«Это очень близко к жизни людей»: за что дали Нобелевку по физике

Теоретик Джорджо Паризи и два 90-летних климатолога Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман удостоены Нобелевской премии по физике с общей формулировкой «за новаторский вклад в наше понимание сложных физических систем». Прикладное значение этих работ — моделирование изменения климата на нашей планете.

Дожить до Нобеля и не умереть

Физики шутят: чтобы получить Нобелевскую премию, надо долго жить. И в этом году сработал тот же принцип. Нобелевский комитет присудил премию по физике двум 90-летним ученым и их более «молодому» коллеге 73 лет. Из призового фонда в $1,1 млн одну половину разделят поровну японец Сюкуро Манабе (родился 21 сентября 1931 года), который много лет живет в Америке и работает в Принстонском университете, и его ровесник из Германии Клаус Хассельман (ему исполнится 90 лет 25 октября), представляющий Институт метеорологии Макса Планка. Усилия обоих ученых были направлены на оценку изменения климата и его предсказание. Нобелевский комитет премирует их «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надежное прогнозирование глобального потепления».

Вторую половину премии получит 73-летний итальянец Джорджо Паризи из римского университета Ла Сапиенца. Ему достанется полмиллиона долларов «за открытие взаимодействия беспорядка и флуктуаций в физических системах от атомных до планетарных масштабов». Флуктуация — это любое случайное отклонение какой-либо величины.

На протяжении четырех десятилетий Паризи изучал сложные неупорядоченные системы, заинтересовавшись ими еще в 1980 году, и с тех пор заложил мощный научный фундамент для различных предсказаний в тех системах, где господствуют хаос и беспорядок (например, климат Земли). «Его открытия являются одними из самых важных вкладов в теорию сложных систем, — говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета. — Они позволяют понять и описать множество различных и явно совершенно случайных материалов и явлений не только в физике, но и в других, очень разных областях, таких как математика, биология, нейробиология и машинное обучение».

Отметим, что победу Джорджо Паризи предсказывали эксперты. Его имя фигурировало в рейтинге самых цитируемых ученых 2021 года, которую накануне Нобелевской премии традиционно выпустила компания Clarivate. Мы также упоминали его в обзоре «Кто получит Нобелевскую премию — 2021?». Так что его номинирование не стало сюрпризом. А вот тему изменения климата на Земле никто в прогнозах не упомянул.

Предсказание климата

Несмотря на то что погода на нашей планете изменчива и хаотична, ее можно предсказывать — и вполне надежно. Сюкуро Манабе считается пионером компьютерного моделирования климатических изменений. Он начал изучать феномен глобального потепления задолго до того, как это стало мейнстримом, — еще в 1960-х годах. Манабе одним из первых продемонстрировал, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли. Также он был первым ученым, исследовавшим взаимодействие между радиационным балансом и вертикальным переносом воздушных масс. Его работы лежат в основе современных климатических моделей.

О том, что может произойти с нашей планетой из-за потепления климата, мы рассказывали в материале «Пять теорий скорого апокалипсиса», основанном на исследованиях ученых и компьютерном моделировании. Даже краткий перечень может вогнать в уныние: глобальное потепление грозит затоплением прибрежных городов и целых стран из-за поднимающегося уровня океана, вымиранием 40% насекомых и многих видов животных, для которых они служат пищей, опустыниванием больших территорий, экстремальными природными явлениями, переселением животных и насекомых с юга и приходом сопутствующих смертельных болезней (таких как малярия, лихорадка денге, вирус Западного Нила и пр.) и другими опасными последствиями. Также климатологи видят большую угрозу на дне Мирового океана. Если вода потеплеет на несколько градусов, гигантские запасы природного газа поднимутся к поверхности, спровоцировав резкое прогревание атмосферы Земли. В истории планеты такое случалось несколько раз и приводило к окончанию ледниковых эпох или наступлению термических максимумов с катастрофическими последствиями для биосферы.

Свежий нобелевский лауреат Клаус Хассельман доказал, что повышение температуры в атмосфере вызвано антропоморфным фактором, а именно — выбросами углекислого газа человеком. Разработанные им методы предсказаний позволили объединить погоду и климат с учетом случайных процессов, таких как деятельность человека и стихийные природные явления. Ученый не раз подчеркивал необходимость широты знаний в физике и говорил о том, что выход за пределы своей специализации сулит новые открытия. Это подтверждает и биография лауреата. В своих исследованиях Хассельман начал с изучения океанических волн, прошел через физику элементарных частиц и квантовую теорию поля и лишь затем пришел в область моделирования климата.

Сложные системы с элементами хаоса

Современная физика — это физика сильно взаимодействующих систем, когда все взаимодействует со всем. Эта тема сегодня обсуждалась в рамках прямой трансляции вручения Нобелевской премии по физике на канале «Наука», в ходе дискуссии физика и телеведущего Алексея Семихатова и его гостя, профессора РАН Эдуарда Девятова.

Семихатов пояснил, что Джорджо Паризи сделал прорывные открытия в квантовой хронодинамике и в исследованиях сложных неупорядоченных систем.

«Здесь самое сложное слово — "квантовая хронодинамика", — отметил Семихатов. — Это воздействие кварков, которые слагают протоны, из которых сложено вещество — вообще все, окружающее нас. И это страшно сложная система: они взаимодействуют способом, для которого у нас нет хорошей математики. Нужно каким-то образом исхитряться для того, чтобы описывать эту сильно взаимодействующую систему, которая сама про себя все знает, но со стороны ее описать очень трудно».

Доктор физико-математических наук, заместитель директора Института физики твердого тела РАН Эдуард Девятов рассказал о том, что теория Джорджо Паризи гораздо шире и практичнее, чем кажется на первый взгляд.

«Методы физики довольны общие. Например, методы теории поля и методы того, что применяется к ядру, были перенесены в физику твердого тела. И возникла та же самая проблема: у нас нет математики, которая позволяет точно это описать. Надо делать приближение разной степени грубости, их надо угадывать. Каждая частица взаимодействует со всеми остальными одновременно. И понимание неупорядоченной системы очень пригодилось, когда эти методы перенесли, например, в физику твердого тела, где тоже есть беспорядок, взаимодействие с примесями… Все это в конце концов активно использовалось для того же самого транзистора. То есть для понимания работы основного элемента современных вычислительных систем и для проектирования, например, задачи спинтроники применяются те же самые методы. Так что это очень близко к жизни людей, это не только рафинированная наука».

Напоминаем, что завтра состоится объявление лауреатов по химии. Смотрите прямую трансляцию на канале «Наука» в 12:25!

Нобелевку дали ученым, раскрывшим секрет мятной конфетки

Кто получит Нобелевскую премию — 2021?

Пять теорий скорого апокалипсиса