Физика
8 мин.

Климат, случайность и спиновые стёкла: за что присудили Нобелевскую премию по физике 2021 года

Сюкуро Манабэ, Клаус Хассельман, Джорджо Паризи

Сюкуро Манабэ, Клаус Хассельман, Джорджо Паризи

Почему два нобелиата-физика получат четверть суммы Нобелевской премии, а один - половину, как создавали современную климатологию, что такое спиновое стекло, и как оно помогло развитию нейробиологии и машинного обучения, читайте в материале, посвященном сегодняшним лауреатам.

Сегодня в Шведской королевской академии наук объявили лауреатов Нобелевской премии по физике 2021 года. В 120-й год существования премии ими стали Шукуро Манабэ и Клаус Хассельман, разделившие половину премии и Жоржио Паризи, получивший вторую половину. Как сказано в формулировке Нобелевского комитета, премия присуждена Манабэ и Хассельману «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценки изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления», Паризи «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов».

Как видно, в этом году Нобелевский комитет воспользовался правом наградить сразу два направления в науке. Так часто бывает, что сначала премия делится пополам, присуждаясь с двумя формулировками, а потом «половинка» - еще раз между двумя учеными. Так бывало не раз: например, в 2020 году или в 1978, когда наш Петр Капица получил половину премии за работы по низкотемпературной физике, а вторую половину совсем за другое разделили Арно Пензиас и Роберт Вильсон, случайно открывшие реликтовое излучение. Поэтому нам придется фактически написать две статьи.

Немного истории

Нужно сказать, что изучение климата как физического явление, попытки сосчитать энергетический баланс нашей планеты, начались задолго до лауреатов этого года. Примерно за полтора века до них.

Двести лет назад французский физик, математик и археолог Жозеф Фурье (тот самый, ряды которого помнят все студенты, зубрившие матан) изучал энергетический баланс между солнечным излучением, направленным на Землю, и излучением от Земли. Он понимал роль атмосферы в этом балансе; на поверхности Земли входящее солнечное излучение преобразуется в исходящее излучение – «темное тепло», – которое поглощается атмосферой, нагревая ее таким образом.

Важный вклад в климатологию внес и один из первых лауреатов премии по химии, Сванте Аррениус, соперник Менделеева (злые языки даже пишут, что именно он не позволил присудить нашему великому химию «нобелевку»). Вообще, этот многосторонний ученый (чего стоят его номинации на все три естественнонаучные нобелевские премии) пытался понять, как получилось так, что раньше на Земле были ледниковые периоды.

Он сумел понять физику, ответственную за парниковый эффект (сам термин предложил коллега и соотечественник Аррениуса Нильс Экхольм в 1901 году): Земля со средней температурой поверхности всего 15°C повторно излучает невидимое для нас инфракрасное излучение. Если бы атмосфера не поглощала это излучение, температура поверхности нашей планеты по расчетам Аррениуса, едва превышала бы -18°C.

Шведский ученый пришел к выводу, что если бы уровень углекислого газа в атмосфере снизился вдвое, этого было бы достаточно, чтобы Земля вступила в новый ледниковый период. И наоборот – удвоение количества углекислого газа повысило бы температуру на 5-6°C, результат, который, по чистой случайности, поразительно близок к текущим оценкам. Тем не менее, результат Аррениуса был именно случайностью. Для того, чтобы создать рабочую модель климата и парникового эффекта с хорошей предсказательной силой, потребовались работы лауреатов.

Манабэ и Хассельман: патриархи климатологии

Сюкуро «Суки» Манабэ – самый пожилой из лауреатов 2021 года (пока). Ему уже исполнилось 90 лет, а если считать от первой его крупной статьи по климату, которая вышла в 1961 году, то он становится самым большим «долгождателем» премии – ровно 60 лет (напомним, что «физическую» премию 2020 года получил Роджер Пенроуз за свою статью 1965 года, прождав 55 лет). Манабэ окончил Токийский университет, а в 1958 году иммигрировал в США, где годом позже стал сотрудником Лаборатории геофизической гидродинамики (Geophysical Fluid Dynamics Laboratory) в Принстоне.

Уже в 1961 году вышла первая важная работа Манабэ, а в 1967 году он вместе с Ричардом Ветеральдом (Wetherald) публикует, фактически, первую глобальную модель климата, статью «Тепловое равновесие атмосферы с заданным распределением относительной влажности» (Thermal equilibrium of the atmosphere with a given distribution of relative humidity. Это исследование стало крупным прорывом в науке.

Манабэ задался тем же вопросом, что и Аррениус, но подошел к решению задачи иначе. Он начал построение физических моделей, учитывающих вертикальный перенос воздушных масс за счет конвекции, а также скрытую теплоту водяного пара.

Чтобы сделать эти расчеты более-менее подъемными для мощностей того времени, Манабэ решил свести модель к одному измерению – вертикальному столбу на высоте 40 километров в атмосферу. Тем не менее, потребовались сотни вычислительных часов, чтобы протестировать модель, изменяя уровни газов в атмосфере. Изменение количества кислорода и азота в модели оказали незначительное влияние на температуру поверхности, в то время как двуокись углерода оказала явное влияние: когда уровень двуокиси углерода удвоился, глобальная температура планеты (в модели) повысилась более чем на 2°C.

Климатическая модель Манабэ

Климатическая модель Манабэ

В 1975 году Манабэ опубликовал более точную трехмерную модель климата.

