İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi Salı günü yaptığı açıklamada, Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann ve Giorgio Parisi’nin karmaşık sistemler üzerindeki çalışmaları nedeniyle 2021 Nobel Fizik Ödülü’nü paylaşacaklarını duyurdu.
Manabe (Princeton Üniversitesi), Güneş’ten gelen radyasyon, Dünya’dan gelen IR, atmosferdeki konveksiyon ve su buharının gizli ısısının etkileşimini araştırmak için erken iklim modelleri geliştirdi. 1967 yılında artan atmosferik karbondioksitten kaynaklanacak küresel yüzey sıcaklıklarındaki artışın ilk tahminini sundu.
Yaklaşık on yıl sonra, Hasselmann (Hamburg, Almanya’daki Max Planck Meteoroloji Enstitüsü), havadaki dalgalanmaları gürültü olarak birleştiren stokastik bir iklim modeli yarattı. Ayrıca, insanların etkisi de dahil olmak üzere iklim üzerindeki ayrık etkilerin ve bıraktığı izlerinin nasıl tanımlanabileceğini ve çıkarılabileceğini de gösterdi.
Parisi (Roma Sapienza Üniversitesi) spin-cam problemini ele aldı: Manyetik spinler, rekabet halindeki enerjik ve geometrik kısıtlamalara maruz kaldıklarında kendilerini nasıl yönlendirir? Olası konfigürasyonlarda kalıplar bulan çözümü matematik, biyoloji, sinirbilim ve makine öğrenimini etkiledi.
Manabe ve Hasselmann, 10 milyon İsveç kronu (kabaca 1,1 milyon $) olan ödülün yarısını paylaşacak; Nobel fizik komitesi, atmosfer veya iklim bilimindeki başarıları ilk kez kabul ediyor. Parisi diğer yarısını alacak.
İklim Modelleme ve İlişkilendirme
Manabe doktorasını 1958’de Tokyo Üniversitesi’nden aldı. Kısa bir süre sonra, yeniden geliştirmek için bilgisayarlarda sayısal simülasyonlar çalıştırmakla görevlendirilen Joseph Smagorinsky’nin ilk işe alınanlarından biri olarak Washington DC’deki ABD Hava Bürosu’na geldi.
Dünya atmosferinin yaratımları veya genel sirkülasyon modelleri üzerine çalışmasını yapacaktı. Fizik denklemlerini bulmak Smagorinsky, Manabe ve meslektaşları için kolay kısımdı; Zorluk, atmosferin karmaşıklığını ve kara, buz ve deniz ile etkileşimini yeterli doğrulukla ancak yalnızca sınırlı hesaplama gücüyle kopyalamaktı.
İklim bilimi tarihinde tarihçi Spencer Weart’a göre Manabe, farklı toprak türlerinin suyu nasıl emdiği gibi belirli hidrolojik süreçleri incelemeye çok zaman ayırdı. Ancak Manabe ile çalışan Princeton Üniversitesi ve Fransa’daki Pierre-Simon Laplace Enstitüsü’nde hesaplamalı bir iklim bilimcisi olan V. Balaji, Manabe’yi farklı kılan şeyin basitleştirme yeteneği olduğunu söylüyor. Balaji, “Karmaşık bir sistem aldı ve onu matematiksel olarak izlenebilir birkaç öğeye indirdi” diyor. Örneğin, 1964’te Manabe ve Robert Strickler, su buharı yüzeyden yükselirken ve bulutlara yoğunlaştığında ısıyı serbest bırakırken termal etkileri hesaba katan bir düzenleme tasarladılar.
Üç yıl sonra Manabe, şu anda NOAA’nın Princeton’daki Jeofizik Akışkanlar Dinamiği Laboratuvarı ile birlikte çalışıyor ve Richard Wetherald, Dünya atmosferinin 24 km yüksekliğindeki bir sütununun sayısal bir modelini yayınladı.
Küresel bir üç boyutlu model olmaktan uzak olmasına rağmen, atmosferi nispeten iyi tanımladı ve temel fiziği ve sera gazlarının, özellikle su buharı ve CO2‘ nin etkilerini birleştirmede önemli bir adımı temsil etti. Araştırmacılar simüle atmosferlerinde CO2 konsantrasyonunu iki katına çıkardığında, yüzeye yakın sıcaklık yaklaşık 2 °C arttı. Weart, “Bu, bir sera ısınması hesaplamasının, uzmanlara makul görünmesi için özellikle su buharının etkileri olmak üzere, temel faktörlerden yeterince içerdiği ilk seferdi” diye yazıyor.
