Nagroda Nobla z Fizyki 2021 - Część 1

Wszystko o systemach złożonych i chaosie

Read this article:  in English


Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2021 roku została przyznana łącznie trzem laureatom, a więc maksymalnej liczbie, którą regulamin nagrody dopuszcza, „za przełomowy wkład w nasze zrozumienie złożonych systemów”.

W ubiegłym roku Fundacja Noblowska podwyższyła wysokość nagrody do 10 milionów koron szwedzkich. To w przeliczeniu daje około 950 tys. euro ($1,074,000). Laureaci otrzymują także medal oraz dyplom. Wprawdzie nagrodę otrzymali trzej laureaci, to jednak suma ta jest podzielona w tym roku wyraźnie na dwie części.

Połowa tej nagrody wspólnie przypadła Syukuro Manabe i Klausowi Hasselmannowi „za fizyczne modelowanie klimatu Ziemi, ilościowe określanie zmienności i wiarygodne przewidywanie globalnego ocieplenia”, a druga połowa, Giorgio Parisi „za odkrycie wzajemnego oddziaływania nieporządku i fluktuacji w układach fizycznych od skali atomowej do planetarnej”.

Wszyscy trzej laureaci w tym roku otrzymali nagrodę za badania nad chaotycznymi i pozornie przypadkowymi zjawiskami oraz ich modelowaniem. Giorgio Parisi został nagrodzony za swój rewolucyjny wkład w teorię nieuporządkowanych materiałów i procesów losowych. Syukuro Manabe i Klaus Hasselmann położyli podwaliny pod naszą wiedzę o klimacie Ziemi i o tym, jak ludzkość na niego wpływa.

Ich osiągnięcia niestety trudno opisać w przystępny sposób. W tym artykule, skupimy się tylko na jednej połowie tegorocznej Nagrody, tej przyznanej włoskiemu fizykowi teoretycznemu Giorgio Parisi, którego badania koncentrowały się na kwantowej teorii pola, mechanice statystycznej i systemach złożonych.

Układy złożone

Wspólny wątek, który łączy wszystkich tegorocznych laureatów to "układy (systemy) złożone". Tegoroczni nobliści przyczynili się do naukowego ujarzmienia takich systemów.

Systemy złożone, to takie, którymi rządzi przypadek i nieporządek. Nauka o systemach złożonych bierze się z fundamentów fizyki, ale rozciąga się na obszary biologii, ekonomii, medycyny, nauk społecznych i humanistycznych, i jeszcze dużo dalej. Złożoność jest w pewnym sensie zaprzeczeniem tradycyjnego naukowego redukcjonizmu, który często pomija holistyczny aspekt sytemów, a skupia się na elementach układów w oderwaniu od ich działania jako całości. Złożoność pozwala analizować układ w całej jego rozciągłości, jako jedną holistycznie postrzeganą całość.

Z układami złożonymi wiążą się takie pojęcia, które dawno już weszły do obiegu naukowego, jak chaos, struktury czasowo przestrzenne, fraktale, nieliniowość, układy otwarte, układy dalekie od równowagi, sieci neuronowe, samoorganizacja, czy też sztuczna inteligencja a w szczególności uczenie maszynowe. Wszystko to, w taki czy inny sposób, bierze się z, lub dotyczy, nieporządku, zwanego chaosem.

Tegoroczna Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki skupia się na złożoności układów fizycznych, od największych skal, jakich doświadcza człowiek, takich jak klimat Ziemi, po mikroskopijną strukturę i dynamikę tajemniczych, a jednak pospolitych materiałów, takich jak szkło.

Wyłanianie się nieporządku z deterministycznego porządku, a wraz z nim, wielorakich skal w przestrzeni i w czasie, jest charakterystyczne dla złożonych systemów. Zrozumienie natury takiego zaburzenia stanowi ogromne wyzwanie naukowe.

Świat jest... skomplikowany

Ludzka tendencja do upraszczania i pomijania szczegółów, ciągłego uogólniania, pomaga nam porządkować pojęcia i przyswajać nowe informacje, raczej niż ginąć w nich, lecz niekoniecznie pomaga dokładnie opisać świat rzeczywisty w całej jego rozciągłości. Natura zawsze nas zaskakuje swoją złożonością — zawsze wszystko jest bardziej skomplikowane, niż się to początkowo wydaje.

