Theo trang web chính thức của Giải Nobel, vào lúc 17:49 giờ Bắc Kinh ngày 5 tháng 10, Giải Nobel Vật lý năm 2021 đã được trao cho "những đóng góp tiên phong cho việc hiểu biết các hệ thống phức tạp", trong đó Syukuro Manabe và Klaus Hasselmann chia nhau một nửa để ghi nhận "mô hình vật lý về khí hậu Trái đất, định lượng biến động và dự đoán đáng tin cậy về sự nóng lên toàn cầu", và nửa còn lại được trao cho Giorgio Parisi để ghi nhận "phát hiện về ảnh hưởng lẫn nhau của sự hỗn loạn và biến động trong các hệ thống vật lý từ quy mô nguyên tử đến quy mô hành tinh. “
Viết bởi | Fanpu
Vào lúc 11:45 sáng giờ địa phương ngày 5 tháng 10 năm 2021 tại Thụy Điển (17:45 chiều giờ Bắc Kinh ngày 5 tháng 10), Giải Nobel Vật lý đã được công bố. Một nửa giải thưởng được chia cho nhà khí tượng học người Mỹ gốc Nhật Syukuro Manabe và nhà hải dương học kiêm chuyên gia mô hình khí hậu người Đức Klaus Hasselmann nhằm ghi nhận "mô hình vật lý về khí hậu Trái Đất, định lượng biến động và dự đoán đáng tin cậy về hiện tượng nóng lên toàn cầu" của họ; nửa giải còn lại được trao cho nhà vật lý lý thuyết người Ý Giorgio Parisi để ghi nhận "phát hiện của ông về sự tương tác giữa sự hỗn loạn và biến động trong các hệ thống vật lý từ quy mô nguyên tử đến quy mô hành tinh".
Trong số đó, Parisi sinh năm 1948 và là giáo sư tại Khoa Vật lý của Đại học Roma I ''La Sapienza''. Các lĩnh vực nghiên cứu của ông chủ yếu tập trung vào lý thuyết trường lượng tử, cơ học thống kê và hệ thống phức tạp. Cho đến nay, Parisi đã giành được nhiều giải thưởng, bao gồm Giải thưởng Dirac năm 1999, Giải thưởng Fermi năm 2002, Giải thưởng Heineman về Vật lý toán học năm 2005 và Giải thưởng Wolf năm 2021.
Tại buổi họp báo trao giải Nobel, một phóng viên đã hỏi Parisi liệu ông có mong đợi giành được giải Nobel hay không. Parisi trả lời "khả năng không thể bỏ qua", đây là câu trả lời mang tính "vật lý thống kê".
Wen Xiaogang, giáo sư tại Viện Công nghệ Massachusetts và tổng biên tập Fanpu, cho biết trong vật lý, đóng góp nổi tiếng nhất của Parisi là phương pháp mô phỏng mà ông phát triển cùng với Mezard và Virasoro. Một hệ thống phức tạp thường nằm trong một môi trường ngẫu nhiên. Ví dụ, khi nước chảy xuống núi, địa hình sẽ trở thành môi trường rất phức tạp và ngẫu nhiên. Các mômen từ của tạp chất từ trong chất bán dẫn có tương tác ngẫu nhiên vì khoảng cách giữa các tạp chất là ngẫu nhiên. Đôi khi, các mômen từ này được sắp xếp thành trạng thái có trật tự do tương tác, và đôi khi chúng lại tạo thành trạng thái hỗn loạn (còn gọi là trạng thái thủy tinh spin). Để hiểu được những hiện tượng vật lý này, chúng ta phải biết cách xử lý những tương tác ngẫu nhiên. Kỹ thuật sao chép là một kỹ thuật tiêu chuẩn để xử lý các tương tác ngẫu nhiên. Một kỹ thuật khác để xử lý các tương tác ngẫu nhiên là áp dụng các kỹ thuật siêu đối xứng có phần hạn chế (nhưng siêu đối xứng ở đây và siêu đối xứng trong vật lý hạt, mặc dù có cùng tên, nhưng không phải là một).
Kỹ thuật sao chép có thể được áp dụng cho bất kỳ tương tác ngẫu nhiên nào. Tại sao kỹ thuật có thể sao chép này lại có thể tạo ra kết quả chính xác vẫn còn là một bí ẩn cho đến ngày nay. Bởi vì kỹ thuật sao chép là một phương pháp rất kỳ lạ. Nó sao chép một hệ thống ngẫu nhiên thành N bản sao và sau đó tính trung bình các tương tác ngẫu nhiên. Tuy nhiên, kết quả vật lý chỉ có thể thu được khi N tiến tới giới hạn 0. Thoạt nhìn, đây có vẻ như là một mẹo gần như không thể thực hiện đúng. Nhưng điều thú vị là khi áp dụng kỹ thuật phức tạp này vào một số mô hình có thể giải quyết được một cách chặt chẽ thì kết quả thu được là chính xác. Kỹ thuật này hiện nay được chấp nhận rộng rãi và áp dụng cho nhiều hệ thống ngẫu nhiên phức tạp và đã trở thành nền tảng của lĩnh vực này.
