Už ką suteiktos 2021 m. Nobelio fizikos premijos?

2021 n. Nobelio premija fizikos srityje buvo paskirta spalio 5 d. Premija ir medaliai tradiciškai įteikiami gruodžio mėnesį iškilmingoje ceremonijoje Švedijoje.

Purptelėjęs prie „kosminių“ premijų, Nobelio komitetas 2021-ais sugrįžo į žemę. Juk taip gera jausti jos tvirtą paviršių po kojomis ar sūpuotis jos vandenynų bangose. Pirmąkart apdovanojimų formuluotėse atsirado „sudėtingų sistemų“ terminas – pusę 2021 m. premijos gavo japonas Syukuro Manabe1) ir vokietis Klaus Hasselmann‘as2), sukūrę pagrindus Žemės klimato modeliavimui atsižvelgiant į žmogaus poveikį jam, o kitą pusę - italas Giorgio Parisi3) už indėlį nesutvarkytų medžiagų ir atsitiktinių procesų jose teoriją.

Sudėtingas sistemas sudaro daugybė tarpusavyje viena kitą veikiančių komponenčių, kuriomis gali būti įvarūs kūnai, atomai, neuronai, baltymai, genai ir t.t. iki begalybės. Toji sąvoka apima platų reiškinių spektrą – nuo atomų sistemų iki Žemės klimato ir nuo neurobiologijos iki mašininio apsimokymo. Jas fizikai tiria jau pora šimtmečių – tik jas sunku aprašyti matematiškai ir ne tik dideli komponenčių kiekio, bet ir todėl, kad jų sąveikos gali būti netvarkingos ir atsitiktinės. Tad ir pačios sistemos elgiasi chaotiškai, sunkiai nuspėjamu būdu. Ne veltui, tokios netikslios orų prognozės. Syukuro Manabe

Giorgio Parisi apdovanojimas buvo nuspėjamas – jis pagal „Claritive Analytics“ reitingą buvo 3-je vietoje po kvantinių skaičiavimų specialisto A. Kitajevo4) ir sudėtingų sistemų tyrinėtojo M. Njumano5). Tik štai klimatologų patekimas tapo netikėtumu. Gal paveikė lapkritį numatytas JTO COP26 susitikimas skirtas klimato kaitos klausimams (mat IPCC rugpjūtį paskelbė pirmąją įvertinančiosios ataskaitos dalį, pagal kurią, jei nebus skubiai imtasi mažinti šiltnamio efektąo lygyje iki 2060-ųjų jau bus nebeįmanoma – ir premijos skyrimu norima į tai atkreipti dėmesį), o gal dar kas...

Reikia skirti orus (oro reiškinių visumą konkrečioje vietoje konkrečiu metu) ir klimatą (suvidurkintas orų charakteristikas, apibūdinančias oro sąlygų ypatybes didelėse teritorijose per ilgalaikį laikotarpį). Klimato modeliai negali pasakyti, koks oras bus Naujųjų metų naktį Vilniuje, tačiau gali įvertinti tikėtiną vidutinę temperatūrą sausio mėnesį.

Syukuro Manabe 1958 m. persikėlė į JAV, kur NOAA tyrinėjo oro reiškinius. Jį irgi domino anglies dvideginio poveikis atmosferos temperatūrai, tik jis dėmesį sutelkė sudėtingesniems modeliams, kuriuose atsižvelgiama į vertikalius oro masių judėjimą dėl konvekcijos bei šilumos indėliui į globalioje vandens cirkuliacijoje. Didelį poveikį turėjo ESM atsiradimas paskatinęs skaitmeninį orų prognozavimą Prinstono Pažangių studijų centre – projekto vienu vadovų buvo Dž. fon Neimanas. Dėl to meto kompiuterių charakteristikų pirmasis atmosferos modelis buvo ganėtinai paprastas – skaičiavimai buvo suvesti iki vieno matavimo ir tiesiog nagrinėjo vertikalų 40 km aukščio stulpą – ir net šiuo atveju reikėjo šimtų valandų kompiuterinio darbo. Vis tik, nepaisant modelio paprastumo, buvo suprasti svarbiausi principai ir padarytos teisingos išvados – kad temperatūros prie paviršiaus padidėjimas susijęs su CO2.
Trimatį klimato modelį Manabe paskelbė 1975 m.