Клаусу Хассельману, который моложе Манабэ всего на несколько месяцев, тоже пришлось побыть эмигрантом. В 1934 году, вскоре после прихода нацистов к власти, его семья уехала из Гамбурга в Англию, вернувшись только через девять лет после окончания Второй мировой войны. Хассельман окончил Гамбургский университет, а с 1975 года возглавил основанный им Институт метеорологии Макса Планка в своем родном городе, где и занялся интенсивными исследованиями климата.

Примерно через десять лет после работ Манабэ Хассельманну удалось связать воедино погоду и климат, найдя способ перехитрить быстрые и хаотичные изменения погоды, которые были так сложны для расчетов. Фактически, Хассельман следовал принципу Манабэ: природа всегда слишком сложна, нам нужно уметь правильно упрощать. «Вы не можете конкурировать со сложностью природы – в каждой капле дождя так много физики, что никогда не удастся вычислить абсолютно все», - говорил Манабэ, однако это не мешает нам описывать каплю воды.

В 1976 году в журнале Tellus была опубликована работа Хассельмана «Стохастические климатические модели. Часть 1. Теория», которая стала основой Хассельмановской модели климата, в которой «система с большой памятью (океан) интегрирует стохастическое воздействие, тем самым преобразуя сигнал белого шума в сигнал красного шума, тем самым объясняя (без особых предположений) повсеместные сигналы красного шума, наблюдаемые в климате».

Фактически, Хассельман описал климат, хаотично меняющиеся погодные явления, как быстро меняющийся шум. При этом слово «стохастический» означает то, что в модели есть элементы случайности. В своей теории Хассельман вдохновлялся теорией броуновского движения, созданной Альбертом Эйнштейном.

«Получение климатической модели на основе данных о шумной погоде можно проиллюстрировать, выгуливая собаку: собака бежит с поводка взад и вперед, из стороны в сторону и вокруг ваших ног. Как вы можете использовать следы собаки, чтобы увидеть, идете ли вы или стоите на месте? Или идете ли вы быстро или медленно? Следы собаки - это изменения погоды, а ваша прогулка - это рассчитанный климат. Можно ли вообще сделать выводы о долгосрочных тенденциях в климате, используя хаотичные и шумные данные о погоде?», - так описывает работы лауреата Нобелевский комитет.

Более того, в своих последующих работах Хассельман разработал методы определения воздействия человека на климатическую систему.

Хаос «от атомов до планеты»

Работы третьего лауреата, Джоджо Паризи, имеют очень широкое применение. При этом сам Паризи был и остается римлянином. Он окончил университет Сапиенца в Риме, и, несмотря на то, что был приглашенным профессором и в США, и во Франции, сейчас этот юный (по меркам Манабэ и Хассельмана) 73-летний профессор все еще занимает кафедру квантовой теории в Сапиенце.

Что же такого сделал Паризи, что привело его к Нобелевской премии?

Спиновое стекло

Спиновое стекло

Nobelprize.org

Прорывная работа нашего третьего героя была связана с таким необычным материалом, как спиновое стекло. Что это такое? Другими словами, спиновое стекло – это очень разбавленный магнитный сплав, сплав, в котором на тысячу атомов немагнитного материала приходится несколько штук магнитных. Например, атомы железа, случайным образом перемешаны в решетке атомов меди. Несмотря на то, что атомов железа немного, они радикальным и очень загадочным образом изменяют магнитные свойства материала. Каждый атом железа ведет себя как маленький магнит (спин) на который влияют другие атомы железа, расположенные рядом с ним. В обычном магните все спины направлены в одном направлении, но в вращающемся стекле происходит так называемая геометрическая фрустрация (не нужно понимать этот термин в психологических красках. Здесь это означает, что геометрические свойства кристаллической решётки из-за наличия противодействующих межатомных сил делают невозможной одновременную минимизацию энергии взаимодействия в заданном месте); некоторые пары спинов хотят быть в одном направлении, а другие в противоположном направлении – так как же они находят оптимальную ориентацию?

Во введении к своей книге о вращающемся стекле Паризи пишет, что изучение вращающегося стекла подобно наблюдению за человеческими трагедиями в пьесах Шекспира. Если вы хотите подружиться с двумя людьми одновременно, но они ненавидят друг друга, это может быть неприятно. Это в еще большей степени относится к классической трагедии, где на сцене встречаются сильно эмоциональные друзья и враги. Как можно свести к минимуму напряжение в комнате?

В 1970-х годах многие пытались разрешить эту задачу, в том числе и использовав так называемый «трюк с копией» (replica trick). В этом методе одновременно обрабатывается множество копий системы. Но результаты, которые получались у теоретиков, никуда не годились.

В 1979 году Паризи совершил решающий прорыв, продемонстрировав, как «трюк с копией» может быть изобретательно использован для решения проблемы со спиновым стеклом. Он обнаружил скрытую структуру в репликах и нашел способ описать ее математически. Потребовалось много лет, чтобы решение Паризи было доказано математически правильным. С тех пор его метод использовался во многих неупорядоченных системах и стал краеугольным камнем теории сложных систем. Его фундаментальные открытия о структуре спиновых стекол были настолько глубокими, что они повлияли не только на физику, но и на математику, биологию, нейробиологию и машинное обучение, в которых тоже существует та фрустрация, что не в психологии.

При этом работы Паризи далеко не ограничиваются проблемой спинового стекла. Физикам, работающим с элементарными частицами известны выдающиеся работы Паризи в области квантовой хромодинамики (в названии пертурбативного уравнения квантовой хромодинамики ДГЛАП буква «П» означает именно Паризи – в числе других авторов этого уравнения), а орнитологам – закономерности формирования птичьей стаи и коммуникация при мурмурации. Потрясающий человек в наше время узкой специализации!