История одной премии – хаос, климатические модели и сложные системы

Каждый год СМИ сообщают о вручении той или иной Нобелевской премии в одной из пяти научных областей. Эти новости (знаю по себе) обычно остаются незамеченными среди бесчисленных инфоповодов со всех уголков земного шара. «Ну вручили и вручили, – думаем мы, пролистывая ленту перед сном или за чашечкой утреннего кофе – что там еще интересного-то»? Между тем, такое отношение к выдающимся интеллектуальным достижениям вряд ли можно счесть удовлетворительным. Да, мы привыкли к быстрому контенту – два поста здесь, три репоста там, обязательно поставить лайк подруге и еще не забыть посмотреть серию любимого сериала. Но. Но! Готова поспорить, на самом деле вряд ли можно найти тему интереснее, чем Нобелевская премия. Судите сами – химик и инженер, отец которого трудился над разработкой торпед, приобрел металлургический концерн, который впоследствии превратил в крупнейшего производителя вооружения в стране. Но больше всего прибыли ему принесло изобретение динамита. Да-да, Альфред Нобель и завещание свое придумал не просто так. Дело в том, что в 1888 году его «похоронили заживо». Когда его брат Людвиг погиб в Каннах, журналисты по ошибке разместили в газетах объявление о смерти не Людвига, а Альфреда Нобеля. Прочитав некролог, он с ужасом обнаружил, что его назвали «торговцем смертью». Именно тогда наш герой задумался над тем, каким его запомнит человечество.

5 октября Нобелевский комитет определил лауреатов премии 2021 года по физике

История одной премии

Сегодня имя Альфреда Нобеля ассоциируется у большинства из нас с выдающимися научными достижениями. Но кто знает, стало бы это возможным не ошибись один неизвестный истории репортер. Ведь именно после того, как миллиардер прочел собственный некролог, он решил изменить завещание. Согласно новому завещанию, составленному Нобелем в 1895 году, большая часть его состояния отходила в фонд для присуждения пяти ежегодных премий «тем, кто в течение предыдущего года принес наибольшую пользу человечеству».

Завещание Альфреда Нобеля

Все мое движимое и недвижимое имущество должно быть обращено моими душеприказчиками в ликвидные ценности, а собранный таким образом капитал помещен в надежный банк. Доходы от вложений должны принадлежать фонду, который будет ежегодно распределять их в виде премий тем, кто в течение предыдущего года принес наибольшую пользу человечеству. Указанные проценты необходимо разделить на пять равных частей, которые предназначаются: одна часть — тому, кто сделает наиболее важное открытие или изобретение в области физики; другая — тому, кто сделает наиболее важное открытие или усовершенствование в области химии; третья — тому, кто сделает наиболее важное открытие в области физиологии или медицины; четвертая — тому, кто создаст наиболее выдающееся литературное произведение идеалистического направления; пятая — тому, кто внес наиболее существенный вклад в сплочение наций, уничтожение рабства или снижение численности существующих армий и содействие проведению мирных конгрессов. Мое особое желание заключается в том, чтобы при присуждении премий не принималась во внимание национальность кандидатов.

Химик, инженер и избиратель Альфред Нобель.

Этими премиями, учрежденными по его завещанию, являются Нобелевская премия по физике, Нобелевская премия по химии, Нобелевская премия по физиологии или медицине, Нобелевская премия по литературе и Нобелевская премия за мир. Первое распределение премий состоялось 10 декабря 1901 года, в пятую годовщину смерти Нобеля.

Как видите, Альфред Нобель, несмотря на создание динамита и владение крупнейшим заводом вооружений, был глубоко озабочен не только тем, каким его запомнят будущие поколения. Его решение о создании подобной премии в конечном итоге позволило объединить ученых из разных уголков мира и тем самым продвинуть науку (а вместе с ней и нашу цивилизацию) вперед, причем семимильными шагами. А вот многочисленные родственники Нобеля сочли себя обделенными и требовали признать завещание недействительным.

Эта история, однако, напоминает мне историю советского физика-теоретика Андрея Сахарова, лауреата Нобелевской премии мира 1975 года. Руководство СССР говорило о нем следующее: «этот человек вооружил нашу страну самым мощным в истории оружием, что сделало Советский Союз одной из двух супердержав». Участвуя в разработке первой водородной бомбы СССР, Сахаров, впоследствии, обрел статус диссидента и выступал за мир и ядерное разоружение.

Оригинальная обложка романа «Колыбель для кошки»

Таким образом, сама история создания Нобелевской премии является не просто «забавной (интересной и проч) историей», а поводом задуматься о таких серьезных вещах, как глобальное будущее человечества и ответственность за собственные действия и поступки.

Нобелевская премия по физике 2021

Интересно, что именно ответственность за изобретения и их использование стала одной из тем Нобелевской премии по физике 2021 года. Да, наконец-то можно говорить тем, кто отрицает глобальное потепление, что за создание климатических моделей, позволяющих предсказать будущие явления, вручили Нобелевскую премию. Так что щах и мат, отрицатели, но что-то я увлеклась.

Лауреаты Нобелевской премии 2021 года.

Итак, в этом году Нобелевская премия по физике присуждена одной половиной Сюкуро Манабе и Клаусу Хассельманну, а другой половиной Джорджо Паризи. Эти исследователи заложили основу наших знаний о климате Земли и о том, как человечество влияет на него, а также произвели революцию в теории неупорядоченных материалов и случайных процессов. Согласна, вторая часть звучит несколько сложнее первой. Но эта сложность должна лишь раззадоривать наше любопытство, а не наоборот, так что начнем.

