جایزه نوبل فیزیک ۲۰۲۱: تغییرات اقلیمی و سیستم‌های پیچیده

تحریریه علم روز

ما جمعی از علاقمندان به علم و اندیشه هستیم که دوست داریم چیزهایی که در علم و فلسفه برای ما جذاب هست با شما به اشتراک بگذاریم. هدف ما ترویج دانش و گسترش آگاهی و اندیشه در بین جامعه است.

فیزیکدان‌ها بطور سنتی با سیستم‌های ساده سر و کار داشته‌اند- مانند یک اتم یا یک گاز درون جعبه- که قوانین حاکم بر آن‌ها روشن و با جواب‌های دقیق است. برای توصیف سیستم‌های کمی پیچیده‌تر و بزرگتر فیزیکدان‌ها می‌دانند که چطور آن‌ها را ساده‌سازی کنند و اجزای الزامی آن‌ها را جدا کرده و از جزئیات صرف‌نظر کنند. یک توپ همواره به یک شکل می‌غلطد فرقی نمی‌کند که قرمز باشد یا آبی.

اما در قرن بیستم، فیزیکدان‌ها شروع به دست و پنجه نرم کردن با انواعی از سیستم‌های پیچیده کردند که نمی‌توان آن‌ها را به شیوه معمول بررسی کرد. در این سیستم‌ها-مانند اقلیم زمین- جزئیات کوچک نیز مهم هستند؛ آن‌ها می‌توانند مانند گلوله برفی بر تغییرات سیستم تأثیر بگذارند که این فرآیند «حلقه بازخورد مثبت» نامیده می‌شود. روش‌های جدیدی برای شناسایی اصول عملی پشت این سیستم‌های پیچیده و آشوبناک به منظور تقریب زدن رفتار آن‌ها توسعه داده شده‌اند. و اکنون کار بر روی کشیدن عصاره پیچیدگی سیستم‌ها مفتخر به دریافت جایزه نوبل در فیزیک گردیده است.

سیوکورو مانابه (Syukuro Manabe) ، اقلیم‌شناس در دانشگاه پرینستون و کلائوز هسلمن (Klaus Hasselmann) از مؤسسه تحقیقات هواشناسی مکس پلانک در هامبورگ آلمان، نیمی از جایزه نوبل را برای کارشان در دهه ۱۹۶۰ و ۱۹۷۰ برنده شده‌اند یعنی زمانی که مشغول ساخت مدل‌هایی برای پیش‌بینی صحیح تأثیرات افزایش کربن دی‌اکسید در جو زمین بودند.

اما جیورجیو پریزی (Giorgio Parisi)، فیزیکدانی در دانشگاه ساپینزا در رم ایتالیا، نیم دیگر جایزه را برای کشف الگوهایی در سیستم‌های فیزیکی پیچیده به ویژه «شیشه‌های اسپینی» (Spin Glass) – موادی که از جزءهای متعدد ساده و برهمکنش‌کننده‌ای به نام اسپین ساخته می‌شوند- دریافت کرده است. مطالعات پریزی در اواخر ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ پیرامون چگونگی اثر اسپین‌های منفرد و نوسان کننده بر روی ویژگی‌های سرتاسری شیشه اسپینی، و این‌که بطور کلی چگونگی تحول یک سیستم پیچیده به عنوان یک کل در ارتباط با دینامیک اجزای منفرد سازنده‌ی آن، برای محققان امکان درک بهتر از گستره‌ی وسیع مواد نامنظم و پیچیده را فراهم آورد.

تمام کار برندگان این جایزه یک پیام روشن دارد که پریزی در پاسخ به سؤال خبرنگار در مراسم استکهلم بیان کرد:

ضروری است که ما تصمیمات واقعی و بسیار قوی بگیریم، و با گام‌های بسیار محکم حرکت کنیم.

پریزی در بیان تغییرات اقلیمی گفت:

زیرا ما در وضعیتی هستیم که می‌توانیم بازخورد مثبت داشته باشیم و افزایش دمای زمین را شتاب ببخشیم. بسیار واضح است که برای نجات نسل‌های آینده ما مجبوریم بسیار سریع و بدون فوت وقت عمل کنیم.