Sau đây là phần giới thiệu chính thức của Ủy ban Giải Nobel:
Mọi hệ thống phức tạp đều được tạo thành từ nhiều bộ phận khác nhau tương tác với nhau. Các nhà vật lý đã nghiên cứu chúng trong nhiều thế kỷ và chúng rất khó để mô tả bằng toán học - chúng có thể có số lượng thành phần lớn hoặc bị chi phối bởi sự ngẫu nhiên. Chúng cũng có thể là những hệ thống hỗn loạn, giống như thời tiết, trong đó những sai lệch nhỏ trong các giá trị ban đầu có thể dẫn đến những khác biệt lớn sau này. Những người đoạt giải năm nay đều có đóng góp vào sự hiểu biết sâu sắc hơn của chúng ta về các hệ thống như vậy và quá trình phát triển lâu dài của chúng.
Khí hậu Trái Đất là một trong nhiều ví dụ về một hệ thống phức tạp. Manabe và Hasselmann đã được trao giải Nobel cho công trình tiên phong của họ trong việc phát triển các mô hình khí hậu. Parisi được trao giải thưởng vì những giải pháp lý thuyết của ông cho nhiều vấn đề khác nhau trong lý thuyết hệ thống phức tạp.
Manabe đã chứng minh rằng nồng độ carbon dioxide tăng cao trong khí quyển sẽ dẫn đến nhiệt độ tăng cao trên bề mặt Trái Đất. Vào những năm 1960, ông đã lãnh đạo việc phát triển các mô hình vật lý về khí hậu Trái Đất và là người đầu tiên khám phá sự tương tác giữa sự cân bằng bức xạ và sự vận chuyển theo chiều thẳng đứng của khối không khí. Công trình của ông đã đặt nền tảng cho sự phát triển của các mô hình khí hậu.
Khoảng một thập kỷ sau, Klaus Hasselmann đã tạo ra một mô hình liên kết thời tiết và khí hậu với nhau, trả lời câu hỏi tại sao các mô hình khí hậu có thể đáng tin cậy bất chấp sự biến đổi và hỗn loạn của thời tiết. Ông cũng phát triển các phương pháp để xác định các tín hiệu cụ thể hoặc dấu vân tay mà các hiện tượng tự nhiên và hoạt động của con người để lại trên khí hậu. Phương pháp của ông đã được sử dụng để chứng minh rằng nhiệt độ khí quyển tăng cao là do con người thải ra khí carbon dioxide.
Khoảng năm 1980, Giorgio Parisi đã phát hiện ra những quy luật ẩn giấu trong các vật liệu phức tạp, hỗn loạn. Khám phá của ông là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho lý thuyết hệ thống phức tạp. Chúng giúp hiểu và mô tả nhiều vật liệu và hiện tượng phức tạp khác nhau, dường như hoàn toàn ngẫu nhiên, không chỉ trong vật lý mà còn trong nhiều lĩnh vực khác như toán học, sinh học, khoa học thần kinh và máy học.
Hiệu ứng nhà kính rất cần thiết cho sự sống
Hai trăm năm trước, nhà vật lý người Pháp Joseph Fourier đã nghiên cứu sự cân bằng năng lượng giữa sự hấp thụ bức xạ mặt trời của mặt đất và sự phát xạ bức xạ. Ông hiểu được vai trò của bầu khí quyển trong sự cân bằng này; trên bề mặt Trái Đất, bức xạ mặt trời chiếu tới được chuyển đổi thành bức xạ hướng ra ngoài - "nhiệt tối" - được khí quyển hấp thụ, do đó làm nóng khí quyển. Tác dụng bảo vệ của bầu khí quyển hiện nay được gọi là hiệu ứng nhà kính. Tên gọi này xuất phát từ sự giống nhau của nó với kính nhà kính, cho phép các tia nắng mặt trời đi qua nhưng giữ nhiệt lại bên trong. Tuy nhiên, các quá trình bức xạ trong khí quyển phức tạp hơn nhiều.