Klausas Haselmanas Pradžioje K. Haselmano tyrinėjimai buvo skirti bangavimo matematiniams modeliams, vėliau – okeano bangų ir srovių modeliams. 1961-64 m. jis dirbo Skripso okeanografijos ins-te Kalifornijoje, kur sutiko klimatologą Č. Kilingą6), kuris nuo 1958 m. stebėjo CO2 koncentraciją Havajų Mauna-Loa kalno viršūnėje. Šiais duomenimis K. Haselmanas rėmėsi daugelyje savo tyrimų.

1975 m. jis buvo vienu M. Planko Meteorologijos ins-to Hamburge steigėjų ir jo direktoriumi (iki 1999 m.). ESA jį pripažįsta kaip vieną distancinio zondavimo palydovo ERS-1 (1999) „tėvų“.

K. Haselmanas mokslinius pagrindus ilgalaikėms orų prognozėms apie 1980-uosius. Jis sukūrė statistinį modelį, sujungusį orus ir klimatą. Jis pasiūlė visiškai naują traktuotę – sparčiai kintančius oro reiškinius nagrinėjo kaip „triukšmą“ iš kurio išskyrė klimato „signalą“. Svarbia idėja buvo analogija su chaotišku dalelių judėjimu.

Tokį modelį galima pailiustruoti žmogaus pasivaikščioji ant pavadėlio vedantis šunį. Šuo chaotiškai duodasi į visas puses, painiojasi žmogui po kojomis... Tačiau išanalizavus jo judėjimą galima nustatyti, kaip judėjo jo šeimininkas.

Po to K. Haselmanas ėmėsi klimatą lemiančių veiksnių nustatymo. Jis nustatė, kad bet kuris veiksnys, ar tai būtų gamtos, ar žmogaus, palieka unikalius pėdsakus, tars kokius pirštų atspaudus. Būtent juos panaudojo įrodant, kad globalų atšilimą sukėlė žmogaus veiklos CO2 išmetimai. Jo nemažas vaidmuo buvo ir populiarinant globalaus atšilimo problemą.

O Giorgio Parisi 9-o dešimtm. pradžios darbai skirti tam, kaip atsitiktiniai reiškiniai nesutvarkytose medžiagose valdomi slaptų taisyklių. Jie leido aprašyti daugybę procesų įvairiose mokslo srityse ir net bankų veikloje. Tokios sistemos sudarytos iš daugybės elementų, kuriuose nėra „tolimosios tvarkos“, t.y. tvarka išlaikoma tik mažais atstumais. Pvz., atomų išsidėstymo atžvilgiu kristalas yra sutvarkyta medžiaga, o dujos, skysčiai ir amorfiniai kūnai – ne (nors amorfinis kūnas ir gali dalinai išlaikyti tvarką).

Tokių sistemų aprašymams naudoja statistinius metodus, kuriuose atsisakoma kiekvieno atskiro elemento elgsenos tyrimo, o paskaičiuojamos suvidurkintos charakteristikos. Statistinę mechaniką nuo 19 a. antros pusės vystė MaksvelasBolcmanas ir Gibsas.

Pirmas Parizio darbas šia kryptimi buvo susijęs su spininiais stiklais – specialiu metalų lydiniu į kurį įdėta magnetinių priemaišų, kurių nors ir nedaug, tačiau jos radikaliai (ir mįslingai) keičia medžiagos magnetines savybes. Jos taip pavadintos 8-o dešimtm. pradžioje pagal analogiją su įprastiniu stiklu – tik amorfiniame stikle nėra kristalinės gardelės ir atomai išsidėstę be tvarkos, o spininiame stikle gardelė yra, tačiau chaotiškai orientuoti atomų sukiniai (spinai).

Giorgio Parisi Spininį stiklą galima įsivaizduoti kaip atomų gardelę, kurioje kiekvienas atomas turi aukštyn ar žemyn nukreiptą sukinį, kuriuos atitinka reikšmės -1 ir +1 (tarsi kompaso strėlytė) – tuo šie stiklai skiriasi nuo feromagnetų, kuriuose beveik visi sukiniai nukreipti viena kryptimi. Kodėl taip nenutinka stikluose, panagrinėkime trikampį, kurio viršūnėse randasi atomai. Tarkim, A ir B viršūnėse sukiniai yra priešingų krypčių (A – aukštyn, B - žemyn) – kokia kryptimi turėtų rodyti C viršūnės sukinys? Jei žemyn, bus pažeistas suderinamumas su A, o jei aukštyn – su B. Tad C sukinys nežino, kaip jam elgtis – tai vadinama frustacija (psichologijoje taip vadina psichinę būseną, kai negalima patenkinti nei vieno, nei kito poreikio) – kažkas iš fizikų tai pavadino „meilės trikampiu“.