مدل آب و هوایی چیست؟

فیزیکدان‌ها از زمان سوانته آرهنیوس در ۱۸۹۶ تلاش کرده‌اند که اقلیم زمین را به جزء‌های سازنده تقلیل دهند. آن‌ها واقعیت فیزیکی را با شناسایی مهم‌ترین نیروهای دخیل در یک سیستم- آن‌هایی که اثرات برآیند بزرگ مقیاس در دینامیک دارند- تقریب می‌زنند. سپس آن‌ها با معادلات داخلی که توصیف کننده آن نیروها هستند کار می‌کنند، در حالی‌که از جزئیات کمتر مهم را به منظور حل‌پذیر کردن مدل صرف‌نظر می‌کنند.

اما تغییرات اقلیمی یک سیستم غیر خطی است، که تغییرات در یک متغیر می‌تواند دیگری را تحت تأثیر قرار دهد و منجر به حلقه‌های بازخورد ناپایدار شود. این مسأله شناسایی این‌که کدام اثرات کوچک را می‌توان نادیده گرفت را دشوار می‌کند. آرهنیوس پی برد که بخار آب چنین مسأله‌ای دارد: وقتی دمای هوا افزایش می‌یابد، محتوای بخار درون آن نیز افزایش می‌یابد، که موجب به دام افتادن گرمایی بیشتری از زمین می‌شود که منجر به افزایش دما خواهد شد. از دست رفت یخ‌ها نیز علت دیگر بازخورد است: یخ نور خورشید را منعکس می‌کند، پس وقتی یخ از دست می‌رود، نور بیشتری از خورشید توسط اقیانوس‌های تیره جذب می‌شود، که منجر به گرم‌تر شدن و شتاب گرفتن از دست رفتن یخ‌ها می‌شود.

مدل‌های اقلیمی امروزی برهمکنش پیچیده و بازخورد بین میلیون‌ها متغیر را در نظر می‌گیرند. آن‌ها این کار را با حل مجموعه‌ای از معادلات که نماینده‌ی پایستگی جرم، تکانه و انرژی در هر نقطه از یک شبکه‌ی ۳-بعدی که نمایشگر جو زمین است انجام می‌دهند. معادلات سعی در بدست آوردن اثرات هر چیزی کوچکتر از سایز شبکه هستند، از قبیل ابرهای منفرد یا ساختارهای زمین. گاهی اوقات این مشخصه‌های کوچک می‌تواند اثرات بزرگ مقیاسی که توسط مدل پیش‌بینی نشده‌اند را موجب می‌شوند، بدین معنا که هرچه اندازه طول شبکه کوچک‌تر و ریزتر باشد، مدل بهتر عمل می‌کند. اما این افزایش دقت به قیمت افزایش منابع محاسباتی تمام می‌شود. بهترین مدل‌های ما مستلزم هفته‌ها یا ماه‌ها پردازش محاسباتی توسط سریع‌ترین ابررایانه‌های جهان هستند که می‌توانند ۱.۵ کوئینتیلیون (۱۰^۱۸) محاسبه را در ثانیه انجام دهند.

وقتی مدل‌سازان اقلیم در ابتدا شروع به مدل‌سازی کردند مجبور بودند که مسائل اقلیمی بسیار کوچکی را در نظر بگیرند.

مدل‌های اقلیمی اولیه‌ی مانابه چه چیزی را نشان داد؟

مدل‌های مانابه در دهه ۱۹۶۰ را «می‌توان به عنوان اولین تحقق از رؤیای آرهنیوس» در نظر گرفت طبق نظر کمیته نوبل. این مدل‌ها به صورت ستون‌هایی عمودی و منفرد از جو در نظر گرفته می‌شدند که از زمین تا استراتوسفر امتداد داشتند. با در نظر گرفتن این ستون را به صورت شبکه‌ای از نقاط، مانابه و همکارانش چگونگی چگالش یک گاز گل‌خانه‌ای مانند کربن دی‌اکسید را درون ستون که بر روی جریان گرما و هوای بین نقاط شبکه تأثیر می‌گذارند را مطالعه کردند.