1969’da Manabe ve meslektaşı Kirk Bryan, ilk birleştirilmiş atmosferik ve okyanus modelini yayınladı. 1975’te Manabe ve Wetherald, ilkel bir 3B genel dolaşım modeli oluşturmak için sekiz yıl önceki çalışmalarını temel aldı. Bu sefer, yaklaşık 3 °C’lik bir denge iklim hassasiyetini (atmosferik CO2‘nin iki katına çıkmasından kaynaklanan küresel ortalama yüzey sıcaklığı değişikliğini) hesapladılar.
1970’lere gelindiğinde Manabe ve diğerleri, El Nino-Güney Salınımı’ndaki yıldan yıla değişkenlik gibi, Dünya’nın doğal iklim dalgalanmalarına katkıda bulunan karmaşık, kaotik süreçlerin çoğunu simüle edememelerine rağmen, modelleri başarılı bir şekilde oluşturmuşlardı. Yine de tüm bu süreçlerin önemli kümülatif etkisini göz önünde bulundurarak, iklim bilimcilerinin modellerindeki değişkenliği ölçmek için yollara ihtiyacı vardı.
1970’lerin ortalarında bir konferansa uçarken, Hasselmann bir çözüm buldu. Makroskopik parçacıkların gözlemlenen hareketinin mikroskobik düzeyde sürekli rastgele hareketin sonucu olduğu Brown hareketinden esinlenen Hasselmann, iklimdeki değişiklikleri sürekli rastgele hava rahatsızlıklarının entegre etkileri olarak ele alan bir stokastik iklim modeli geliştirdi.
Hasselmann’ın uzun zaman ölçeklerinde gözlemlenebilir etkilerin nedenlerini deşifre etme konusundaki görüşleri, onu antropojenik bir iklim sinyalini doğal iklim dalgalanmalarından nasıl ayıracağını düşünmeye yönlendirdi. Manabe ve diğerlerinin modelleri, araştırmacıların artan CO2 nedeniyle küresel ısınma potansiyelini keşfetmesine izin vermişti, ancak bu ısınmanın ne kadarının doğal dalgalanmalara (gürültü) karşı dış radyasyon zorlamasının (sinyal) sonucu olduğu açık değildi.
1979 tarihli bir makalesinde Hasselmann, iklim bilimcilerinin model sonuçlarını incelemeleri ve sinyalleri gürültüden ayırt etmeleri için istatistiksel bir plan sağladı. Ayrıca, doğal dalgalanmalarla açıklanamayan etkileri de belirledi.
Nature Climate Change’deki 2019 tarihli bir inceleme, Hasselmann’ın çalışmasını “insan kaynaklı bir ısınma sinyalini tanımlamak için sağlam bir istatistiksel çerçeve sağlamaya yönelik ilk ciddi çaba” olarak adlandırıyor. O zamandan beri, iklim bilimciler artan küresel sıcaklıkların ve gözlemlenen diğer iklimsel etkilerin insan faaliyetlerinin doğrudan sonucu olduğunu artan bir güvenle gösterebildiler.
Bu yılki fizik Nobel duyurusu, İskoçya’nın Glasgow kentinde düzenlenecek Birleşmiş Milletler 26. İklim Değişikliği Konferansı’ndan birkaç hafta önce ve BM Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli’nin (IPCC) Altıncı Değerlendirme Raporunun kısmi olarak yayınlanmasından iki ay sonra geldi. Hasselmann’dan çok etkilenen atıf çalışmalarına dayanan raporun vardığı sonuçlardan biri, “insan etkisinin atmosferi, okyanusu ve toprağı ısıttığının kesin olduğu”dur.
Raporunda, IPCC, denge iklim hassasiyetini 2.5–4 °C’de sabitledi. Kırk iki yıl önce, Karbon Dioksit ve İklim üzerine Ad Hoc Çalışma Grubunda, ABD Ulusal Araştırma Konseyi, olası 1.5-4,5 °C aralığını tahmin etmek için Manabe’nin modelleme çalışmasına güvenmişti. Balaji, “Her şey Manabe’nin yaptığı ilk hesaplamalara dayanıyor” diyor.