O dabar įsivaizduokime gardelę iš daugybės tokių trikampių – ir gausime „frustuotą sistemą“, kurioje sukiniai „nori“ būti sutvarkyti, tačiau negali. Tai sistemos, kuriose nėra aiškiai apibrėžto energijos minimumo (naudingiausios būsenos), tad joms sunku rasti optimalią subalansuotą konfigūraciją, o kai kuriais atvejais jos ir neranda, nuolat pereidinėdamos iš vienos metastabilios būsenos į kitą. Tik tada kyla klausimas – kaip jos pasirenka persitvarkymo variantą?

8-me dešimtm. daugelis fizikų, tarp jų net Nobelio premijos laureatas F. Andersonas7), ieškojo būdų šio reiškinio aprašymui, tačiau tik Parizis sugebėjo jį matematiškai aprašyti. Statistiniams skaičiavimams jis panaudojo vadinamąjį replikų metodą – vienu metu paskaičiuojant daugelį sistemos kopijų. O dėl spininio stiklo, jis parodė, kad tasai vistik struktūrizuotas, tačiau sudėtingu būdu: jame atomai išsilygina tam tikrų geometrinių figūrų (dažniausiai - trikampių), išsibarsčiusių po visą tūrį, ribose. Jo idėja rėmėsi tuo, kad tvarką galima aptikti aukštesniame lygyje (vėl grįžtant prie pavyzdžio su šunimi – konkrečių jo judesių negalima nuspėti, tačiau galima nustatyti bendrą judėjimo kryptį).

Tiesa Parizio metodas nebuvo griežtas ir prireikė kelių dešimtmečių, kol buvo įrodytas jo sprendimo matematinis korektiškumas – tuo užsiėmę matematikai, su priešakyje buvusiu prancūzu M. Talagranu8), netgi išvystė naują tikimybių teorijos sritį.

Vėliau Parizis dar išnagrinėjo daugybę reiškinių, kuriuose atsitiktiniai procesai yra svarbūs sukuriant ir palaikant struktūras. Tarkim, kodėl periodiškai kartojasi ledynmečiai? Ar egzistuoja universalus chaoso ir turbulentinių sistemų matematinis aprašymo būdas? Klausimai tarytum tolimi nuo spininio stiklo reiškinių, tačiau, pvz., tiriant dirbtinius neuroninius Hopfieldo tinklus paaiškėjo, kad daugybė prisiminimų tinkle atitinka daugybinėms pusiausvyroms spininiame stikle. Gali būti, kad tai pritaikoma ir žmogaus neuronų tinklui. O per pandemiją Parizis tiria Covid-19 plitimo dinamiką.

1) Siukuro Manabė (Syukuro "Suki" Manabe, g. 1931 m.) – japonų kilmės amerikiečių klimatologas, iškilus klimato ir jo kitimo skaitmeninio modeliavimo specialistas, vienas globalaus atšilimo tyrinėjimų pradininkas (8-as dešimtm.), Nobelio premijos laureatas (2021). 1958 m. persikėlė į JAV, 1968- 2003 m. (su pertrauka) dėstė Prinstono un-te. 1967 m. paskelbė pirmąjį globalaus klimato modelį, o taip pat kartu su R. Wetherald’u parodė, kad šiltnamio dujų koncentracija gali veikti temperatūrą Žemėje. 1988 m. jo kalba senate pritraukė politikų dėmesį šiai problemai.

2) Klausas Haselmanas (Klaus Ferdinand Hasselmann, g. 1931 m.) – vokiečių fizikas, okeanologas, meteorologas Nobelio premijos laureatas (2021). Jo šeima 1934 m. emigravo į Angliją, 1949 m. jis grįžo į Hamburgą, 1964-75 dėstė jo universitete; 1974-99 m. M. Planko Meteorologijos int-to direktorius. Geriausiai žinomas klimato kaitos „Haselmano modeliu“, kuriame sistema su „ilga atmintimi“ (vandenynas) integruoja stochastines jėgas transformuodamas „baltą triukšmą“ į „raudoną triukšmą“ ir taip paaiškinant matomus klimato pokyčius. Išleido knygą „70 metų okeanografijoje“ (2010).