مانابه این واقعیت را وارد کرد که هوای داغ سبکتر از هوای سرد است، در نتیجه صعود می‌کند، و هوای داغ‌تر همچنین بخار آب بیشتری حمل می‌کند، که یک گاز گل‌خانه‌ای قدرتمند است. (گازهای گل‌خانه‌ای نظیر بخار آب و کربن دی‌اکسید گرمای تابش شده از سطح زمین را به شدت جذب و بازتاب می‌کنند، و مانع عبور مقدار زیادی از این تابش به فضا می‌شوند. در نتیجه موجب گرم‌تر شدن زمین می‌شوند.) مانابه و همکارانش همچنین فرض کردند که بسیار بالای ستون، هوا سردتر است، و در نتیجه ابر می‌بارد، و گرمای نهان ذخیره شده در بخار آب را آزاد می‌کند.

با لحاظ کردن بازی درونی بین این متغیرها در هر ستون از آسمان در حالی که از انتقال افقی هوا و گرما صرف‌نظر می‌شود، آن‌ها توانستند آن را به کل کره زمین تعمیم دهند و «حساسیت» سرتاسری به آب و هوا را تقریب بزنند یعنی این‌که: دمای هوا در نتیجه‌ی دو برابر کردن سطح کربن دی‌اکسید چقدر افزایش می‌یابد. تخمین اولیه‌ی آن‌ها- که دمای کل کره زمین ۲.۳ درجه سلسیوس در برابر دو برابر کردن تجمع کربن دی‌اکسید افزایش خواهد یافت- بطور جدی حتی با اندازه‌گیری توسط مدل‌های امروزی آب و هوایی دقیق باقی ماند.

در سال ۱۹۷۵، مانابه و همکارش ریچارد ودرالد مدل ستونی خود را به یک مدل سرتاسری اولیه با محاسبه‌ی (روی یک کامپیوتر با نیم مگابایت حافظه‌ی RAM) میزان حساسیت آب و هوای زمین به ۲.۹۳ درجه سلسیوس تعمیم دادند. مدل‌های فعلی بازه‌ای بین ۲.۵ تا ۴ درجه سلسیوس را برا حساسیت آب و هوایی پیش‌بینی می‌کنند. برای فهم اهمیت این تعمیم سطح گرمایش زمین، این را در نظر بگیرید که زمین طی آخرین دوران یخبندان ۶ درجه سردتر از امروز بوده است.

هوا چطور با آب و هوا اندرکنش می‌کند؟

آب و هوا بلند مدت است، اما وضع هوا کوتاه مدت است. و این دو به هم مرتبطند. اما چگونه؟

در دهه ۱۹۷۰، کلائوز هسلمن مدل‌های آب و هوایی را توسعه داد که رویدادهای هواشناسی را نیز به جای متوسط‌گیری روی آن‌ها در نظر می‌گرفت. او بر این فرض تکیه کرد که آب و هوا بطور تدریجی به صورت یک پاسخ کلی به تغییرات تصادفی و سریع هوا تحول می‌یابد. برای این کار، وی معادلاتی را توسعه داد که یک تابع آهسته تغییر نماینده‌ی آب و هوا را به یک تابع تند-تغییر نماینده‌ی هوا را جفت می‌کردند. او نشانداد که هوا بر روی آب و هوا درست به همان شکل که حرکات تصادفی مولکول‌های هوا در مقیاس‌های ریز بر روی حرکات تصادفی ذرات غبار در بزرگ مقیاس- که حرکت براونی نامیده می‌شود- تأثیر می‌گذارد. این مقایسه با حرکت براونی به طور قدرتمندی روش درک ما از بازی داخلی بین مقیاس‌های فیزیکی متفاوت در سیستم‌های آب و هوایی را اثبات کرد.

مدل‌سازان آب و هوایی چگونه بین تغییرات آب و هوایی طبیعی و ساخته دست بشر تمایز قائل می‌شوند؟

به مدت چندین دهه، محققان بر روی تمایز بین اثرات رویدادهای هواشناسی تصادفی، فوران‌های آتش‌فشانی و دیگر تغییرات طبیعی با تغییرات آب و هوایی ایجاد شده توسط بشر اختلاف نظر داشتند. در سه مقاله که طی سال‌های ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۷ منتشر شدند، هسلمن چارچوبی را برای این تمایز طراحی کرد، روشی برای مقایسه مدل‌ها و مشاهدات به منظور ارزیابی این‌که آیا مدل‌ها بطور صادقانه از اثرات تغییرات طبیعی تبعیت می‌کنند یا خیر طراحی کرد.