Nhiệm vụ này giống như nhiệm vụ của Fourier - nghiên cứu sự cân bằng giữa bức xạ sóng ngắn từ Mặt trời chiếu tới Trái đất và bức xạ hồng ngoại sóng dài do Trái đất phát ra. Trong hai thế kỷ tiếp theo, nhiều nhà khoa học về khí hậu đã đưa ra những chi tiết. Các mô hình khí hậu hiện đại là công cụ cực kỳ hữu hiệu để hiểu không chỉ về khí hậu mà còn về tình trạng nóng lên toàn cầu do con người gây ra.
Các mô hình này dựa trên các định luật vật lý và được phát triển từ các mô hình dự báo thời tiết. Thời tiết được mô tả bằng các thông số khí tượng như nhiệt độ, lượng mưa, gió hoặc mây, và chịu ảnh hưởng bởi những gì xảy ra trên đại dương và đất liền. Các mô hình khí hậu dựa trên các tính chất thống kê được tính toán của thời tiết, chẳng hạn như giá trị trung bình, độ lệch chuẩn, phép đo cực đại và cực tiểu, v.v. Chúng không thể cho chúng ta biết thời tiết ở Stockholm sẽ như thế nào vào ngày 10 tháng 12 năm sau, nhưng chúng ta có thể biết được nhiệt độ và lượng mưa trung bình ở Stockholm vào tháng 12.
Xác định vai trò của cacbon dioxit
Hiệu ứng nhà kính rất cần thiết cho sự sống trên Trái Đất. Nó kiểm soát nhiệt độ vì các khí nhà kính trong khí quyển — carbon dioxide, methane, hơi nước và các loại khác — trước tiên hấp thụ bức xạ hồng ngoại từ Trái đất và sau đó giải phóng năng lượng đã hấp thụ, làm nóng không khí xung quanh và mặt đất bên dưới.
Trên thực tế, khí nhà kính chỉ chiếm một phần nhỏ trong bầu khí quyển khô của Trái Đất, chủ yếu là nitơ và oxy - chúng chiếm 99% theo thể tích. Cacbon dioxit chỉ chiếm 0,04% thể tích. Loại khí nhà kính mạnh nhất là hơi nước, nhưng chúng ta không thể kiểm soát nồng độ hơi nước trong khí quyển, trong khi chúng ta có thể kiểm soát nồng độ carbon dioxide.
Lượng hơi nước trong khí quyển phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, dẫn đến cơ chế phản hồi. Càng nhiều carbon dioxide trong khí quyển, nhiệt độ càng cao và càng có nhiều hơi nước trong không khí, làm tăng hiệu ứng nhà kính và khiến nhiệt độ tăng cao hơn nữa. Nếu nồng độ carbon dioxide giảm, một phần hơi nước sẽ ngưng tụ và nhiệt độ sẽ giảm.
Mảnh ghép quan trọng đầu tiên của câu đố về tác động của carbon dioxide đến từ nhà nghiên cứu người Thụy Điển và là người đoạt giải Nobel Svante Arrhenius. Tình cờ thay, đồng nghiệp của ông, nhà khí tượng học Nils Ekholm, là người đầu tiên sử dụng từ "nhà kính" vào năm 1901 để mô tả quá trình lưu trữ và bức xạ nhiệt của khí quyển.
Arrhenius đã hiểu được bản chất vật lý của hiệu ứng nhà kính vào cuối thế kỷ 19 - bức xạ tỷ lệ thuận với lũy thừa bốn (T4) của nhiệt độ tuyệt đối (T) của nguồn bức xạ. Nguồn bức xạ càng nóng thì bước sóng của tia càng ngắn. Nhiệt độ bề mặt của Mặt trời là 6000°C và chủ yếu phát ra ánh sáng ở quang phổ khả kiến. Nhiệt độ bề mặt Trái Đất chỉ là 15°C và bức xạ hồng ngoại mà chúng ta không thể nhìn thấy. Nếu bầu khí quyển không hấp thụ bức xạ hồng ngoại này, nhiệt độ bề mặt sẽ chỉ là -18°C.
Arrhenius thực ra đang cố gắng tìm ra nguyên nhân của hiện tượng kỷ băng hà mới được phát hiện gần đây. Ông kết luận rằng nếu nồng độ carbon dioxide trong khí quyển giảm một nửa thì đủ để đẩy Trái Đất vào kỷ băng hà mới. Điều ngược lại cũng đúng – việc tăng gấp đôi lượng CO2 sẽ dẫn đến nhiệt độ tăng 5-6°C, một kết quả mà may mắn thay là khá gần với ước tính hiện tại.