Климатические модели

Общая картина изменения климата достаточно проста: удерживающие тепло газы в атмосфере превращают Землю в метафорическую теплицу, заставляя планету нагреваться. Но то, как именно произойдет это потепление — через океаны планеты, ледяные щиты, горы, леса и города, подпитываемые всем, от утечек метана до двуокиси углерода — чрезвычайно запутанно.

Мы погружены в сложность в каждом масштабе, который наблюдаем, и как ученые, спрашиваем: сколько деталей требуется для объяснения наблюдений? Должны ли мы отслеживать каждую молекулу воды, чтобы объяснить существование океана? – заявил физик из Йельского университета Джон Веттлауфер на пресс-конференции, объявляющей о присуждении премии.

Сюкуро Манабе в Швеции в 2018 году. Он продемонстрировал, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли.

На самом деле сложные физические системы, такие как климат, часто определяются их беспорядком. Лауреаты этого года помогли миру разобраться в том, что казалось хаосом, описав эти системы и предсказав их долгосрочное поведение. Как пишет The New York Times, в 1967 году доктор Манабе разработал компьютерную модель, которая подтвердила критическую связь между основным парниковым газом — двуокисью углерода — и потеплением атмосферы.

Именно эта модель проложила путь для других, все более сложных. Более поздние модели доктора Манабе, в которых исследовались связи между условиями в океане и атмосферой, имели решающее значение для понимания того, как усиленное таяние ледяного покрова Гренландии может повлиять на циркуляцию океана в Северной Атлантике.

Клаус Хассельманн, немецкий физик и исследователь климата, на пресс-конференции в Мадриде в 2010 году. Он создал модель, которая связывает погоду и климат.

Примерно через десять лет после основополагающей работы доктора Манабе, его коллега физик Клаусс Хассельманн создал модель, которая связала краткосрочные климатические явления – другими словами, дождь и другие виды погоды — с долгосрочным климатом, таким как океанские и атмосферные течения.

Впоследствии его работа заложила основу для научных исследований, направленных на установление влияния изменения климата на конкретные события, такие как засухи, волны жары и сильные ливни.

Словом, недооценить работу Нобелевских лауреатов сложно. Это особенно хорошо знают наши постоянные читатели, так как мы часто пишем о климатических изменениях и моделях, с помощью которых эти изменения можно отследить. Кстати, результаты нового исследования, опубликованного в научном журнале Global Change Biology, показали, что если усилия по борьбе с глобальным потеплением останутся на нынешнем уровне, к 2500 году человечество может исчезнуть с лица Земли.

Скрытые закономерности

Другая половина Нобелевской примени присуждена за открытие в начале 1980-х годов «скрытых закономерностей в неупорядоченных сложных материалах», что сокрыты за кажущимися случайными движениями и завихрениями в газах или жидкостях. Его работа являются важным вкладом в теорию сложных систем, а также примечательно тем, что ее аспекты можно применить к нейробиологии, машинному обучению и формированию полета скворцов.

«Джорджио Паризи награжден за его революционный вклад в теорию неупорядоченных материалов и случайных процессов», – говорится в заявлении Королевской Шведской академии наук.

Итальянский физик-теоретик Джорджо Паризи. Система, которая была им рассмотрена около 1980 года, называется спиновым стеклом, хотя разработанные методы и сформулированные принципы оказались применимыми к значительно более широкому спектру объектов.

Доктор Паризи – итальянский физик-теоретик, родившийся в 1948 году в Риме, чьи исследования были сосредоточены на квантовой теории поля и сложных системах. Он получил степень доктора философии в Римском университете Сапиенца в 1970 году. Является профессором Римского университета Сапиенца.

Итак, какие системы ученые называют сложными? Те, что состоят из множества частей, взаимодействующих друг с как самостоятельные элементы. Их одновременное взаимодействие, будучи разнонаправленным, придает сложной системе ее отличительную черту, а именно появление новых свойств, которые отсутствуют на уровне отдельных элементов и не сводятся к характеристикам элементов, составляющих систему.

Уже исходя из одного определения, можно понять, насколько сложная эта тема. И описать ее с помощью математики невероятно трудно, ведь необходимо учесть все возможные варианты взаимодействия элементов друг с другом. А элементы, как известно, часто ведут непредсказуемо, так что в любой системе огромную роль играет Его Величество Случай.

Церемония вручения Нобелевской премии по физике, 2021 год.

Есть еще одна характеристика сложных систем: при взаимодействии со сложной системой одни и те же действия могут давать разный результат. В зависимости от состояния, в котором система находилась изначально. Все вышеописанное означает, что чтобы предсказать, как сложная система поведет себя в будущем, необходимо учесть огромное количество факторов, причем зачастую неизвестных.

Но около 40 лет назад Джорджо Паризи доказал, что совершенно случайные на первый взгляд факторы связаны между собой и даже подчиняются определенным правилам. Если попробовать объяснить совсем простыми словами, то работа итальянского физика позволяет свести воедино все неизвестные переменные. Их объединение, например, в «общий фактор неопределенности» значительно повышает точность не только расчетов, но и предсказаний.

Что вновь возвращает нас к предыдущим лауреатам и их работе по климатическому моделированию: работа Паризи позволяет климатологам строить значительно более точные модели происходящих климатических изменений, как в результате антропогенной деятельности, так и множество других факторов.

Развитие физического познания охватывает все новые области действительности. И физика сложных систем – как раз одно из них.

В заключении же хочу сказать, что работа итальянского физика демонстрирует нам, что «понять лес, созерцая дерево – не сложно. На самом деле это невозможно». Порядок, отмечает Паризи, существует только на соответствующем масштабе и хаос «на нижнем уровне» ему не помеха. Безусловно, можно искать закономерности и в климате и погоде – но лишь на уровне статистики и учтя при этом множества прочих факторов – сложные системы требуют неординарных решений.

Источник