Karmaşık bir problemde yeni bir dönüş
Karmaşıklık sadece gezegen ölçeğinde değil, aynı zamanda parçacıkların mikro ölçekte kendilerini nasıl düzenlediklerinde de bulunabilir. Parisi’nin bir spin koleksiyonunun nasıl geniş kapsamlı uygulamalara sahip olduğuna dair 1979 matematiksel açıklaması.
Bir üçgenin üç köşesinin her birine yerleştirilmiş manyetik bir dönüş hayal edin. Spinlerin antiferromanyetik etkileşimleri varsa, tek bir en düşük enerji durumu yoktur. Bir yukarı ve bir aşağı dönüşle, üçüncü dönüş her iki komşuya da antiparalel işaret edemez. Ek dönüşler ve karmaşık geometrik düzenlemelerle durum daha da karmaşıklaşıyor. Eşsiz bir denge olmadığı için, bu tür sözde spin camlar, enerjiyi ellerinden geldiğince en aza indiren çok sayıda yarı kararlı duruma yerleşir. Ancak bu durumlardan hangisine girdiklerini tahmin etmek zor.
1975’te Sam Edwards ve Philip Anderson, sistemin birçok kopyasının konfigürasyonları üzerinden ortalama alma açısından spin-glass problemini yeniden tasavvur ettiler. Bu yaklaşım, karmaşıklığı çoğaltmak yerine, sorunu termodinamik bir hesaplamaya dönüştürerek matematiği basitleştirdi. David Sherrington ve Scott Kirkpatrick, bu modeli sonsuz boyutlara genişletti ve bu da matematiği bir kez daha paradoksal olarak basitleştirdi. Ancak uzantı, düşük sıcaklıklarda negatif entropiyi de öngördü, bu da açık bir sorun işareti. Jairo de Almeida ve David Thouless, 1978’de sorunun, tüm kopyaları birbiriyle eşit olarak ilişkili olarak ele alan kopya simetrisi varsayımında yattığını fark ettiler. Bu kavrayışa rağmen, genel bir çözüm fizikçilerin gözünden kaçtı.
Sonra, bir yıl sonra, Parisi sorunu çözdü. İki kopyanın durumlarının ne kadar benzer olduğunu, başka bir deyişle, iki kopyada N sayıda dönüşün aynı yönü gösterdiğini açıklayan bir parametre sundu. Temel fikir, aşağıda gösterilen ağaçta temsil edilmektedir. Her renkli nokta sistemin bir durumunu temsil eder. Aynı renge sahip herhangi bir durum çifti aynı derecede örtüşür.
Herhangi iki durumun ne kadar benzer olduğunu değerlendirmek için, ağaçta bir durumdan diğerine hareket ederek kaç düğüm geçtiğinizi sayarsınız. Örneğin, kırmızı durumların hepsi bir düğüm ayrıdır ve verilen herhangi bir kırmızı durum, sarı durumdan üç düğüm ve mavi veya yeşil durumların herhangi birinden beş düğümdür. Rastgele seçilen herhangi üç durum için, bunlardan en az ikisi aynı miktarda veya düğüm sayısıyla örtüşür. Bu içgörü, örtüşmelerin dağılımı için düzenli bir denkleme yol açar. (Philip Anderson’ın yazdığı sütuna bakın, Physics Today, Temmuz 1989, sayfa 9.)
Santa Cruz California Üniversitesi’nden A. Peter Young, “Çözüm, kimsenin önceden tahmin etmediğini düşündüğüm bir zenginliğe sahip” diyor. “Son 40 yılda spin-cam literatürünün çoğunu etkiledi.”
Parisi’nin yaklaşımının uygulamaları, spin gözlüklerin çok ötesine ulaştı. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü Lozan’dan Lenka Zdeborová, “Örneğin, sinir ağlarıyla öğrenen modern yapay zeka sistemlerinin performansını anlamak istediğimizde ortaya çıkıyor” diye açıklıyor.
O, “[Parisi’nin] bilimini her gün fizikten matematiğe, bilgisayar bilimi, malzeme bilimi, sinirbilim ve biyolojiye kadar çok çeşitli alanlarda kullanan büyük araştırmacılar topluluğu” olarak nitelendirdiği grubun yalnızca bir üyesidir.
Kaynak: Physics Today