Mô hình đột phá về tác động của carbon dioxide
Vào những năm 1950, nhà vật lý khí quyển người Nhật Tokuro Manabe đã rời đất nước Nhật Bản đang bị chiến tranh tàn phá với tư cách là một trong những học giả trẻ tài năng của Tokyo để tiếp tục sự nghiệp của mình tại Hoa Kỳ. Mục tiêu nghiên cứu của Manabe, giống như nghiên cứu của Arrhenius khoảng 70 năm trước, là tìm hiểu xem mức độ carbon dioxide tăng cao dẫn đến nhiệt độ tăng như thế nào. Trong khi Arrhenius tập trung vào sự cân bằng bức xạ, Manabe đã dẫn đầu sự phát triển của các mô hình vật lý vào những năm 1960, kết hợp sự vận chuyển theo chiều thẳng đứng của khối khí do sự đối lưu và nhiệt ẩn của hơi nước.
Để những phép tính này có thể tiếp cận được, ông đã quyết định thu hẹp mô hình xuống còn một chiều—một hình trụ thẳng đứng kéo dài 40 km vào bầu khí quyển. Mặc dù vậy, hàng trăm giờ tính toán quý báu đã được dành ra để thử nghiệm mô hình bằng cách thay đổi nồng độ khí trong khí quyển. Trong khi oxy và nitơ có tác động không đáng kể đến nhiệt độ bề mặt thì tác động của carbon dioxide lại rất đáng kể: khi nồng độ carbon dioxide tăng gấp đôi, nhiệt độ toàn cầu sẽ tăng hơn 2°C.
Cân bằng nhiệt khí quyển cho phân bố độ ẩm tương đối nhất định. Nguồn: Tạp chí khoa học khí quyển, Tập. 24, Số 3, Tháng 5.
Mô hình xác nhận rằng sự nóng lên này thực sự là do sự gia tăng carbon dioxide, vì nó dự đoán nhiệt độ tăng gần mặt đất và làm mát ở tầng khí quyển trên. Nếu sự thay đổi trong bức xạ mặt trời là nguyên nhân gây ra sự gia tăng nhiệt độ, thì toàn bộ bầu khí quyển phải nóng lên cùng một lúc.
Sáu mươi năm trước, máy tính chậm hơn hiện nay hàng trăm nghìn lần, do đó mô hình này tương đối đơn giản, nhưng Manabe đã nắm đúng các tính năng chính. Ông nói rằng bạn phải luôn đơn giản hóa. Bạn không thể cạnh tranh với sự phức tạp của thiên nhiên - có quá nhiều yếu tố vật lý liên quan đến từng giọt mưa đến nỗi không thể tính toán đầy đủ mọi thứ. Những hiểu biết sâu sắc từ mô hình một chiều đã dẫn đến mô hình khí hậu ba chiều, được Manabe công bố vào năm 1975, một cột mốc quan trọng khác trên con đường tìm hiểu bí mật của khí hậu.
Thời tiết hỗn loạn
Khoảng một thập kỷ sau kết quả của Manabe, Klaus Hasselmann đã thành công trong việc liên kết thời tiết và khí hậu bằng cách tìm ra cách giải thích những thay đổi nhanh chóng và hỗn loạn của thời tiết vốn rất khó tính toán. Do bức xạ mặt trời phân bố không đều theo địa lý và thời gian nên thời tiết trên hành tinh của chúng ta thay đổi rất nhiều. Trái Đất hình tròn nên lượng tia từ mặt trời chiếu tới các vùng vĩ độ cao ít hơn so với lượng tia chiếu tới các vùng vĩ độ thấp gần đường xích đạo. Không chỉ vậy, trục Trái Đất còn nghiêng, tạo ra sự khác biệt theo mùa trong lượng bức xạ chiếu tới. Sự chênh lệch mật độ giữa khối không khí nóng và lạnh dẫn đến sự truyền nhiệt lớn giữa các vĩ độ khác nhau, giữa đại dương và đất liền, giữa khối không khí cao hơn và thấp hơn, ảnh hưởng đến thời tiết trên hành tinh của chúng ta.
Việc đưa ra dự báo thời tiết đáng tin cậy cho mười ngày tới là một thách thức lớn. Hai trăm năm trước, nhà khoa học nổi tiếng người Pháp Laplace đã nói rằng nếu chúng ta biết vị trí và tốc độ của tất cả các hạt trong vũ trụ, chúng ta có thể tính toán được những gì đã xảy ra và những gì sẽ xảy ra trong thế giới của chúng ta. Về nguyên tắc, điều này là đúng, và ba trăm năm định luật chuyển động của Newton, cũng mô tả quá trình vận chuyển không khí trong khí quyển, hoàn toàn mang tính quyết định - chúng không được xác định một cách ngẫu nhiên.
