CAMBIO CLIMÁTICO

Por qué los Premios Nobel de Física se otorgan a la ciencia del clima y los sistemas complejos

Es una ironía subestimada que hablar de sistemas complejos sea difícil. «No existe una definición clara de sistemas complejos», dijo el físico Kunihiko Kaneko de la Universidad de Tokio. «Pero en términos generales, hay muchos elementos que interactúan y tienden a exhibir un comportamiento caótico o dinámico».

Este año, por primera vez, premio nobel de fisica Otorgado explícitamente por la investigación sobre sistemas complejos, incluido el cambio climático. La mitad del premio fue para Syukuro «Suki» Manabe de la Universidad de Princeton y Klaus Hasselmann del Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania, «por el modelado físico del clima de la Tierra, la cuantificación de la variabilidad y la predicción confiable del calentamiento global». Parisi, que asistió a la mitad a la Universidad Sapienza de Roma, «descubrió la interacción del desorden y la fluctuación en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria».

Para quienes trabajan en campos desatendidos, este reconocimiento es muy significativo. “Estaba tan conmovido, casi lloré, porque pensé que era realmente un gran momento”, dijo el físico Marc Mezard, decano de la Ecole Normale Supérieure en París, Francia, y colega de Parisi Mézard). Los científicos del clima tienen pensamientos similares sobre el premio. «En todo caso, sería necesario desde hace mucho tiempo», dijo Shangping Xie, oceanógrafo de la Institución Scripps de Oceanografía en San Diego.

Desafortunadamente, el Comité Nobel de Física ha agrupado investigaciones aparentemente no relacionadas bajo el vago paraguas de sistemas complejos, confundiendo a muchos observadores y dando lugar a comentarios como «Premio Nobel de Física por su trabajo sobre el cambio climático y otras fuerzas. Vincular estos hallazgos dispares no estaba claro al principio, pero una mirada más cercana revela algunas conexiones, sobre los objetivos de la ciencia y cómo los científicos resuelven problemas aparentemente intratables.

A lo largo de gran parte de los siglos XIX y XX, los físicos obtuvieron una mayor comprensión de los micro y macrosistemas complejos llenos de movimiento y desorden aleatorios. Las herramientas que desarrollaron, muchas de las cuales siguen siendo utilizadas por Manabe, Hasselmann, Parisi y sus colegas, tienen una amplia gama de aplicaciones, desde calcular cuánta energía solar absorbe la Tierra hasta describir el movimiento de diminutas partículas de polen en el agua, para explorar el material teórico del magnetismo.

Esta conexión también tiene un elemento filosófico. El Comité Nobel de Física concluyó al finalizar su artículo sobre el contexto científico del Premio de Física 2021:

No podemos comprender el comportamiento de ningún sistema sin investigar sobriamente los orígenes de la variabilidad. Por lo tanto, solo después de considerar estas fuentes podemos comprender que el calentamiento global es real y puede atribuirse a nuestras propias actividades, y que una gran cantidad de fenómenos que observamos en la naturaleza provienen de perturbaciones subyacentes, mientras que aceptar el ruido y la incertidumbre es esencial. emprender un camino predecible.

Si eso sigue siendo insatisfactorio, vale la pena considerar que el comité en sí mismo es un sistema complejo, plagado de incertidumbre y desorden.

vidrio roto

En los primeros días de la mecánica cuántica en la década de 1920, los físicos desarrollaron un modelo simple para describir imanes como los que pegamos hoy en nuestros refrigeradores. En este «modelo de Ising», el imán consta de una red de átomos, cada uno de los cuales se comporta como un pequeño imán, orientado hacia arriba o hacia abajo. Si todos los imanes atómicos están alineados en una dirección, forman un ferroimán. Si alternan direcciones, forman un antiferromagneto.

Pero la naturaleza almacena más que solo dos fuerzas magnéticas. En 1975, después de descubrir que varias aleaciones de metal tenían un comportamiento magnético extraño, los difuntos teóricos Philip Anderson y Sam Edwards propuso un nuevo tipo de imán Algunos de estos pares tienen imanes atómicos alineados, mientras que otros están aleatoriamente antialineados. Llamaron a este nuevo tipo de imán «vidrio giratorio» porque se cree que la orientación desordenada del comportamiento magnético se asemeja a la de los cristales de vidrio.

Considere un conjunto de tres imanes atómicos en un triángulo: si los imanes adyacentes deben estar antialineados, dos pueden satisfacer la condición, pero el tercero está en un estado indeterminado. Esta situación imposible significó que el vidrio giratorio estaba «frustrado» y carecía de una forma clara de encontrar el orden. El desorden inherente puede exhibir estados infinitos que son casi impredecibles, por lo que los físicos recurrieron a calcular las propiedades de los vidrios giratorios promediando muchas copias del sistema: el llamado truco de replicación.

«Resultó violar varios principios termodinámicos», dijo el físico de la Universidad de Nueva York, Daniel Stein. “Claramente, esta no es la solución correcta.” El problema es que las copias no son iguales. Su simetría o identidad se rompe.

1979 El avance de Parisi Tiene «ruptura de simetría de replicación». Las matemáticas son divertidas, por lo que Stein usa un ejemplo de física: imagina que tienes una cadena de proteínas en solución. Cuando baja la temperatura, la misma proteína se congela y cristaliza en una multitud de «estados fundamentales» o configuraciones, cada una ligeramente diferente de las demás. Curiosamente, los cálculos de Parisi tienen sentido dado que el estado fundamental infinito del vidrio giratorio es válido.