Obserwowane z daleka złożone obiekty fizyczne mogą wydawać się nader proste. W uproszczeniu, Ziemia, to po prostu duża kula; atom, to przecież mała, sprężysta kulka, przypominająca bilardową… Jednak, od atomów, po planety, przypatrując się bardziej dokładnie, zawsze odkrywamy coraz bardziej skomplikowaną wewnętrzną strukturę. Stajemy się wręcz zasypani złożonością w każdej skali.

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. Jest to też przejaw docenienia badań podstawowych oraz interdyscyplinarnych, które często były traktowane po macoszemu przez Komitet Nagrody Nobla.

Komitet Noblowski w 2021 roku zdecydował się wyróżnić naukowców, którzy przyłożyli się do zrozumienia skomplikowania naszego świata. Ich badania dotykają bardzo ważnej sfery funkcjonowania całego Wszechświata - tej, która wymaga całościowego podejścia do problemu, a nie tylko rozpatrywania go kawałek po kawałku.

Złożoność prowadzi do chaosu

Złożone systemy charakteryzują się przypadkowością i nieporządkiem oraz są trudne do zrozumienia. Tegoroczna Nagroda wyróżnia nowe metody ich opisywania i przewidywania ich długofalowych zachowań.

Systemy, których zasady funkcjonowania są w gruncie rzeczy proste, mogą wykazywać zaskakującą złożoność, nie poddającą się tradycyjnej analizie. Przykładem może być oddziaływanie grawitacyjne, niby opisane dość dokładnie jeszcze przez Newtona. Newtonowskie prawa grawitacji i ruchu ciał pozwalają nam opisać trajektorię, na przykład Księżyca wokół Ziemi, z wystarczającą dokładnością, aby skutecznie wysłać tam statek kosmiczny, który potrafi też nieomylnie wrócić na Ziemię. Kiedy jednak wprowadzimy do takiego układu grawitacyjnego trzecie ciało, to problem nabiera zgoła innego charakteru.

Powszechnie przypisuje się Henri Poincaré, francuskiemu genialnemu XIX-wiecznemu myślicielowi, że zapoczątkował tę dziedzinę — analizę chaosu — poprzez odkrycie, że długoterminowe zachowanie trzech ciał było nieskończenie bardziej złożone, niż oczekiwano i prowadzi do zachowań właśnie chaotycznych.

Chaos, wbrew powszechnej opinii, to nie jest po prostu "wielki bałagan". W nauce, pojęciem chaotycznych określa się systemy polegające na dużej wrażliwości rozwiązań na bardzo małe zaburzenie parametrów początkowych. Ale są to nadal systemy o charakterystykach dających się opisać matematycznie, choć nie w tradycyjny sposób.

Sposoby na systemy złożone

Wszystkie naukowe i matematyczne modele są pewnymi przybliżeniami do rzeczywistości, uproszczeniami. Wszystkie przybliżenia, czy to matematyczne, czy obliczenia numeryczne przy pomocy komputerów, obowiązują tylko w określonych granicach. Sztuką w nauce jest dokonywanie racjonalnych przybliżeń. Rygor naukowy polega na dokładnym poznaniu okoliczności, kiedy dany model przestaje mieć zastosowanie.

Współczesne badania systemów złożonych wywodzą się z mechaniki statystycznej opracowanej w drugiej połowie XIX wieku przez Jamesa C. Maxwella, Ludwiga Boltzmanna i J. Willarda Gibbsa. Metody statystyczne były niezbędne do opisu układów, takich jak gazy lub ciecze, które składają się z dużej liczby cząstek. Metoda musiała uwzględniać losowe ruchy cząstek, więc podstawową ideą było obliczenie średniego efektu cząstek zamiast badania każdej cząstki osobno. Na przykład temperatura w gazie jest miarą średniej wartości energii cząstek gazu.

Mechanika statystyczna była wielkim sukcesem, ponieważ zapewniła wyjaśnienie w skali mikroskopowej makroskopowych właściwości gazów i cieczy, takich jak temperatura i ciśnienie. Jednak kiedy przypatrzeć się bliżej, tradycyjne statystyczne metody zawodzą.

Cząsteczki w gazie można w uproszczeniu uznać za maleńkie kulki, krążące z prędkością rosnącą wraz ze wzrostem temperatury. Gdy temperatura spada lub wzrasta ciśnienie, kulki najpierw kondensują się w ciecz, a następnie w ciało stałe. Ta bryła jest często kryształem, w którym kulki są ułożone w regularny wzór. Jeśli jednak ta zmiana nastąpi szybko, kulki mogą tworzyć nieregularny wzór, który nie zmienia się, nawet jeśli ciecz jest dalej chłodzona lub ściskana. Jeśli eksperyment zostanie powtórzony, kulki przyjmą nowy wzór. I tu powstaje pytanie: Mimo że zmiana zachodzi dokładnie w ten sam sposób, dlaczego wyniki są wtedy różne?

