Det kongelige svenske vitenskapsakademiet har tildelt årets Nobelpris i fysikk for arbeid med jordas klima, og teorien om kaos og uordnede systemer. Første halvdel av prisen ble gitt til Syukuro Manabe og Klaus Hasselmann i fellesskap, for deres grunnleggende arbeid om vår atmosfære og hvordan menneskeheten forandrer den. Andre halvdel av prisen ble gitt til Giorgio Parisi for hans bidrag til forståelsen av kaosteori, de underliggende lovene som styrer tilsynelatende tilfeldige fenomener.
Sammenhengen mellom de to halvdelene av tildelingen er «fysiske systemers kompleksitet», som forklart i prisens vitenskapelige begrunnelse. «Fra de største målestokker erfart av mennesker» ned til «mikroskopisk struktur og dynamikk», er det mange prosesser som har tallrike interagerende komponenter som har vist seg vanskelige å beskrive matematisk. Dette årets Nobel feirer viktige milepæler for å forstå slike systemer, deriblant modellering av koblingen mellom vær og klima, og forståelsen av de underliggende mønstre i uordnede molekylære strukturer.
Komplekse systemers grunnleggende karakter er at selv små endringer i de initielle betingelsene over tid produserer svært forskjellige resultater. Små forskjeller i temperatur, trykk eller fuktighet, for eksempel, kan føre til at svært forskjellige værmønstre oppstår. Tidlige datasimuleringer som så på dette spørsmålet ble utført på 1960-tallet av matematikeren Edward Lorenz, som observerte at værmodeller endret seg drastisk da de initielle betingelsene ble avrundet bare fra 0,506127 til 0,506. Resultatene produsert i hvert av scenarioene var helt forskjellige.
Lorenz oppsummerte dette som «Kaos: Når nåtiden bestemmer framtiden, men den omtrentlige nåtiden ikke omtrentlig bestemmer framtiden.»
I populærkulturen blir dette ofte referert til som sommerfugleffekten. Begrepet ble understreket i et spørsmål stilt av meteorologen Philip Merrilees i 1972: «Setter viftingen av en sommerfuglvinge i Brasil av en tornado i Texas?» Som en videreføring av metaforen: Er det lille vindkastet fra viftingen av en sommerfuglvinge en av de mange gjensidig forbundede hendelsene som til slutt fører til en tornado? Er hendelsen en del av en kaskade som fører til store endringer av et værsystem? Og dersom en tornado likevel ble dannet uten vingeviftingen, hvordan kunne dens utviklingsforløp ha vært endret?
Disse eksperimentene besørget bakteppet for Manabes arbeid. Manabe er født i 1931, og kom til skjells år og alder under og i kjølvannet av ødeleggelsene påført Japan av USA under den andre verdenskrig. Etter å ha avlagt sin doktorgradseksamen ved Universitetet i Tokyo i 1958 ble han ansatt av US Weather Bureau’s General Circulation Research Section (nå Geophysical Fluid Dynamics Laboratory ved NOAA). Der begynte han å utvikle klimamodeller, som studerte hvordan forskjeller i mengden karbondioksyd i atmosfæren har innvirkning på globale temperaturer.
Den aller tidligste klimamodellen ble utviklet av den franske fysikeren Joseph Fourier på begynnelsen av 1800-tallet, der han studerte balansen mellom mengden solinnstråling som treffer bakken, mengden energi som stråles ut fra jordas overflate, og hvordan denne balansen bestemmer atmosfærens temperatur.
Ytterligere arbeid ble utført av Svante Arrhenius i 1896, som viste at mengden varme fanget opp av atmosfæren er betinget av gassene som er tilstede i den. Han fant at dobling av mengden karbondioksyd i atmosfæren forårsaket temperaturendringer på opptil 6 grader Celsius, en overestimering på grunn av den tidens nøyaktighet i atmosfæriske målinger. Denne prosessen kalles nå drivhuseffekten.
Manabe bygde videre på dette arbeidet ved å legge til Arrhenius’ modell den vertikale luftstrømmen forårsaket av meteorologifenomenet konveksjon, og vannfordamping og kondenseringen til vanndamp. Dette innebar å løse helheten av ligningene for atmosfærisk varme, luftbevegelser og inn- og utstråling ved hjelp av det som var datidens topp moderne dataprosessering, som dengang kun hadde en halv megabyte av RAM [Radom Access Memory; fritt tilgjengelig lagringsminne]. Denne mer komplekse, men fortsatt relativt enkle klimamodellen bekreftet 1896-resultatet, at en økning av mengden karbondioksyd i atmosfæren hever den globale gjennomsnittlige overflatetemperaturen. De mer sofistikerte beregningene spådde en temperaturendring på fra 2 til 3 grader Celsius som resultat av en dobling av mengden karbondioksyd i atmosfæren.