در چارچوب طراحی شده توسط هسلمن، وی روش‌های «آشکارسازی بهینه» برای شناسایی سیگنال‌های انسان طرح‌ریزی کرد. او نشان داد که چنین سیگنال‌هایی برای مثال نه در بخش‌هایی از داده‌های آب و هوایی که قوی‌ترین هستند، بلکه در جایی که نویز ضعیف است بهتر یافت می‌شوند. اخیرا مقاله‌ای درباره تاریخچه علم آب و هوا یکی از مقالات آشکارسازی بهینه‌ی هسلمن را به عنوان «اولین تلاش جدی برای تهیه‌ی چارچوب آماری عالی برای شناسایی سیگنال‌های گرمایش توسط انسان» توصیف کرده است. نویسندگان می‌نویسند: «به جای جستجو برای یک سوزن در گوشه‌ای کوچک از یک انبار بزرگ کاه (و سپس ادامه جستجو در گوشه‌ای دیگر)، هسلمن از یک استراتژی بهینه‌تر حمایت کرده است- جستجوی کل انبار کاه بطور هم‌زمان» برای یافتن سیگنال‌هایی با ویژگی منحصر بفرد یا به عبارتی «اثر انگشت»ی که نشان دهد آن‌ها ناشی از نویز نیستند.

اثر انگشت گرمایش ناشی از انسان با گذشت دهه‌ها بیشتر نمایان شد و باعث اتفاق نظر فزاینده‌ای بین محققان آب و هوا شد. پیش‌تر در این سال، پنل میان‌دولتی تغییرات آب و هوایی نتیجه گرفته بود که «این مسلم است که اثرات انسانی جو زمین، اقیانوس‌ها و خشکی‌ها را گرم کرده است.»

شیشه اسپینی (اسپین گلس) چیست؟

همچنان‌که محققانی مثل مانابه و هسلمن با آب و هوا دست و پنجه نرم کردند، تلاش فکری جیورجیو پریزی در اواخر ۱۹۷۰ نیز روی یک نوع از سیستم‌های فیزیکی به نام اسپین گلس (spin glass) بود. این مواد شامل ذرات مغناطیسی هستند- مانند اتم‌های آهن- که آن‌ها را می‌توانید به صورت آهن‌رباهای کوچکی فرض کنید که بالا و پایین جهت گرفته‌اند. در کاری که به طور جدی با دیدگاه هسلمن درباره رابطه بین هوا و آب و هوا تقویت شده است، پریزی چگونگی اثر چرخش جلو و عقب اسپین‌ها بر روی دینامیک آهسته‌ی اسپین گلس به عنوان یک کل را مطالعه کرد.

اسپین گلس‌ها فیزیکدان‌هایی مانند پریزی را به دلیل پدیده‌ای به نام «خستگی» جذب خود کرده است. یک اسپین گلس ساده شامل سه اسپین در سه گوشه‌ی یک مثلث را در نظر بگیرید. اسپین‌های مجاور ترجیح می‌دهند که راستای مخالف هم داشته باشند. اما سه اسپین، وقتی که عقب و جلو می‌شوند و تلاش می‌کنند چیدمان پایداری به خود بگیرند، نمی‌توانند تمام قیود را هم‌زمان ارضاء کنند؛ سیستم از نظر فیزیکی به اصطلاح «خسته» می‌شود. خستگی بدین معناست که اسپین گلس‌ها باید به نوعی مصالحه کنند؛ آن‌ها به دنبال حداقل بدترین چیدمان هستند. پژوهش‌های پریزی درباره چگونگی این بازی بین اسپین گلس‌ها طبق نظر کمیته نوبل‌ «بسیار عمیق» بود. «بطوری که نه تنها فیزیک را تحت تأثیر قرار داد، بلکه ریاضیات، زیست‌شناسی، علوم اعصاب و حتی یادگیری ماشین را بخاطر این‌که این حوزه‌ها شامل مسائلی هستند که مستقیما به خستگی مرتبط هستند تحت تأثیر قرار داد.»

به اشتراک بگذارید