Премия перемен: чем важны открытия, за которые дали Нобелевку по физике
Нобелевская премия по физике в 2021 году была присуждена за моделирование сложных систем. Первую ее часть получили двое ученых, сделавших прорывные исследования в области моделирования климата. Благодаря им удалось разработать прогностические модели, на основе которых можно предсказывать изменения климата и пробовать их предотвратить. Вторая половина премии досталась физику-теоретику, описавшему состояние на границе хаоса и порядка. Благодаря его открытию люди приблизились к пониманию того, как из простых молекул могла возникнуть жизнь. «Известия» пообщались с экспертами, чтобы понять значимость удостоенных премии открытий.
Пионеры в климате
В 2021 году Нобелевский комитет поделил премию по физике на две части. Первая половина досталась Сюкуро Манабэ и Клаусу Хассельману «за физическое моделирование климата Земли, количественной оценки изменчивости и надежного прогнозирования глобального потепления». Любопытно, что премию дали за работы, которые были выполнены полвека назад. Родившийся в Японии в 1931 году Сюкуро Манабэ — японско-американский климатолог, он стал пионером компьютерного моделирования климатических изменений, в частности, глобального изменения климата.
Сюкуро Манабэ был во главе команды, которая продемонстрировала, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли. В 1960-х годах он руководил разработкой физических моделей климата Земли и был первым человеком, исследовавшим глобальные модели климата, — например, взаимодействия атмосферы и океана. Он предсказал возможность повышения температуры на 2 градуса в случае увеличения содержания парниковых газов вдвое.
Сюкуро Манабэ
Примерно 10 лет спустя Клаус Хассельман, родившийся в 1931 году в Германии, создал модель, которая связывает воедино погоду и климат. Так он доказал, что климатические модели могут быть надежными, хотя погода изменчива.
Ученый смог отделить быстрые изменения погоды, которые идут на уровне дней, от медленных, таких как трансформация климата. Таким образом, стало возможно дать надежное предсказание вероятностей изменения климата, а также доказать определяющее влияние антропогенного фактора.
— С работами первых двух лауреатов связаны пионерские результаты в области климатического моделирования, — отметил научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и заведующий кафедрой физики атмосферы МГУ Игорь Мохов. — Они работали в разных областях. Клаус Хассельман — в области исследования стохастических процессов в земной климатической системе с более быстрыми процессами в атмосфере и более инерционными — в океане. Он впервые применил методы, связанные с теорией броуновского движения, для моделирования климатической изменчивости. С Сюкуро Манабе связаны разработка радиационно-конвективных моделей климата и развитие глобальных климатических моделей общей циркуляции атмосферы и океана с оценкой влияния антропогенных воздействий.
Как отметил ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров, изменения различных физических величин или параметров климатической системы могут кардинально изменить ее динамическое поведение — например, перебросить климат от теплого к холодному.
— Поэтому анализ нелинейной динамики с учетом таких «шумов», которым занимался Клаус, важен для понимания эволюции любой нелинейной динамической системы, в том числе и климатической, — пояснил эксперт.
Если рассматривать, например, замерзание и таяние льдов в Арктике и Антарктике, с помощью подобных моделей возможно спрогнозировать то, как будет изменяться ледяной покров в дальнейшем, отметила научный сотрудник НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» НЦМУ СПбПУ Анастасия Кондратьева.
Клаус Хассельман
— Если мы наблюдаем глобальное потепление и тренд на повышение температуры, значит, необходимо предпринимать какие-то шаги, чтобы «уничтожить» этот тренд, иначе через условные 20 лет повышение температуры приведет к тому, что растают все ледники, — сказала эксперт.
Сейчас глобальные изменения климата, о которых уже не первое десятилетие ведутся научные дискуссии, приобрели очень серьезный политический и экономический аспект, подчеркнул исполнительный директор научно-технического центра мониторинга окружающей среды и экологии МФТИ Александр Родин.
— Нам крайне необходимо наращивать компетенции в этой сфере, в том числе и в моделировании, и в диагностике, и, возможно, в управлении климатом, которое станет глобальной индустрией будущего, — сказал эксперт.
Порядок и хаос
Вторую часть премии жюри присудило итальянскому физику-теоретику Джорджио Паризи — «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомов до планетарных масштабов». Труды ученого в основном посвящены квантовой теории поля, статистической механике и сложным системам.
— Это не одна работа, а огромный массив работ от теории элементарных частиц до статистической физики, — подчеркнул профессор БФУ им. И. Канта, доктор физико-математических наук Артем Юров. — Благодаря Джорджо Паризи мы весьма продвинулись в понимании универсальных закономерностей, действующих в сложных, неупорядоченных системах.
Руководитель Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах ИТМО Иван Иорш рассказал, что Паризи был известен своими пионерскими работами в области физики стекол. Это не те стекла, которые стоят в окнах. Это объекты, которые находятся на границе между абсолютным порядком (как в кристаллах) и беспорядком (как в жидкости). Паризи смог сформулировать описание этого состояния — он описал, что происходит, когда на систему действуют две эти силы — порядок и хаос.
Джорджио Паризи
— Оказывается, что на границе — некое устойчивое состояние, хоть и называющееся критическим, — пояснил Иван Иорш. — И в природе такие пограничные состояния возникают повсеместно — начиная с планетарных систем и скоплений звезд, заканчивая атомными системами. По сути, благодаря работе Паризи люди приблизились к пониманию того, как из простых вещей могут возникать сложные. В частности, это касается и того, как из простых органических молекул при их взаимодействии возникает жизнь.
С «Известиями» согласился поговорить научный руководитель лаборатории «Моделирование и разработка новых материалов» НИТУ «МИСиС», академик Шведской Королевской академии наук, профессор теоретической физики университета Линчепинга Игорь Абрикосов. Он принимал участие в утверждении сегодняшнего решения.
— С моей точки зрения, очень важно понимать, что это премия именно по физике и физике сложных систем, — сказал эксперт. — Их можно объединить тем, что как теория, которую разработал Джорджио Паризи, так и моделирование климата — исключительно сложные с точки зрения физики задачи. Это объединяет обе работы.
Ученый добавил: гений Джорджио Паризи позволил дать математическое решение подобным задачам. Эта методика используется не только для описания узких моделей спинового стекла, но она используется также в теории нейронных сетей, в описании неупорядоченных лазеров и других неупорядоченных систем вплоть до моделирования систем планетарного масштаба.
