Нобелевская премия по физике 2021 года

Наука и жизньНаука

Награда за новые подходы в физике сложных систем

Нобелевская премия по физике 2021 года вручена за «новаторский вклад в наше понимание сложных физических систем». Лауреатами стали Сюкуро Манабе (Принстонский университет, США), Клаус Хассельман (Институт метеорологии Макса Планка, Германия) и Джорджо Паризи (Римский университет Сапиенца, Италия).

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

После двух «космических» премий Нобелевский комитет ожидаемо вернулся к земной тематике. Несмотря на то, что современная физика — физика в первую очередь сложных систем, само это понятие впервые появилось в формулировке о награждении. Лауреаты 2021 года получили Нобелевскую премию по физике за исследования хаотических, случайных явлений. Половину премии поделили Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман, которые заложили основу моделирования климата Земли с учётом влияния на него человека. А другая половина премии была присуждена Джорджо Паризи за революционный вклад в теорию неупорядоченных материалов и случайных процессов в них.

Сложные системы состоят из множества взаимодействующих составляющих, которыми могут быть различные тела, атомы, нейроны, белки, гены и многое другое. Это понятие охватывает широчайший спектр явлений — от атомных систем до климата Земли и от нейробиологии до машинного обучения. Физики изучают сложные системы уже два столетия. Проблема заключается в том, что такие системы сложно описать математически, и не только из-за огромного количества компонентов, но также из-за того, что их взаимодействие может быть неупорядоченным и случайным. В результате и сами системы ведут себя случайным, труднопредсказуемым образом. Недаром прогноз погоды, несмотря на все достижения, остаётся весьма сложным делом. Все лауреаты этого года внесли значимый вклад в углубление наших знаний о таких системах и их развитии. Они предложили новые методы их описания, моделирования и прогнозирования поведения в долгосрочной перспективе.

Но не обошлось без сюрприза. Награждение Паризи было ожидаемым. В рейтинге «Clarivate Analytics», авторитетной американской организации, специализирующейся на научной аналитике, он стоял на третьем месте вслед за российско-американским специалистом по квантовым вычислениям Алексеем Китаевым и англо-американским исследователем сложных систем Марком Ньюманом. Но вот выбор в компанию к нему климатологов оказался полной неожиданностью. Никто из экспертов их фамилии даже не называл. Не умаляя значимости работ лауреатов и тот факт, что климат Земли представляет собой пример очень сложной системы, рискнём предположить, что решение Нобелевского комитета связано с предстоящим в ноябре климатическим саммитом ООН COP26, который ООН объявила одним из последних шансов предотвратить ухудшение климата. Дело в том, что в августе 2021 года Межправительственная группа экспертов по изменению климата (IPCC), основанная ООН, опубликовала первую часть Шестого оценочного отчёта. В нём утверждается, что если не предпринять экстренного резкого сокращения выбросов парниковых газов, в первую очередь углекислого газа, то остановить глобальное потепление на уровне 1,5°C к 2060 году уже не удастся, даже если все страны выполнят обещанные сокращения выбросов в соответствии с Парижским соглашением 2015 года. Если же выбросы останутся на промежуточном уровне, то повышение составит 2°C. В свою очередь, оно может привести к увеличению лесных пожаров, засух и наводнений. Судя по всему, присуждение Нобелевской премии учёным, непосредственно обосновавшим роль углекислого газа в парниковом эффекте и деятельности человека, как причины глобального потепления, призвано в преддверии саммита привлечь внимание к этому вопросу, ослабевшее в последнее время в связи с пандемией COVID-19. Да и авторитет Нобелевской премии должен служить дополнительным аргументом при принятии и выполнении его решений.

Но вернёмся к виновникам торжества. Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман награду получили «за физическое моделирование климата Земли, количественную оценку изменчивости и надёжное прогнозирование глобального потепления». Климат Земли — одна из сложных систем, имеющая жизненно важное значение для деятельности человечества.

Сюкуро Манабе. Фото: Bengt Nyman/Wikimedia Commons/CC BY 2.0
Клаус Хассельман. Фото: Max-Planck-Institut

Следует различать погоду — совокупность явлений (температура воздуха, осадки, ветер и т. д.), наблюдаемых в определённый момент времени в конкретном месте, и климат — усреднённые характеристики погоды, характеризующие особенности погодных условий на больших территориях в длительные промежутки времени. Если погода подвержена быстрым, достаточно случайным изменениям, то климат отражает устойчивые закономерности погодного режима. Климатические модели не могут сказать нам, какая погода будет, скажем, в Москве 31 декабря 2021 года, но может дать оценку средней температуры или количества осадков, которые можно ожидать в Москве в декабре.