Na ratunek, Giorgio Parisi

Giorgio Parisi urodził się w Rzymie w 1948 r. Doktorat uzyskał w 1970 r. na uniwersytecie La Sapienza, gdzie do dziś pozostaje profesorem. Jako badacz teoretyczny, zdaniem komitetu noblowskiego, znalazł w pozornym chaosie porządek, wzorce, które pozwalają zrozumieć zachowanie rozmaitych obiektów fizycznych.

Giorgio Parisi (Źródło: Wikipedia)

Około 1980 roku, Giorgio Parisi odkrył ukryte wzory w nieuporządkowanych, złożonych materiałach i przedstawił swoje odkrycia dotyczące pozornie przypadkowych zjawisk, które jednak rządzą się ukrytymi regułami. Jego odkrycia należą do najważniejszych przyczynków do teorii systemów złożonych. Pozwalają zrozumieć i opisać wiele różnych i pozornie całkowicie przypadkowych materiałów i oddziaływań, nie tylko w fizyce, ale także w innych, bardzo różnych dziedzinach, takich jak matematyka, biologia, neuronauka i uczenie maszynowe.

Prowadził on badania nad tak zwanym szkłem spinowym, czyli materiałem, w którym spiny (momenty magnetyczne) wymykają się spodziewanemu uporządkowanemu układowi.

Szkło spinowe i frustracja

Tematem oryginalnej pracy Parisiego było szkło spinowe, czyli specjalny rodzaj stopu metali, w którym atomy żelaza są losowo mieszane w siatkę atomów miedzi.

Żelazo, to materiał magnetyczny, mający tendencję do przewidywalnego ustawiania się w polu magnetycznym. Chociaż atomów żelaza w szkle spinowym jest niewiele, zmieniają one właściwości magnetyczne materiału w radykalny i bardzo zagadkowy sposób. Każdy atom żelaza zachowuje się jak mały magnes lub spin, na który mają wpływ inne znajdujące się w jego pobliżu atomy żelaza. W zwykłym magnesie wszystkie spiny są skierowane w tym samym kierunku, ale w szkle spinowym są one "sfrustrowane": niektóre pary spinowe chcą wskazywać w tym samym kierunku, a inne w przeciwnym – jak więc znaleźć optymalną orientację?

Optymalne ustawienie się ich w materiale wydaje się początkowo zależeć od przypadku. W sytuacji drobnego naruszenia istniejącego porządku, prowadzi 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, w którym spiny magnetyczne osiągają stabilne ułożenie.

We wstępie do swojej książki Parisi pisze, że studiowanie szkła spinowego jest jak oglądanie ludzkich tragedii w sztukach Szekspira. Jeśli chcesz zaprzyjaźnić się z dwiema osobami jednocześnie, ale oni się nienawidzą, może to być frustrujące. Tym bardziej ma to miejsce w przypadku klasycznej tragedii, w której na scenie spotykają się zarówno silnie emocjonalni przyjaciele, jak i wrogowie. Jak wtedy zminimalizować ogólne emocjonalne napięcie w pomieszczeniu?

Szkła spinowe i ich egzotyczne właściwości stanowią model wyjściowy dla innych złożonych systemów. W latach 70-tych ubiegłego stulecia wielu fizyków, w tym kilku laureatów Nagrody Nobla, szukało sposobu na opisanie tajemniczych właściwości szkieł spinowych i innych materiałów sfrustrowanych, jednak możliwości obliczeniowe ówczesnych komputerów sprawiały, że badania te były trudne a obliczenia przeprowadzane "na siłę" — niewykonalne.

W 1979 roku Parisi dokonał decydującego przełomu, kiedy zademonstrował, w jaki sposób pewna matematyczna sztuczka może być genialnie wykorzystana do rozwiązania problemu ze szkłem spinowym. Odkrył ukrytą strukturę i znalazł sposób na matematyczne opisanie jej. Minęło wiele lat, zanim jego rozwiązanie zostało udowodnione matematycznie, ale od tego czasu jego metoda znalazła zastosowanie w wielu nieuporządkowanych systemach i stała się podstawą teorii systemów złożonych.

