Вызов разуму: Нобелевскую премию по физике присудили за изучение сложности

5 октября были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике в 2021 году. Половину призовой суммы в 10 млн шведских крон (около $1,14 млн) разделят между собой американский ученый японского происхождения Сюкуро Манабе и германский исследователь Клаус Хассельман. Согласно официальной формулировке, они удостоены награды за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку его изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления. Вторая половина премии достанется итальянскому физику Джорджо Паризи за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов.

Погода в доме

Сегодня практически все профессиональные климатологи согласны с тем, что на планете идет глобальное потепление и причина его — выбросы углекислого газа из-за сжигания ископаемого топлива. Но путь к этому знанию был долгим и трудным. Климат — сложная система с множеством влияющих друг на друга факторов. Моделировать его очень непросто. Сюкуро Манабе — один из пионеров этих исследований.

В начале 1960-х годов Манабе разработал модель, которая связывала количество солнечных лучей с конвекцией в атмосфере Земли. Что это такое? Воздух очень прозрачен, поэтому солнечные лучи проходят сквозь него, практически не нагревая. Зато они нагревают поверхность Земли, а уж от контакта с ней нагреваются воздушные массы. Теплый воздух легче холодного и поэтому поднимается вверх, вытесняя с большой высоты прохладный воздух. Тот опускается к поверхности Земли и в свою очередь нагревается от нее. В то же время ранее нагретый воздух, поднявшийся высоко над Землей, успевает остыть. Получается круговорот, в котором воздушные массы движутся вверх и вниз. Он и называется конвекцией.

Тогда же Манабе исследовал роль парниковых газов — углекислого газа, метана и озона. Физик продемонстрировал, что атмосфера должна разогреваться парниковым эффектом. Нагретая Солнцем поверхность Земли испускает инфракрасные волны, которые легко проходят через обычный воздух, но поглощаются парниковыми газами. Те передают поглощенное тепло окружающему воздуху и тем самым нагревают его.

В конце 1960-х годов будущий лауреат и его коллеги начали моделирование глобальной циркуляции воздуха, воды и тепла в системе «атмосфера — океан — суша». Эта прорывная работа была опубликована в 1975 году и заложила основы современных климатических моделей. Наработки Манабе стали мощным инструментом для исследования климатических перемен, как современных, так и происходивших в далеком прошлом.

Клаус Хассельман также занимался исследованиями климата. Он ответил на два вопроса, которые и поныне задают скептически настроенные непрофессионалы, не подозревая, что климатологам давно известен ответ. Во-первых, как можно предсказывать поведение климата на сотни лет вперед, когда и прогноз погоды на ближайшую неделю не всегда оказывается точным? Во-вторых, почему мы возлагаем вину за глобальное потепление на человечество, если климат нашей планеты много раз менялся задолго до появления человека?

Прогнозировать погоду на много дней вперед действительно трудно, и тому есть веские причины. Никакую физическую величину невозможно измерить абсолютно точно, у любого прибора есть некоторая погрешность. Физик, измеривший скорость автомобиля, должен сказать не «она равна 60 км/ч», а, например, «она равна 60 ± 0,5 км/ч». Оперируя данными, ученые обязательно учитывают, с какой погрешностью они известны. От этого зависит, с какой точностью будет получен результат расчетов.

Как правило, малая погрешность в исходных данных дает малую же погрешность в результате. Измерив скорость автомобиля с точностью до 0,5 км/ч, можно смело планировать поездку: вряд ли кого-то смутит опоздание на минуту-другую. Но так бывает не всегда. Есть процессы (они называются хаотическими), которые накапливают погрешность со временем, причем очень быстро (по экспоненте). В результате малейшая неточность в знании начальных условий приводит к тому, что через некоторое время мы вообще не имеем представления, где находится этот условный автомобиль.

Формирование погоды — это хаотический процесс. Вот почему прогноз на один-два дня обычно сбывается (погрешность еще не успела накопиться), а прогноз на месяц мало чем отличается от гадания на кофейной гуще. Но климат — это погода, усредненная за сотни, тысячи или даже миллионы лет. Хассельман показал, что на таких масштабах поведение атмосферы становится гораздо более предсказуемым. Климат на ближайшее столетие действительно легче спрогнозировать, чем погоду на неделю.

Также Хассельман разработал методы, которые позволяют отличить воздействие на климат природных процессов и человека. Благодаря этим инструментам мы точно знаем, что нынешнее глобальное потепление носит рукотворный характер. 

Язык сложности

Джорджо Паризи известен широтой научных интересов — они простираются от квантовой теории поля до поведения птиц в стаях. Дело в том, что на самом деле лауреата интересует вопрос, выходящий за рамки физики, биологии и других специализированных наук: взаимодействие порядка и хаоса в сложных системах.

Самая знаменитая работа Паризи посвящена изучению спиновых стекол. Так называются твердые немагнитные материалы, по которым редко и хаотично разбросаны магнитные атомы.

Спиновые стекла очень интересны исследователям, изучающим процессы в неупорядоченных системах. Дело в том, что хаос в них фиксированный, «застывший»: хаотично разбросанные магнитные атомы не перемещаются по веществу. Вместе с тем они взаимодействуют друг с другом, в том числе и на большом расстоянии, заставляя друг друга менять ориентацию магнитного поля. Получается, что в спиновом стекле динамичность (взаимодействие магнитных атомов), стабильность (их неподвижность) и случайность (расположение магнитных атомов) сбалансированы идеальным для исследователя образом. На примере спиновых стекол можно открывать законы, которые проявляются в других сложных системах, куда более трудных для изучения, например биосфере Земли.

Впрочем, исследовать даже эту простейшую из сложных систем — отнюдь не простое дело. В 1970-х годах физики изучали порядок, возникающий в спиновых стеклах при очень низких температурах, но получали противоречивые результаты. Паризи разработал новый и очень необычный математический аппарат, который позволил решить проблему. Это главный, хотя и далеко не единственный вклад лауреата в теорию сложных систем.

В дальнейшем оказалось, что разработанный Паризи математический язык позволяет понять и описать множество сложных явлений в таких на первый взгляд далеких друг от друга областях, как математика, биология, нейробиология и машинное обучение.