Tuy nhiên, khi nói đến thời tiết, không gì có thể tệ hơn. Một phần là vì thực tế không thể mô tả nhiệt độ không khí, áp suất, độ ẩm hoặc điều kiện gió tại mọi điểm trong khí quyển một cách chính xác. Các phương trình này không tuyến tính và những sai lệch nhỏ trong các giá trị ban đầu có thể khiến hệ thống thời tiết diễn biến theo những cách hoàn toàn khác nhau. Cho dù một con bướm vỗ cánh ở Brazil có thể gây ra một cơn lốc xoáy ở Texas - hiện tượng này được gọi là hiệu ứng cánh bướm. Trên thực tế, điều này có nghĩa là không thể đưa ra dự báo thời tiết dài hạn - thời tiết rất hỗn loạn; một khám phá được thực hiện vào những năm 1960 bởi nhà khí tượng học người Mỹ Edward Lorenz, người đã đặt nền móng cho thuyết hỗn loạn ngày nay.
Làm cho dữ liệu nhiễu có ý nghĩa
Mặc dù thời tiết là ví dụ điển hình của hệ thống hỗn loạn, làm thế nào chúng ta có thể xây dựng các mô hình khí hậu đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ hoặc nhiều thế kỷ tới? Vào khoảng năm 1980, Klaus Hasselmann đã chứng minh được hiện tượng thời tiết thay đổi hỗn loạn có thể được mô tả như tiếng ồn thay đổi nhanh chóng, qua đó đặt nền tảng khoa học vững chắc cho dự báo khí hậu dài hạn. Ngoài ra, ông còn phát triển một phương pháp để xác định ảnh hưởng của con người đến nhiệt độ toàn cầu được quan sát.
Khi còn là một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý trẻ vào những năm 1950, Hasselmann đã tiến hành nghiên cứu về cơ học chất lưu tại Hamburg, Đức, và sau đó bắt đầu phát triển các mô hình quan sát và lý thuyết về sóng và dòng chảy. Sau đó, ông chuyển đến California, nơi ông tiếp tục nghiên cứu hải dương học và gặp gỡ những người bạn nghiên cứu khác như Charles David Keeling, người mà gia đình Hasselmann đã cùng nhau thành lập một dàn hợp xướng lễ hội. Huyền thoại về Keeling nằm ở chỗ ngay từ năm 1958, ông đã bắt đầu thực hiện phép đo carbon dioxide trong khí quyển dài nhất từ trước đến nay tại Đài quan sát Mauna Loa ở Hawaii. Hasselmann không biết rằng trong các nghiên cứu sau này của mình, ông thường xuyên sử dụng đường cong Keeling, biểu đồ cho thấy sự thay đổi nồng độ carbon dioxide.
Có thể minh họa việc thu thập mô hình khí hậu từ dữ liệu thời tiết nhiễu bằng cách dắt chó đi dạo: Con chó không vâng lời và chạy tới chạy lui, trái và phải, quanh chân bạn. Làm sao bạn có thể biết được bạn đang đi hay đứng yên qua dấu chân của chó? Hay bạn đi nhanh hay chậm? Dấu chân của chó là sự thay đổi của thời tiết, trong khi bước đi của bạn là khí hậu đã được tính toán. Liệu có thể sử dụng dữ liệu thời tiết hỗn loạn và nhiễu loạn để rút ra kết luận về xu hướng khí hậu dài hạn không?
Một khó khăn nữa là những biến động ảnh hưởng đến khí hậu thay đổi rất nhiều theo thời gian - chúng có thể diễn ra nhanh, như tốc độ gió hoặc nhiệt độ không khí, hoặc rất chậm, như băng tan và đại dương ấm lên. Ví dụ, sự gia tăng đồng đều một độ có thể mất một nghìn năm đối với đại dương nhưng chỉ mất vài tuần đối với khí quyển. Bí quyết quyết định là kết hợp những thay đổi nhanh chóng của thời tiết dưới dạng tiếng ồn vào các phép tính và chỉ ra tiếng ồn này ảnh hưởng đến khí hậu như thế nào.
Hasselmann đã tạo ra một mô hình khí hậu ngẫu nhiên, có nghĩa là tính ngẫu nhiên được đưa vào mô hình. Ông lấy cảm hứng từ lý thuyết chuyển động Brown của Einstein, còn được gọi là chuyển động ngẫu nhiên. Sử dụng lý thuyết này, Hasselmann đã chứng minh rằng bầu khí quyển thay đổi nhanh chóng thực sự có thể gây ra những thay đổi chậm ở đại dương.