Simuleringene avslørte videre at endring av mengden oksygen og nitrogen i atmosfæren, som utgjør 99 prosent av lufta vi puster, ga ubetydelige innvirkninger på overflatetemperaturen. I tillegg, når mengden karbondioksyd i atmosfæren stiger, samtidig som temperaturen på overflata blir varmere, blir temperaturene i de øvre lag av atmosfæren kaldere, som utelukker hypotesen at tiltakende solinnstråling forårsaker stigende temperaturer. Begge disse resultatene beviste i 1967 definitivt at økte mengder karbondioksyd forårsaker økte temperaturer på jordoverflata, det vi i dag kaller global oppvarming.
Det var imidlertid fortsatt ingen sammenheng mellom de raskt skiftende værforholdene erfart hver dag, og de mer langstrakte endringene i klima som helhet. Fra den mekaniske utformingen av verdens fysiske lover, framsatt av Isaac Newton, skulle man være i stand til å forutsi både klima og vær med nøyaktighet. Ifølge Newton og seinere Pierre-Simon de Laplace, er verden lineær, og det skulle være mulig å beregne nøyaktig både hva som har skjedd og hva som vil skje, gitt at man kjenner posisjon og momentum av hver en partikkel i universet.
Likevel kan man i beste fall forutsi været bare rundt ti dager i forveien, mens endringer av jordas klima kan og har vært nøyaktig forutsagt i flere tiår. Det er selvfølgelig den praktiske vurderingen at det ikke er noen måte å vite lufttemperatur, fuktighet, vind og trykk på ethvert punkt. Det er også et mer fundamentalt anliggende, nemlig sommerfugleffekten beskrevet tidligere: Små og lokale endringer i atmosfæren kan med domino-effekten føre til langt større endringer. I matematisk språkbruk er utviklingen av et værsystem (og mange andre naturfenomener) kaotisk og ikke-lineær.
Klaus Hasselmann koblet klima og vær, ved å framsette en analogi med et signal og dets støy. Hasselmann er født i 1931 i Hamburg, Tyskland, i en familie som var politisk aktiv i Det tyske sosialdemokratiske partiet (SPD). De flyktet til England i 1934 for å unnslippe nazistenes forfølgelse av kommunister og sosialdemokrater, og bosatte seg til slutt i Welwyn Garden City, England. Hasselmann returnerte først til Hamburg i 1949, vel etter at Sovjetunionen og de andre allierte maktene hadde nedkjempet nazistene. Han fullførte sin utdannelse ved Universitetet i Hamburg, og har jobbet der og ved Max Planck Institutt for meteorologi, som han grunnla, det meste av sin karriere.
Hasselmann’s tidlige forskning handlet om sammenhengen mellom små svingninger på havets overflate og større bølger og havstrømmer. Heller enn å forsøke å holde oversikt over hver en krusning i vannet, observerte han at avvikene forårsaket av disse krusningene, «støyen», til slutt ga et gjennomsnittlig resultat for mange storskala oceaniske egenskaper, «signalet». Denne stokastiske (probabilitiske; sannsynlighetsbaserte) metoden var i stand til å vise at raskt endrede lokale betingelser produserer langsomme variasjoner i havet som helhet.
Han generaliserte deretter sine resultater for klima som en helhet. I stedet for å identifisere små endringer i havet, isolerte Hasselmann endringer i solas innstråling, nivåer av drivhusgasser og andre faktorer, og behandlet dem som støy som over tid ble et gjennomsnitt av endringer i klimaet som helhet. På denne måten besørget han også en måte å identifisere endringer spesielt forårsaket av mennesker, for klimasystemet. All påfølgende klimaforskning har anvendt Hasselmann’s arbeid for å finne mange innvirkninger av menneskelig jordbruks- og industriaktiviteter på klimaet, gjennom tallrike uavhengige observasjoner.
Matematikken som forbinder været til klimaet er imidlertid ikke begrenset til bare meteorologiske studier. De er undergrupper av et langt bredere felt innen fysikken kjent som statistisk mekanikk, og de matematiske studiene av de uordnede systemene, kjent som kaosteori.
