Благодаря Сюкуро Манабе и Клаусу Хассельману мы многое узнали о поведении климата и погоды, в частности, о глобальном потеплении. А Джорджо Паризи объяснил, как случайные явления управляются скрытыми правилами.

Нобелевская премия по физике 2021 года вручена «За новаторский вклад в наше понимание сложных физических систем». Половину премии поделили Сюкуро Манабе (Принстонский университет, США) и Клаус Хассельман (Институт метеорологии Макса Планка, Германия) «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надёжное прогнозирование глобального потепления». Другая половина премии была присуждена Джорджо Паризи (Римский университет, Италия) «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов».

Графики показывающие увеличение температуры при повышении содержания углекислого газа. По вертикали отложена высота, по горизонтали температура. (Источник Нобелевский комитет).

Выявление влияния человека на колебания температуры атмосферы (по вертикали). По горизонтали отложены годы наблюдения. Чёрная линия – наблюдения, синяя – естественные причины (например, извержения вулканов), красная – антропогенные факторы. (Источник Ноб

Структура спинового стекла: красным показаны атомы железа, зелёным – атомы меди (Источник Нобелевский комитет).

Лауреаты 2021 года получили Нобелевскую премию по физике за исследования сложных хаотических, случайных явлений. Сюкуро Манабе и Клаус Хассельманн заложили основу наших знаний о климате Земли и о том, как человечество влияет на него. А Джорджио Паризи награждён за революционный вклад в теорию неупорядоченных материалов и случайных процессов в них.

Все сложные системы состоят из множества взаимодействующих частей. Они изучаются физиками уже в течение нескольких столетий. Проблема заключается в том, что их сложно описать математически — они могут иметь огромное количество компонентов и вести себя случайным, труднопредсказуемым образом. В случае, скажем, погоды небольшие отклонения от начальных значений приводят к огромным различиям на более поздних этапах. Все лауреаты этого года внесли значимый вклад в углубление наших знаний о таких системах и их долгосрочном развитии. Они предложили новые методы их описания и прогнозирования поведения в долгосрочной перспективе.

Одной из таких сложных систем, имеющих жизненно важное значение для человечества, является климат Земли. Сюкуро Манабэ продемонстрировал, 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 взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс из-за конвекции с учётом скрытой теплоты водяного пара. Его работа заложила основу для разработки современных климатических моделей.

Шестьдесят лет назад компьютеры были в сотни тысяч раз медленнее, чем сейчас, поэтому модель Манабе была относительно простой. Он свёл задачу к одному измерению и рассмотрел вертикальный столб в атмосфере высотой 40 километров. Но даже в этом случае потребовались сотни ценных вычислительных часов, чтобы проверить модель, варьируя содержание газов в атмосфере.

Несмотря на простоту модели, Манабе правильно понял ключевые принципы. Расчёты подтвердили, что нагревание атмосферы действительно было связано с увеличением содержания углекислого газа. Они предсказывали повышение температуры ближе к земле, в то время как верхние слои атмосферы становились холоднее. Именно так и было в реальности. Если бы вместо этого за повышение температуры были ответственны изменения в солнечной радиации, то вся атмосфера должна была бы нагреваться одновременно. Идеи одномерной модели привели в итоге к созданию трёхмерной модели климата, которую Манабе опубликовал в 1975 году. Это была важная веха на пути к пониманию секретов климата.

Несколько позже Клаус Хассельман сумел создать модель, которая связала воедино погоду и климат, тем самым отвечая на вопрос, почему климатические модели могут быть надёжными, несмотря на то, что погода изменчива и хаотична. Быстрые и случайные погодные изменения очень сложны для расчётов, на них влияет множество факторов. На практике проблемы с прогнозированием погоды отчасти связаны с тем, что невозможно достаточно точно указать температуру, давление, влажность или ветровые условия для каждой точки атмосферы. Кроме того, уравнения, используемые для моделирования, нелинейны. Это приводит к тому, что небольшие отклонения в исходных значениях могут обуславливать совершенно различные изменения погодной системы. Примерно в 1980 году Клаус Хассельман продемонстрировал, что хаотически меняющиеся погодные явления можно описать как быстро меняющийся шум, тем самым поставив долгосрочные прогнозы климата на прочную научную основу.

После того, как модель климатических изменений была закончена, Хассельман разработал методы определения антропогенного воздействия на климатическую систему. Он понял, что изменения солнечной радиации, вулканических частиц или уровней парниковых газов оставляют уникальные следы, своего рода отпечатки пальцев, которые можно отделить. Этот метод определения «отпечатков пальцев» также может быть применён и к влиянию человека на климатическую систему. В частности, его методы были использованы, чтобы доказать, что повышение температуры в атмосфере вызвано именно выбросами углекислого газа человеком.

Эти открытия демонстрируют, что наши знания о климате опираются на прочную научную основу, основанную на строгом анализе наблюдений.

Третий лауреат, Джорджио Паризи, примерно в 1980 году представил своё открытие того, как случайные явления в неупорядоченных материалах управляются скрытыми правилами. Первая работа Паризи в этом направлении относилась к так называемым спиновым стёклам. Это особый тип металлического сплава, в котором, например, атомы железа случайным образом перемешаны в сетке атомов меди. Несмотря на то, что атомов железа мало, они меняют магнитные свойства материала радикальным и очень загадочным образом. В 1970-х годах многие физики, в том числе даже несколько лауреатов Нобелевской премии пытались понять это явление. Но именно Паризи нашёл способ описать его математически. Теперь его работы считаются одним из самых важных вкладов в теорию сложных систем. Они позволяют понять и описать множество различных случайных явлений не только в физике, но и в других, очень разных областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение.

Позднее Паризи изучил множество явлений, в которых случайные процессы играют решающую роль в том, как создаются структуры и как они развиваются. Он занимался проблемами, на первый взгляд, далёкими от спинового стекла. Почему периодически повторяются ледниковые периоды? Есть ли общее математическое описание хаоса и турбулентных систем? Как возникают закономерности в щебетании тысяч скворцов?..  Однако сам Паризи как-то сказал, что большая часть его исследований посвящена тому, как простое поведение порождает сложное коллективное поведение, и это относится как к стеклу, так и к скворцам.

По материалам Нобелевского комитета.