Xác định dấu vết ảnh hưởng của con người
Sau khi các mô hình biến đổi khí hậu hoàn thiện, Hasselmann đã phát triển các phương pháp để xác định tác động của con người lên hệ thống khí hậu. Ông phát hiện ra rằng các mô hình này, cùng với các quan sát và cân nhắc về mặt lý thuyết, chứa đựng đầy đủ thông tin về đặc điểm của tiếng ồn và tín hiệu. Ví dụ, những thay đổi về bức xạ mặt trời, các hạt núi lửa hoặc mức khí nhà kính để lại những tín hiệu hoặc dấu vân tay đặc biệt có thể phân lập được. Phương pháp lấy dấu vân tay này cũng có thể được áp dụng để xác định tác động của con người lên hệ thống khí hậu. Do đó, Hasselman đã mở đường cho nghiên cứu sâu hơn về biến đổi khí hậu, chứng minh dấu vết ảnh hưởng của con người đến khí hậu thông qua số lượng lớn các quan sát độc lập.
Các mô hình khí hậu ngày càng trở nên phức tạp hơn vì các quá trình tương tác phức tạp của khí hậu đã được lập bản đồ chi tiết hơn, đặc biệt là thông qua các phép đo vệ tinh và quan sát thời tiết. Các mô hình cho thấy rõ ràng hiệu ứng nhà kính đang diễn ra nhanh hơn: lượng carbon dioxide trong khí quyển đã tăng 40% kể từ giữa thế kỷ 19. Bầu khí quyển của Trái Đất chưa từng chứa nhiều carbon dioxide đến vậy trong hàng trăm nghìn năm. Tương ứng, các phép đo nhiệt độ cho thấy Trái Đất đã ấm lên 1°C trong 150 năm qua.
Manabe và Hasselmann đã có những đóng góp to lớn nhất cho nhân loại theo tinh thần của Alfred Nobel, cung cấp nền tảng vật lý vững chắc để chúng ta hiểu biết về khí hậu Trái Đất. Chúng ta không thể tiếp tục nói rằng chúng ta không biết nữa – các mô hình khí hậu là không thể nhầm lẫn. Trái Đất có đang nóng lên không? Đúng. Có phải là do lượng khí nhà kính trong khí quyển tăng lên không? Đúng. Liệu điều này có thể được giải thích chỉ bằng các yếu tố tự nhiên không? KHÔNG. Có phải khí thải của con người là nguyên nhân gây ra nhiệt độ tăng cao không? Đúng.
Phương pháp chuẩn cho hệ thống ngẫu nhiên
Vào khoảng năm 1980, Giorgio Parisi đã trình bày phát hiện của mình về cách các hiện tượng ngẫu nhiên có thể được chi phối bởi các quy tắc ẩn. Công trình của ông hiện được coi là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho lý thuyết hệ thống phức tạp.
Nghiên cứu hiện đại về các hệ thống phức tạp có nguồn gốc từ cơ học thống kê được phát triển vào nửa sau thế kỷ 19 bởi Maxwell, Boltzmann và Gibbs. Gibbs đặt tên cho lĩnh vực này là cơ học thống kê vào năm 1884. Cơ học thống kê nảy sinh từ nhận thức rằng cần có một phương pháp mới để mô tả các hệ thống bao gồm số lượng lớn các hạt, chẳng hạn như khí hoặc chất lỏng. Phương pháp này phải tính đến chuyển động ngẫu nhiên của các hạt, vì vậy ý tưởng cơ bản là tính toán hiệu ứng trung bình của các hạt thay vì nghiên cứu từng hạt riêng lẻ. Ví dụ, nhiệt độ trong chất khí là thước đo năng lượng trung bình của các hạt khí. Cơ học thống kê đã thành công rực rỡ vì nó đưa ra lời giải thích vi mô cho các tính chất vĩ mô như nhiệt độ và áp suất trong chất khí và chất lỏng.
Các hạt trong khí có thể được coi như những quả cầu nhỏ có tốc độ tăng khi nhiệt độ tăng. Khi nhiệt độ giảm hoặc áp suất tăng, những quả cầu này đầu tiên ngưng tụ thành chất lỏng và sau đó thành chất rắn. Những chất rắn như vậy thường là tinh thể trong đó các quả cầu được sắp xếp theo một mô hình đều đặn. Tuy nhiên, nếu sự thay đổi diễn ra nhanh chóng, các quả cầu có thể tạo thành một mô hình không đều ngay cả khi chất lỏng tiếp tục nguội hoặc co lại với nhau. Nếu thí nghiệm được lặp lại, các quả bóng sẽ cho thấy một kiểu mẫu mới, mặc dù những thay đổi diễn ra theo cùng một cách chính xác. Tại sao kết quả lại khác nhau?