Rozwój nauki o układach złożonych

Parisi stał się mistrzem w odpowiadaniu na pytania dotyczące wielu różnych materiałów i zjawisk takich, jak materiały ziarniste, np. żwir i piasek, które są przykładami sfrustrowanych systemów, w których różne składniki muszą układać się w sposób będący kompromisem między siłami przeciwdziałającymi. Jego fundamentalne odkrycia dotyczące budowy szkieł spinowych były tak głębokie, że wpłynęły nie tylko na fizykę, ale także na matematykę, biologię, neuronaukę i uczenie maszynowe, ponieważ wszystkie te dziedziny obejmują problemy bezpośrednio związane ze zjawiskiem frustracji układu.

Parisi badał również wiele innych zjawisk, w których procesy losowe odgrywają decydującą rolę w tworzeniu i rozwoju struktur, oraz odpowiadał na pytania takie jak: Dlaczego okresowo powracają epoki lodowcowe? Czy istnieje bardziej ogólny matematyczny opis chaosu i systemów turbulentnych? Albo jak zachowują się jednostki w stadzie tysięcy szpaków? To ostatnie pytanie może wydawać się dalekie od zagadnień szkła spinowego, jednak większość badań Parisiego dotyczyła tego, w jaki sposób proste zachowania indiwidualne prowadzą do złożonych zachowań zbiorowych i dotyczy to zarówno szkła spinowego, jak i właśnie stada szpaków.

Parisi przyłożył się 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.

Temat tegorocznej Nagrody Nobla z fizyki i pozostałych laureatów będzie kontynuowany w następnym artykule.




Źródła/Bibliografia:

  1. The Nobel Prize in Physics 2021 The Nobel Prize Committee (nobelprize.org), Press release, 5 October 2021
  2. They found hidden patterns in the climate and in other complex phenomena, The Nobel Prize in Physics 2021, Popular-science explanation
  3. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2021 The Royal Swedish Academy of Science, 5 October 2021
  4. Natura jest zawiła, a za prace nad tego zrozumieniem jest Nobel z Fizyki 2021, benchmark.pl, 5 października 2021
  5. Wyjaśniamy, za co przyznano Nagrodę Nobla z fizyki, onet.pl Wiadomości, 5 października 2021
  6. Poznaliśmy laureatów Nagrody Nobla 2021 z fizyki, Dziennink Naukowy, 5.10.2021
  7. Nagroda Nobla z Fizyki 2021, Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, Aktualności, 5.10.2021
  8. Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2021, Komentuje Prorektor Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu prof. Michał Banaszak, YouTube, 6 października 2021
  9. Announcement of the 2021 Nobel Prize in Physics, Nobel Prize, YouTube, Oct 5, 2021
  10. Two EU-backed scientists win the 2021 Nobel Prize in Physics, CORDIS, European Commission, 8 October 2021

Tegoroczna prestiżowa nagroda Nobla z fizyki przypadła trójce wybitnych uczonych. Połowę (50%) nagrody przyznano słynnemu brytyjskiemu fizykowi Sir Rogerowi Penrose'owi z Uniwersytetu w Oxfordzie. Jest to o tyle ciekawe dla nas, że naukowiec ten ostatnio współpracuje blisko z Polakami. Pozostałą część nagrody (a więc po 25%) podzielono równo pomiędzy dwoje astrofizyków związanych z Kalifornijskim Uniwersytetem w Berkeley: Reinharda Genzela oraz Andreę Ghez.

Czytaj dalej...
Historia Nagrody Nobla
Andrzej (Andrew) Woźniewicz

Alfred Bernhard Nobel, szwedzki wynalazca i fundator słynnych nagród swego imienia, był postacią raczej kontrowersyjną. Był samotnikiem, prowadzącym życie w odosobnieniu, dużo podróżującym, który nigdy się nie ożenił i miał raczej niewiele przyjaciół, a z rodziną utrzymywał bardzo chłodne kontakty. Politycznie konserwatywny, był na przykład przeciwny dopuszczeniu kobiet do głosowania, niespecjalnie był lubiany jako menadżer. Gdy kiedyś poważnie zachorował, jedyną osobą, która go odwiedziła był jego pracownik. Mieszkał w hotelach i w swoich laboratoriach, przez co Wiktor Hugo przypisał mu miano "najbogatszego włóczęgi Europy".

Czytaj dalej...