3) Džordžo Parizis (Giorgio Parisi, g. 1948 m.) – italų fizikas teoretikas, Nobelio premijos laureatas (2021). 1981-92 m. buvo Romos un-to profesoriumi, o dabar Sapienza un-to Romoje profesoriumi. Pagrindiniai darbai skirti kvantinei lauko teorijai, statistiniai mechanikai ir sudėtingoms sistemoms. Žinomas darbais su spininiais stiklais ir susijusiais statistinės mechanikos modeliais optimizacijos teorijoje ir biologijoje. Taip pat prisidėjo prie el. dalelių fizikos, ypač kvantines chromodinamikos ir stygų teorijos. Kartu su kitais italų fizikais išvystė klimato kaitos stochastinio rezonanso koncepciją.

4) Aleksejus Kitajevas (g. 1963 m.) – rusų kilmės amerikiečių fizikas, kvantinės teorijos specialistas. Nuo 2002 m. CalTech’o (JAV) profesorius. Geriausiai žinomas už kvanto fazes įvertinimo algoritmą ir topologinio kvantinio kompiuterio koncepciją (1997). Išleido knygą (kartu su kitai) „Įprastiniai ir kvantiniai skaičiavimai“ (1999).

5) Markas Njumanas (Mark Newman, ) – britų kilmės amerikiečių fizikas, Mičigano un-to profesorius. Į JAV persikėlė 2002 m. Žinomas indėliu į sudėtingų tinklų ir sistemų teoriją (už tai 2014 m. apdovanotas Lagranžo premija). Tinklų srityje užsiima mokslininkų bendradarbiavimo šablonais, atsitiktinių grafų teorija, tinklų epidemiologija ir pan. Laisvalaikiu užsiima karatė.

6) Čarlzas Kilingas (Charles David Keeling, 1928-2005) – amerikiečių klimatologas, vienas pirmųjų įrodęs, kad antropogeninis poveikis CO2 koncentracijai ore neigiamai veikia klimatą. Nuo 1956 iki 2005 m. dirbo Skribso inst-te. Nuo 1958 m. sistemingai matavo CO2 kiekį Havajų Mauna-Loa ugnikalnio meteorologinėje stotyje (rezultatai vadinami Kilingo grafiku).

7) Filipas Andersonas (Philip Warren Anderson, 1923-2020) – amerikiečių fizikas teoretikas, Nobelio premijossuperlaidumą aukštose temperatūrose. Atrado lokalizacijos koncepciją – idėją, išplėtusią būsenų, kurios gali būti lokalizuotos dėl defektų sistemoje, kiekį. Buvo ateistinių pažiūrų; buvo go žaidimo meistras.

8) Mišelis Talagrandas (Michel Pierre Talagrand, g. 1952 m.) – prancūzų matematikas, matematinės analizės ir tikimybių teorijos bei jų taikymų žinovas. Jis sukūrė naujus metodus stochastinių procesų ribinėms reikšmėms. Naujausi darbai susiję su spininio stiklo modeliais – jo tikslas yra parengti matematinius pagrindus šios srities fizikams.

Galileo Galilėjus
Garo tramdytojas
Manipuliacijos šviesa
Žygiuojam į Saulės amžių
2018 metai matematikoje
Žemės magnetinis laukas
Genijaus keliai ir klystkeliai
Apie laiko klausimą filosofijoje
Dž. Bruno mirtis ir nemirtingumas
2019 m. Nobelio fizikos premijos laureatai
2018 m. atradimai fizikoje ir astronomijoje
Už ką Nobelio premijos negavo Virginijus Šikšnys
Už ką suteiktos 2021 m. Nobelio fizikos premijos?
Kaip vyko didysis perėjimas iš nieko į būtį?
Artileristas, atradęs sustingusio laiko sferą
El. dalelių simetrija persmelkia viską
Kvantinė chemija – ateities mokslas?
Amžinas judėjimas laiko kristaluose
Lemtingasis Rentgeno atradimas
Elektra, kol dar nebuvo vartotojų
S. Lemas. Trumpas sujungimas
Sunkusis ir metalinis vandenilis
Hadronų koliderio kūrėjas
Nobelio fizikos laureatai
Nekritinė stygų teorija
Mažosios saulės mįslės
Superlaidumas
Triukšmai
Vartiklis