العالم مليء بالأنظمة المعقدة ، الكبيرة والصغيرة. على نطاق واسع ، يعتبر مناخ الأرض شبكة معقدة من التفاعلات. على نطاق صغير ، كذلك الفيزياء التي تحكم الذرات والجزيئات. تُمنح جائزة نوبل في الفيزياء لعام 2021 تكريمًا لثلاثة علماء سلطوا الضوء على مثل هذه الأنظمة المعقدة.
عمل اثنان من الفائزين على محاكاة الكمبيوتر لمناخ الأرض. أحدهما عالم المناخ سيوكورو مانابي. يعمل في جامعة برينستون بنيوجيرسي. الآخر هو كلاوس هاسلمان. وهو أيضًا عالم مناخ يعمل في معهد ماكس بلانك للأرصاد الجوية. هذا في هامبورغ ، ألمانيا. الفائز الثالث ، جورجيو باريزي ، عالم فيزياء في إيطاليا بجامعة سابينزا في روما. فاز باريزي عن بحثه عن السلوك المضطرب للذرات في المواد.
أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم عن جائزتها في 5 أكتوبر.
استخدم الرجال الثلاثة استراتيجية مماثلة للتعامل مع التعقيد. التقط كل منهم قطعة معينة من نظام معقد في نموذج الكمبيوتر. النموذج هو تمثيل رياضي لشيء ما في العالم الحقيقي. أعطت دراسة نماذجهم معرفة جديدة لكل باحث. يمكن بعد ذلك استخدام هذه المعرفة لعمل أوصاف أكثر تعقيدًا للظواهر في الطبيعة.
يقول براد مارستون إن هذه التقنية ساعدت الباحثين على فهم الأنظمة المحيرة. إنه عالم فيزياء في جامعة براون في بروفيدنس ، R.I. "هناك فن ،" كما يقول ، "لبناء نموذج غني بما يكفي لإعطائك نتائج مثيرة للاهتمام ، ولكن بسيطة بما يكفي بحيث يمكنك أن تأمل في فهمها."
قال غوران هانسون إن منح جزء من الجائزة لأبحاث المناخ يبعث برسالة إلى قادة العالم. إنه الأمين العام للأكاديمية الملكية السويدية للعلوم. تحدث في إعلان الجائزة. قال هانسون إن هذه الرسالة هي أن "الاحتباس الحراري يعتمد على العلم الراسخ".
التقاط المناخ
يملأ البشر الغلاف الجوي بثاني أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى. نتيجة لذلك ، ارتفع متوسط درجة حرارة الأرض بأكثر من درجة واحدة مئوية (1.8 درجة فهرنهايت) خلال القرنين الماضيين. يؤثر هذا الاحترار على كل منطقة من مناطق العالم. فهو يفاقم حالات الجفاف وحرائق الغابات والأحداث المناخية المتطرفة الأخرى. تساعد النماذج المناخية العلماء على فهم هذه الأزمة والتنبؤ بها.
وضع عمل مانابي الأساس لنمذجة المناخ. يقول John Wettlaufer:"لقد قام بالفعل ببناء النماذج التي تم من خلالها بناء جميع النماذج المناخية المستقبلية". إنه عضو في لجنة نوبل للفيزياء. كان بحث مانابي ضروريًا لتحسين التنبؤات المناخية ، كما يقول ويتلوفر.
الشرح:أول أكسيد الكربون وغازات الدفيئة الأخرى
درس مانابي كيف أن ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون من شأنه أن يغير درجات الحرارة على الأرض. في نموذج واحد بسيط ، قام مانابي بمحاكاة عمود واحد من الغلاف الجوي. ارتفعت الكتل الهوائية في هذا العمود مع ارتفاع درجة حرارتها ، ثم انخفضت عندما تبرد. كشف هذا أن مضاعفة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي سيعزز درجة الحرارة بأكثر من درجتين مئويتين (3.6 درجة فهرنهايت). سيتم توسيع تقنية Manabe لصنع نماذج أكبر. يمكن لهذه النماذج محاكاة الغلاف الجوي بأكمله ، على سبيل المثال. أو يمكن أن تشمل تأثيرات المحيطات.
قال مانابي:"لم أتخيل أبدًا أن هذا الشيء الذي سأبدأ في دراسته له عواقب وخيمة". تحدث في مؤتمر صحفي في برينستون في 5 أكتوبر. "كنت أفعل ذلك فقط بسبب فضولي."
الشرح:ما هو نموذج الكمبيوتر؟
درس هاسلمان كيفية عمل العمليات المناخية المختلفة على نطاقات زمنية مختلفة. على سبيل المثال ، يتغير الطقس على أساس يومي. التغيرات الموسمية أبطأ. ولا يزال التسخين التدريجي لمحيطات الأرض أبطأ. أظهر هاسلمان كيف يمكن إضافة التوتر قصير المدى لتعزيز نماذج تغير المناخ على المدى الطويل.
يقول مايكل مولوني إن تكريم هذا البحث يؤكد فهم العلماء لتغير المناخ. يرأس المعهد الأمريكي للفيزياء. هذا في كوليدج بارك بولاية ماريلاند. النماذج المستخدمة لفهم تغير المناخ "علم على مستوى عالمي" ، كما يقول. إنهم "هناك مع كل الاكتشافات العظيمة الأخرى" التي فازت بجائزة نوبل.
فهم المواد
مثل مناخ الأرض ، فإن العالم الداخلي للذرات معقد أيضًا. يهدف باريزي إلى فهم مثل هذا الاضطراب المجهري. درس نوعًا من المواد يسمى زجاج الدوران. تعمل ذراته مثل المغناطيسات الصغيرة. يفعلون ذلك لأن لديهم خاصية كمية تسمى الدوران. لكن الذرات لا تستطيع الاتفاق على الاتجاه الذي توجه فيه مغناطيسها. ينتج عن هذا ترتيب فوضوي.
استخدم باريسي الرياضيات لوصف مثل هذه النظارات الدوارة. يتطرق عمله أيضًا إلى مواضيع معقدة أخرى. على سبيل المثال ، درس أنماط تدفق الزرزور والحيوانات الأخرى.
لا يركز عمل باريزي بشكل مباشر على المناخ. لكن في مقابلة خلال إعلان نوبل ، علق على ذلك النصف من الجائزة. وقال إنه لحماية الأجيال القادمة ، "علينا أن نتحرك الآن بطريقة سريعة للغاية".
عن عملهم ، سينقسم مانابي وهاسلمان وباريسي على جائزة نوبل. الجائزة 10 مليون كرونة سويدية. وهذا يصل إلى ما يزيد قليلاً عن 1.1 مليون دولار. وسيتقاسم مانابي وهاسلمان النصف. النصف الآخر سيذهب إلى باريزي.
ساهمت كارولين جراملينج في الإبلاغ عن هذه القصة.