Hiểu về sự phức tạp
Những quả bóng nén này là mô hình đơn giản của thủy tinh thông thường và các vật liệu dạng hạt như cát hoặc sỏi. Tuy nhiên, chủ đề của tác phẩm gốc của Parisi là một hệ thống khác - kính quay. Đây là một loại hợp kim kim loại đặc biệt trong đó, ví dụ, các nguyên tử sắt được trộn ngẫu nhiên vào một lưới các nguyên tử đồng. Ngay cả với chỉ một vài nguyên tử sắt, chúng cũng làm thay đổi đáng kể tính chất từ tính của vật liệu theo một cách khó hiểu. Mỗi nguyên tử sắt hoạt động giống như một nam châm nhỏ hoặc quay tròn và chịu ảnh hưởng của các nguyên tử sắt khác ở gần nó. Trong một nam châm bình thường, tất cả các vòng quay đều hướng theo cùng một hướng, nhưng trong kính quay, chúng bị cản trở; một số cặp spin muốn chỉ cùng một hướng, trong khi những cặp khác lại chỉ theo hướng ngược nhau - vậy làm thế nào để chúng tìm được hướng tốt nhất?
Parisi đã viết trong lời tựa cuốn sách của mình về kính xoay rằng việc nghiên cứu kính xoay cũng giống như xem một bi kịch của con người trong vở kịch của Shakespeare. Sẽ rất khó chịu nếu bạn muốn làm bạn với hai người cùng một lúc nhưng họ lại ghét nhau. Điều này đặc biệt đúng trong bi kịch cổ điển, nơi bạn bè và kẻ thù đầy cảm xúc gặp nhau trên sân khấu. Làm thế nào để giảm thiểu căng thẳng trong phòng?
Kính quay và các tính chất kỳ lạ của chúng cung cấp mô hình cho các hệ thống phức tạp. Vào những năm 1970, nhiều nhà vật lý, bao gồm một số người đoạt giải Nobel, đã tìm cách mô tả loại kính quay bí ẩn và khó hiểu này. Một phương pháp họ sử dụng là thủ thuật sao chép, một kỹ thuật toán học xử lý nhiều bản sao của một hệ thống cùng một lúc. Tuy nhiên, những tính toán ban đầu tỏ ra không khả thi xét về mặt vật lý.
Bước đột phá mang tính quyết định đến vào năm 1979 khi Parisi chứng minh được vấn đề về kính quay có thể được giải quyết bằng cách khai thác khéo léo kỹ thuật mô phỏng. Ông đã phát hiện ra một cấu trúc ẩn trong những bản sao này và tìm ra cách toán học để mô tả nó. Phải mất nhiều năm thì giải pháp của Parisi mới được chứng minh là đúng về mặt toán học. Kể từ đó, phương pháp của ông đã được áp dụng cho nhiều hệ thống hỗn loạn và trở thành nền tảng của lý thuyết hệ thống phức tạp.
Kính quay và vật liệu dạng hạt là những ví dụ về hệ thống hỗn loạn trong đó các thành phần khác nhau phải tự sắp xếp theo cách thỏa hiệp để tìm ra sự thỏa hiệp với nhau. Câu hỏi đặt ra là hành vi và hậu quả của chúng là gì. Parisi là bậc thầy trong việc trả lời những câu hỏi này cho nhiều vật liệu và hiện tượng khác nhau. Những khám phá cơ bản của ông về cấu trúc kính spin sâu sắc đến mức chúng không chỉ có ý nghĩa đối với vật lý mà còn đối với toán học, sinh học, khoa học thần kinh và máy học, vì tất cả các lĩnh vực này đều có những vấn đề liên quan trực tiếp đến sự thất vọng.
Parisi cũng nghiên cứu nhiều hiện tượng khác trong đó các quá trình ngẫu nhiên đóng vai trò quyết định trong sự hình thành và phát triển của các cấu trúc và giải quyết các câu hỏi như: Tại sao chúng ta lại có thời kỳ băng hà định kỳ? Có mô tả toán học tổng quát hơn về hệ thống hỗn loạn và hệ thống nhiễu loạn không? Hoặc - các mô hình xuất hiện như thế nào trong tiếng rì rào của hàng ngàn con sáo? Câu hỏi này có vẻ rất xa vời với kính xoay. Tuy nhiên, Parisi cho biết phần lớn nghiên cứu của ông là về cách các hành vi đơn giản có thể dẫn đến các hành vi tập thể phức tạp, điều này áp dụng cho cả chim sáo và chim sáo đá.