О парниковом эффекте как важнейшем факторе, определяющем климат на Земле, в 1827 впервые сказал французский математик Жозеф Фурье, исследовавший энергетический баланс Земли (название явлению было дано позже). Он пришёл к выводу, что видимое излучение Солнца, для которого атмосфера прозрачна, нагревает Землю, а вот тепловое излучение её поверхности атмосфера частично поглощает, что приводит к значительному повышению её температуры. По современным данным, без парникового эффекта средняя температура Земли была бы на 33 градуса ниже и составляла всего −18°C. Позднее было выяснено, что за это отвечают так называемые парниковые газы: водяной пар, углекислый газ (CO2), метан, закись азота (N2O) и другие. Основные физические процессы, обуславливающие парниковый эффект, понял в 1896 году шведский физик Сванте Аррениус (лауреат Нобелевской премии по химии 1903 года). Он же первым заговорил о существенной роли углекислого газа, объясняя ледниковые периоды уменьшением его концентрации. Правда, Аррениус несколько завысил его влияние, полагая, что увеличение содержания углекислого газа вдвое повысит температуру на 6 градусов. Первым же слово «парник», или «теплица», для этого явления использовал шведский метеоролог Нильс Экхольм в 1901 году, подчеркнув тот факт, что стекло в парниках ведёт себя аналогично атмосфере.

Сюкуро Манабе родился в Японии в 1931 году. После учёбы в Токийском университете занимался метеорологией. Получив в 1958 году докторскую степень, он перебрался в США, где начал исследовать атмосферные явления в Национальном управлении океанических и атмосферных исследований (NOAA). Как и Аррениуса, его интересовало влияние углекислого газа на температуру атмосферы. Но если Аррениус, как и Фурье, сосредоточился на радиационном балансе, то Манабе в 1960-е годы руководил разработкой более сложных физических моделей, учитывающих вертикальные движения воздушных масс из-за конвекции, а также тепловой вклад глобального круговорота воды.

Важным фактором, способствующим этой работе, стало появление у учёных нового мощного инструмента — электронных вычислительных машин (ЭВМ). Численное прогнозирование погоды зародилось в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1950-х годах в рамках проекта, одним из руководителей которого был основоположник компьютерных технологий Джон фон Нейман. Манабе стал разработчиком первых компьютерных физических моделей климата, заложив основу для современных климатических моделей.

Шестьдесят лет назад компьютеры были в сотни тысяч раз медленнее, чем сейчас, и имели маленькую оперативную память, где располагалась программа и данные. Поэтому первая модель атмосферы у Манабе была относительно простой, можно сказать примитивной. Он свёл задачу к одному измерению и рассмотрел просто вертикальный столб воздуха высотой 40 километров. Но даже в этом случае потребовались сотни часов работы ЭВМ, чтобы получить результаты для разного содержания газов в атмосфере. По этому поводу Манабе говорил, что всегда нужно упрощать. Физик не может соревноваться со сложностью природы — в каждой капле дождя задействовано столько физики, что невозможно вычислить абсолютно всё. Тем не менее, несмотря на простоту модели, Манабе правильно понял ключевые принципы и получил верные выводы.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Рогохвост… предприимчивый Рогохвост… предприимчивый

Пленником янтаря оказалось крайне редкое насекомое

Наука и жизнь
Разгадка обратной стороны Луны Разгадка обратной стороны Луны

Факты об обратной стороне Луны, вид которой долгое время был загадкой для ученых

Популярная механика
Почему домашние кошки не умеют рычать, а тигры — мурлыкать? Почему домашние кошки не умеют рычать, а тигры — мурлыкать?

Почему рычащие кошки не мурлычут, а мурлыкающие не рычат?

Наука и жизнь
Перелетные птицы оказались светлее оседлых Перелетные птицы оказались светлее оседлых

Как светлая окраска помогает перелетным птицам?

N+1
Морской дневник Морской дневник

Исследовать Камчатку с моря означает увидеть больше, чем можно себе представить

National Geographic Traveler
А теперь про здоровье зубов и десен! А теперь про здоровье зубов и десен!

