovati ljudski utjecaj na klimu od čisto prirodnog utjecaja, koji bi postojao i da nema ljudskog djelovanja na Zemlji. Zahvaljujući tome potvrdio je da je sadašnje globalno zatopljenje posljedica ispuštanja ugljikovog dioksida koje su uzrokovali ljudi.
Tako smo od naizgled krajnje apstrakcije: „doprinosa razumijevanju složenih sustava” došli do vrlo konkretnog i neugodnog zaključka: za sadašnje globalno zatopljenje krivi su ljudi. Krivi smo mi sami. Pa sad tu činjenicu konačno trebamo prihvatiti s njom se dalje nositi.