Statistisk mekanikk ble utviklet av James C. Maxwell, Ludwig Boltzmann og J. Willard Gibbs på andre halvdel av 1800-tallet. De ble drevet av den newtonske mekanikkens manglende evne til å beskrive bevegelser i gasser, væsker og ethvert system som inneholder et stort antall partikler. Heller enn å prøve å finne utgangsposisjon og momentum for enhver partikkel, behandlet de hver partikkels bevegelse som tilfeldig, og gikk videre til å beregne de gjennomsnittlige fysiske egenskapene til sammensetningen som en helhet.
Temperatur, for eksempel, er den makroskopiske egenskapen til en gass, som kan beregnes som den gjennomsnittlige energien i hver enkelt mikroskopiske gasspartikkel. Trykk er den makroskopiske egenskapen produsert av gjennomsnittskraften til et mangfold av mikroskopiske partikler, når de treffer og spretter av ei overflate.
Kaosteorien bekrefter igjen at under et komplekst systems tilsynelatende tilfeldige bevegelse er det underliggende mønstre og organisering. Det ble initielt i vesentlig grad utviklet av det store universalgeniet Henri Poincaré, som viste at omløpsbanene til begrensede klasser av tre eller flere planetariske legemer simultant kan konstant endres på ustabile måter, men innen fastleggbare grenser.
Disse to feltene ble anvedt av Giorgio Parisi for å løse gåta rundt materialer kjent som spinnglass. Parisi er født i Roma i 1948, og tok doktorgraden i fysikk ved La Sapienza-universitetet i Roma i 1970. Siden har han arbeidet som forsker ved Laboratori Nazionali di Frascati, ved Columbia University i USA, og ved flere andre universiteter. Han er for tiden professor ved La Sapienza-universitet i Roma, og er president for Accademia dei Lincei, en av Europas eldste vitenskapsorganisasjoner.
Parisi’s teoretiske arbeid med spinnglass gjorde ham internasjonalt kjent. Ta i betraktning en metall-legering av kobberatomer med noen få jernatomer tilfeldig blandet inn. Hvert jernatom opptrer som en liten magnet, som tidligere fysisk teori antydet alle ville justere deres orientering i samme retning. Jernatomer spredt gjennom kobber er i stedet frustrerte – noen peker i én retning, mens andre peker i den motsatte. Samtidig som materialet kunne lages og observeres gjennom hele 1970-tallet var det ingen fysisk modell som beskrev hvordan jernatomenes orientering kunne forbli i en tilfeldig stabil tilstand, og ikke lokalt selvorganiseres, som i vanlige magneter.
Parisi’s løsning var enkel og genial: I stedet for bare å tillate to tilstander, opp og ned, tillot han jernatomene et uendelig antall orienteringer. Og han fant en genial matematisk forenkling, kjent som «replika-trikset», som tillot én enkel løsning av dette ellers innfløkte problemet. Denne teknikken har siden blitt anvendt på mange andre vitenskapsfelt, alt fra feltet kvanteteori til utviklingen av algoritmer for maskinlæring.
Et annet poeng oppstår både fra statistisk mekanikk og kaosteori: Ved klart og tydelig å definere et systems tilfeldighet og uorden, kan man forutsi visse brede utfall av ikke-lineære systemer. Man kan også måle med høy grad av presisjon når disse forutsigelsene bryter sammen, og da må granskes på nytt. Med andre ord, materiens tilsynelatende tilfeldige utvikling og kaotisk karakter tillater fortsatt fattbare egenskaper.
Dette er et subtilt poeng. Disse teoriene, og vitenskapen generelt, hevder ikke at alt, overalt, er kjent. Heller at ethvert av naturens aspekter, uansett hvor komplekst, styres av lover som kan brukes til å forstå og forutsi fenomener. Viktigst av alt, disse lovene kan forstås av mennesker som utvikler stadig mer korrekte tilnærminger av virkeligheten, og i sin helhet har dette fortløpende økt vår mestring av naturen.
Det at naturen er fattbar har også sosiale implikasjoner. Nødvendigheten av å avverge en økologisk katastrofe forårsaket av klimaendringer er ett eksempel. De enorme farene presentert av den pågående koronaviruspandemien er et annet.
På den mikroskopiske målestokken er spredningen av sykdommen styrt i all vesentlig grad av virusets reproduktive tall (R-0), hvor mange andre mennesker vil bli smittet av én enkelt infisert person. Delta-varianten av SARS-CoV-2 anslås å ha et initielt R-tall på seks. På den makroskopiske målestokken er imidlertid det faktum at den dødelige smitten vedvarer, nå nesten to år etter at den først ble identifisert, knyttet opp til det langt mer komplekse systemet av sosiale forbindelser som er styrt av inndelingen av verden i rivaliserende nasjon-stater og pådrivet for akkumulering av privat profitt, kapitalismen.