Эти правила застрахуют от запущенного пульпита и других проблем с зубами

Собака.ru
Двухсотлетний Тарас Двухсотлетний Тарас

Что не так в гоголевской хронологии истории Тараса Бульбы

Дилетант
Дом с колоннами. Прошлое и будущее челябинского «Молодежного театра» Дом с колоннами. Прошлое и будущее челябинского «Молодежного театра»

Как бывший народный дом превратился в площадку для театральных экспериментов

СНОБ
«Формула успеха» Элизабет Холмс: инструкции от ее партнера, которого она обвиняет в насилии «Формула успеха» Элизабет Холмс: инструкции от ее партнера, которого она обвиняет в насилии

В случае с Элизабет Холмс вера в успех обернулась драмой

Reminder
Семейная сказка по-новосибирски Семейная сказка по-новосибирски

Как работает новый центр социально-педагогической поддержки Большой перемены

ПУСК
Алексей Ивашов: «Отец ушел из дома, и на этот раз все могло закончиться разводом» Алексей Ивашов: «Отец ушел из дома, и на этот раз все могло закончиться разводом»

В кино я наконец повидал родителей: Светлану Светличную и Владимира Ивашова

Коллекция. Караван историй
«Это уровень 2050 года»: стартап Rocket Lab показал многоразовую ракету, которая не похожа на нынешние «Это уровень 2050 года»: стартап Rocket Lab показал многоразовую ракету, которая не похожа на нынешние

Neutron: концепт новой легкой многоразовой ракеты

VC.RU
Времени хватит Времени хватит

Лучшие бьюти-процедуры «на выход»

Добрые советы
Трудности доказательного перехода Трудности доказательного перехода

Как данные, собираемые университетами, могут быть полезны

Наука
Концерн «Калашников» обвинили в краже дизайна дробовика из игры инди-студии. Оружейная компания всё отрицает Концерн «Калашников» обвинили в краже дизайна дробовика из игры инди-студии. Оружейная компания всё отрицает

Российский оружейный концерн «Калашников» украл дизайн нового дробовика из игры

TJ
От мрачных окраин Петропавловска ко всемирному триумфу: исповедь би-боя Амира Закирова От мрачных окраин Петропавловска ко всемирному триумфу: исповедь би-боя Амира Закирова

Встречайте драматическую историю успеха Амира Закирова, достойную экранизации

GQ
«Французский вестник»: виртуозная сказка о великом журнале «Французский вестник»: виртуозная сказка о великом журнале

Как очередной аттракцион Уэса Андерсона неожиданно получил третье измерение

Эксперт
В поисках прекрасного В поисках прекрасного

Сколько исторических украшений хранится в архиве ювелирного дома Bvlgari?

Grazia
Как вернуть некачественный товар: о законах простыми словами Как вернуть некачественный товар: о законах простыми словами

Как вернуть покупку?

CHIP
В каких продуктах много витамина С В каких продуктах много витамина С

Как нужно питаться, чтобы получать витамин С в нужном объеме?

РБК
Как увеличить член: 12 способов в домашних условиях и у специалиста Как увеличить член: 12 способов в домашних условиях и у специалиста

Как увеличить размер члена и действительно ли тебе это нужно?

Playboy
Ореховый тарт Ореховый тарт

Ореховый десерт для уютных зимних вечеров

Weekend
Хватит мерзнуть Хватит мерзнуть

9 привычек, из-за которых тебе холоднее, чем должно быть

Лиза
Биография Джона Макафи. Крутое пике «воздушного цыгана» и создателя антивируса MCafee Биография Джона Макафи. Крутое пике «воздушного цыгана» и создателя антивируса MCafee

Кем был Джон Макафи? Шутом или пророком?

Цифровой океан
Женская сексуальность: как развить и проявлять Женская сексуальность: как развить и проявлять

Женская сексуальность — это не внешняя красота и не размер груди

Psychologies
На своей орбите На своей орбите

Ваня Дмитриенко – о стремительном взлете и актерских амбициях

OK!
Развод без девичьей фамилии: как Петр I избавлялся от своих жен Развод без девичьей фамилии: как Петр I избавлялся от своих жен

О крутом нраве Петра I ходили легенды, и все жены государя познали его гнев

Cosmopolitan
«Тайный Санта»: как устроить легкий обмен подарками с друзьями и коллегами «Тайный Санта»: как устроить легкий обмен подарками с друзьями и коллегами

Самый простой способ поздравить друг друга с Новым годом

Esquire
Как связаны фильм «Дюна» и Месопотамия Как связаны фильм «Дюна» и Месопотамия

Фильм «Дюна» и Месопотамия с точки зрения ассириологии

Arzamas
Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика Вечная история о насилии и отчуждении: «Заводному апельсину» — 50 лет. Вспоминаем великий фильм Стэнли Кубрика

Как Кубрику удалось снять один из лучших фильмов об изоляции и бунте?

Esquire
Открыть в приложении