Giorgio Parisi (1948-)
Giorgio Parisi sinh ra tại Ý vào năm 1948 và nhận bằng từ Đại học Rome vào năm 1970. Ông là nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Frascati (1971–1981) và là học giả thỉnh giảng tại Đại học Columbia, Institut des Hautes Études Scientifiques và École Normale Supérieure ở Paris. Hiện ông là giáo sư về lý thuyết lượng tử tại Đại học Sapienza ở Rome. Parisi là thành viên của Viện Hàn lâm Khoa học Ý, thành viên nước ngoài của Viện Hàn lâm Khoa học Pháp và thành viên nước ngoài của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ.
Parisi đã giành được Giải thưởng Boltzmann năm 1986 và 1992, Giải thưởng Dirac năm 1999, Giải thưởng Enrico Fermi năm 2002, Giải thưởng Danny Heinemann về Vật lý toán học năm 2005, Giải thưởng Lagrange năm 2009, Huy chương Max Planck năm 2011, Giải thưởng Vật lý hạt và năng lượng cao năm 2015 và Giải thưởng Lars Onsager năm 2016.
Syukuro Manabe (1931-)
Syukuro Manabe sinh năm 1931 tại tỉnh Ehime, Nhật Bản. Từ năm 1953 đến năm 1958, ông lấy bằng cử nhân, thạc sĩ và tiến sĩ tại Đại học Tokyo, Nhật Bản. Sau đó, ông đến Hoa Kỳ và làm việc trong lĩnh vực nghiên cứu khí tượng tại Cục Thời tiết Hoa Kỳ và Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia. Từ năm 1997 đến năm 2002, ông giữ chức giám đốc dự án nghiên cứu về hiện tượng nóng lên toàn cầu tại Trung tâm nghiên cứu biên giới Nhật Bản về biến đổi toàn cầu. Hiện ông là nhà nghiên cứu cao cấp tại Đại học Princeton.
Vào những năm 1960, Tokuro Manabe đã phát triển một mô hình số có thể tái tạo và dự đoán toàn bộ khí hậu Trái Đất trên máy tính dựa trên các định luật vật lý. Mô hình này lần đầu tiên chứng minh rõ ràng tác động của nồng độ carbon dioxide trong khí quyển đến khí hậu, thu hút sự chú ý của cộng đồng quốc tế đến tình trạng nóng lên toàn cầu và dẫn đến việc thành lập Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu của Liên hợp quốc (IPCC).
Syukuro Manabe là người đầu tiên giành Giải thưởng Hành tinh Xanh năm 1992, Giải thưởng Asahi năm 1995, Giải thưởng Môi trường Volvo năm 1997, Huy chương Benjamin Franklin năm 2015, Giải thưởng Biên giới công bằng của BBVA năm 2016, Giải thưởng Crafoord do Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển trao tặng năm 2018 và được ghi danh vào Đại sảnh Danh vọng Trái đất Kyoto năm 2009.
Klaus Hasselmann (1931-)
Klaus Hasselmann sinh ra tại Hamburg, Đức vào năm 1931. Ông học vật lý và toán học tại Đại học Hamburg, nhận bằng Diplom (tương đương với bằng cử nhân và thạc sĩ) vào năm 1955 và nhận bằng tiến sĩ vật lý từ Đại học Göttingen và Viện Động lực học chất lưu Max Planck vào năm 1957. Từ năm 1964 đến năm 1975, ông làm việc tại Đại học Hamburg, nơi ông trở thành giáo sư chính thức về địa vật lý lý thuyết tại Viện Địa vật lý. Từ tháng 2 năm 1975 đến tháng 11 năm 1999, Hasselmann là giám đốc sáng lập của Viện Khí tượng Max Planck. Hiện nay, Hasselmann là Phó Chủ tịch Diễn đàn Khí hậu Châu Âu.
Hasselmann là nhà hải dương học và mô hình khí hậu hàng đầu người Đức. Ông được biết đến nhiều nhất với công trình phát triển mô hình Hasselmann về biến đổi khí hậu, giải thích tín hiệu nhiễu đỏ phổ biến trong khí hậu. Năm 1996, Hasselmann được trao Giải thưởng Thành tựu trọn đời quốc tế về Hải dương học, năm 2002 ông được trao Huy chương Vilhelm Bjerknes của Liên minh Địa vật lý châu Âu, năm 2007 ông nhận Giải thưởng Thành tựu IMSC từ Hội nghị quốc tế về Khí hậu học thống kê và năm 2010 ông nhận Giải thưởng Biên giới tri thức của Quỹ BBVA.