«Entonces la gente se emociona mucho», dijo Stein. «¿Resuelve esto el problema de los sistemas desordenados?» Los investigadores de otras disciplinas (ciencias de la computación, neurociencia e incluso biología evolutiva) encuentran convincente la solución de Parisi porque propone una forma rigurosa y novedosa de pensar sobre las muchas configuraciones de los sistemas desordenados. Por ejemplo, da una nueva mirada a los problemas de optimización como el problema del viajante de comercio y la ciencia de la conectividad neuronal.

La solución es un ejemplo de clasificación de desordenado. «[Spin glass] Sea lo más aleatorio posible. Sin embargo, hay un orden a partir de esto que no creo que nadie hubiera adivinado», dijo Stein. Los estados fundamentales son todos diferentes, pero están conectados entre sí de manera ordenada porque todos provienen de un estado de energía superior. descendido

Parisi no cerró el libro sobre el vidrio giratorio, y quedan muchas preguntas sobre sus propiedades, incluso sobre qué tan bien funciona la ruptura de la simetría de replicación fuera de las ecuaciones idealizadas y en el mundo real.

caos climático

Nuestro mundo no solo es desordenado, sino caótico. Pequeños cambios en las condiciones iniciales de un sistema, como el clima, pueden tener efectos profundos. En el famoso adagio sobre el efecto mariposa, el aleteo de una mariposa en África, por ejemplo, puede afectar aerodinámicamente la formación de huracanes, como el Océano Atlántico.

«[Manabe] Formado como meteorólogo”, dijo Tony Broccoli, científico atmosférico de la Universidad de Rutgers. “Está pensando en estos sistemas complejos. Cuando Manabe comenzó a trabajar en el modelado climático en la década de 1960, tuvo que trabajar para reducir muchos de estos sistemas a algo que las computadoras pudieran manejar en ese momento.

Manabe y Richard Wetherald en 1967 Publicó el primer modelo de computadora. La sensibilidad del clima a las fluctuaciones en los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera, el culpable del calentamiento global provocado por el hombre. Para aproximarse al clima, modelaron una sola columna de aire y observaron cómo la convección cuenta la historia del cambio de temperatura.

«Solo pensando en el balance de energía en la superficie de la Tierra, obtienes muchos resultados engañosos», dijo Broccoli. “Por lo tanto, es importante tener en cuenta toda la columna de aire para obtener la respuesta correcta.” Manabe y Wetherald predijeron a través de su modelo simple que duplicar la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera elevaría la temperatura global en 2,4 grados centígrados. Aunque es un modelo limitado sin mecanismos de retroalimentación complejos, como los de la nube, sus respuestas son muy similares a las predicciones modernas hechas a través de métodos más sofisticados.

Unos años más tarde Manabe lanzó El primer modelo global computarizado Las aplicaciones al clima de la Tierra van mucho más allá de la sensibilidad al dióxido de carbono y se han utilizado para predecir fenómenos como El Niño.

Manabe trabaja para minimizar el impacto del clima ruidoso en los modelos climáticos, y Hasselmann destaca ese ruido. Se inspiró en parte en el trabajo del botánico escocés del siglo XIX Robert Brown, quien en 1827 informó sobre la extraña danza de los granos de polen en gotas de agua inmóvil observadas a través de un microscopio. Ochenta años después, Albert Einstein proporcionó un mecanismo para este «movimiento browniano»: aunque el agua es superficialmente estacionaria, debido a innumerables colisiones aleatorias con átomos y moléculas, se mueve. Sigue empujando las bolitas de un lado a otro.

Hasselman se preguntó si el clima era un poco como esos granos de polen y el clima un poco como átomos continuos. Si esto es cierto, entonces el clima tiene una variación interna debido al clima aleatorio, independiente de cualquier fuerza externa, como los rayos cálidos del sol. 1976 espectáculos de hasselman El clima responde a cambios aleatorios. De manera crucial, su trabajo ayuda a los científicos del clima a caracterizar el verdadero alcance del calentamiento antropogénico al tener en cuenta el cambio climático natural.

«Si no entiendes la variabilidad interna, es difícil decir que entiendes cómo está cambiando el clima», dijo Jin-Song von Storch, científico climático del Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania.

Los efectos de esta intravariabilidad pueden ser grandes: Xie estima que los cálculos del calentamiento podrían desviarse hasta en un 25 por ciento en algunos casos sin tener en cuenta la variabilidad que el trabajo de Hasselman ayuda a limitar.

testamento de alfred nobel Afirmó que sus premios deben otorgarse a aquellos que «sirven a los mejores intereses de la humanidad». Además de centrarse en hombres blancos, europeos y estadounidenses, la mayoría de los Premios Nobel de física del siglo pasado han premiado avances, como el descubrimiento de la energía oscura o el bosón de Higgs, que nos han informado profundamente. universo, pero no proporciona casi ninguna información. de cualquier valor práctico aparente.

El anuncio de este año apunta a otra posibilidad. “Para mí, aplicar la física a los mejores intereses de la humanidad es fundamental”, dijo Xie.

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