Nobelova nagrada za fiziku za 2021. – Razumijevanje složenih sustava

Na prvi pogled, ovo objašnjenje povjerenstva Kraljevske švedske akademije znanosti djeluje čudno. Preopćenito je. Naime, svaki doprinos u prirodnim znanostima je doprinos našem razumijevanju svijeta, a svako istraživanje u fizici odnosi se na neki fizički sustav. I rijetko su kad ti fizički sustavi jednostavni. Pa ako nisu jednostavni onda su složeni. Onda je “doprinos našem razumijevanju složenih fizičkih sustava” univerzalna fraza, prigodna za opis svakog postignuća u fizici, zar ne? Nešto je tu sumnjivo. Kratka obrazloženja povjerenstva za dodjelu Nobelove nagrade uvijek su pomno sročena, sigurno nisu fraze. Stvar je u tome da je složeni sustav ili kompleksni sustav sintagma s posebnim značenjem.

Što je složeni sustav?

Stvar je u pristupu. Komplicirane probleme fizičari obično raščlanjuju na dijelove pa iz svojstava dijelova i njihovih interakcija izvode objašnjenje cjeline. Taj pristup nazivamo redukcionizam. Na primjer, za rad Čerenkovljevih teleskopa ključni su pljuskovi čestica u atmosferi. A njih uspješno možemo objasniti redukcijskim pristupom: jedna čestica upada u atmosferu gdje s nekom atomskom jezgrom ulazi u interakciju, nastaju nove čestice, mnoštvo njih, koje ulaze u nove interakcije. Poznavanjem svojstava svih čestica koje su u igri i svih relevantnih interakcija možemo predvidjeti svojstva pljuska i utjecaj pljuska na teleskop. Iako je problem složen i ne rješava se analitički nego numeričkim simulacijama pristup njegovom rješavanju je načelno redukcijski.

Postoje, međutim, fizički sustavi kod kojih redukcijski pristup nije prikladan. Poznavanje svojstava djelova i temeljnih interakcija tih dijelova naprosto nije dovoljno za objašnjenje sustava u cjelini. Pristup prema kojem se svojstva cjelovitog sustava ne mogu izvesti raščlanjivnjem na dijelove nego jedino razmatranjem cjeline ima naziv holizam. E, sad oprezno! Holizam je opasan teren s kojeg se lagano sklizne u pseudoznanost. Zapravo su, u svakodnevnom govoru, i redukcionizam i holizam poprimili negativne konotacije pa je mudrije te termine izbjegavati.

Neću, dakle govoriti o holizmu u širem smislu, koji obuhvaća mnoge neznanstvene pristupe. No, jedan vid holizma u užem smislu je primjena posebnih metoda kojima se komplicirani sustav tretira kao cjelina. Svojstva cjeline ne izvode se iz svojstava sastavnih dijelova i njihovih interakcija, ali se i dalje ostaje u okviru znanstvenog pristupa (postavljanje opovrgljive hipoteze, testiranje hipoteze, odbacivanje ili privremeno prihvaćanje hipoteze). U tom slučaju govorimo o složenim sustavima. Na takve se složene sustave referiralo povjerenstvo za dodjelu Nobelove nagrade. Takvim se sustavima bave Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann i Giorgio Parisi.

Primjer složenog sustava je ljudski mozak, ali i druge biološke kategorije kao: stanica, organizam, ekosustav. U fizičkim područjima tipičan primjer složenog sustava je globalna klima. Pa i cijeli svemir možemo tretirati kao jedan složeni fizički sustav. Osim toga, složeni sustavi su društvene i ekonomske organizacije, elektroenergetski sustav i još mnogo toga. No, čime su, od svega toga, svijet zadužili novopečeni nobelovci?

Klima i globalno zatopljenje

Prvu polovinu Nobelove nagrade podijelili su Syukuro Manabe s američkog Sveučilišta u Princetonu i Klaus Hasselmann s njemačkog Instituta za meteorologiju Max Planck “za fizičko modeliranje klime na Zemlji, određivanje varijabilnosti i pouzdano predviđanje globalnog zatopljenja”. Manabe je uvjerljivo pokazao da rast koncentracije ugljikovog dioksida u Zemljinoj atmosferi vodi do povećanja prosječne temperature na površini Zemlje. Svojim je radom postavio temelje za razvoj klimatskih modela.

Hasselmann je uspio povezati vrijeme i klimu te pokazati zašto je klimatski model pouzdan unatoč tome što je (meteorološko) vrijeme kaotično. Također je pronašao način kako razlikovati ljudski utjecaj na klimu od čisto prirodnog utjecaja (koji bi postojao i da nema ljudskog djelovanja na Zemlji). Zahvaljujući tome potvrdio je da je sadašnje globalno zatopljenje posljedica ispuštanja ugljikovog dioksida koje su uzrokovali ljudi.

Nered i fluktuacije

Drugu polovinu Nobelove nagrade dobio je Giorgio Parisi s talijanskog Sveučilišta Sapienza u Rimu “za otkriće odnosa između nereda i fluktuacija u fizičkim sustavima od atomskih do planetarnih razmjera”. Parisi je otkrio skrivene uzorke u neuređenim kompleksnim materijalima. Uspio je povezati nered i fluktuacije (nasumično odstupanje neke fizičke veličine od njezine srednje vrijednosti). Te spoznaje omogućile su razumijevanje i opisivanje složenih sustava ne samo u fizici nego i u mnogim drugim područjima poput matematike, biologije, neuroznanosti i strojnog učenja.

Dario Hrupec docent je na Odjelu za fiziku Sveučilišta u Osijeku. Bavi se visokoenergijskom gama-astronomijom. Član je međunarodnih kolaboracija MAGIC i CTA. Autor je brojnih udžbenika iz fizike te znanstveno-popularizacijskih knjiga “Protiv nadnaravnoga” i “Ažurirani svemir”.