El Premio Nobel de Física distinguió las contribuciones innovadoras a la comprensión de los sistemas físicos complejos

La Academia Real de Ciencias de Suecia anunció esta mañana los ganadores del Nobel de Física 2021: la mitad del Premio fue para Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann, por la modelización física del clima de la Tierra, la cuantificación de la variabilidad y la predicción fiable del calentamiento global; mientras que la otra mitad fue para Giorgio Parisi, por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria.

Física del clima y de otros fenómenos complejos

De acuerdo con el comunicado emitido por la Academia de Ciencias de Suecia, un aspecto común de los tres galardonados es que aportaron al estudio de fenómenos caóticos y aparentemente aleatorios. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann sentaron las bases del conocimiento del clima de la Tierra y de cómo la humanidad influye en él. Por su parte, Giorgio Parisi realizó contribuciones revolucionarias a la teoría de materiales desordenados y procesos aleatorios.

“Los tres premios destacan, en algún punto, el aporte de lo que se llama la física de los sistemas fuera del equilibrio y de los sistemas complejos, que es un tema que en los últimos 50 o 60 años abrió la física hacia nuevas áreas con las que la gente no la asocia en general, como el cambio climático, la física de sistemas biológicos o el entrenamiento de redes neuronales”, explica el físico Pablo Mininni, investigador del CONICET en el Instituto de Física de Buenos Aires (IFIBA, CONICET-UBA).

El clima de la Tierra: un sistema complejo

Uno de los grandes aportes de Manabe consistió en demostrar cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera llevaba a un aumento de las temperaturas en la superficie de la Tierra. Así, en la década de 1960, coordinó el desarrollo de modelos físicos del clima de la Tierra y fue, además, la primera persona en explorar la interacción entre el balance de la radiación y el transporte vertical de masas de aire. De esta forma, su trabajo sentó las bases para el desarrollo de modelos climáticos actuales.

Una década más tarde, Hasselmann desarrolló un modelo que relaciona el tiempo y el clima, lo que explica que los modelos climáticos pueden ser fiables a pesar de que el tiempo es cambiante y caótico. También desarrolló métodos para identificar señales específicas que los fenómenos naturales y las actividades antrópicas imprimen en el clima. Sus métodos se han usado para probar que el aumento de temperatura en la atmósfera responde a las emisiones humanas de dióxido de carbono.

“Los trabajos de Manabe y Hasselmann son fundamentales para la ciencia del cambio climático, porque permitieron desarrollar las bases de los modelos climáticos modernos. Por un lado, por la utilización de un parámetro, llamado forzamiento radiativo, que es una medida que permite conocer cómo se altera el balance de energía de la tierra como resultado de acciones humanas o causas naturales. Por lo tanto, a partir de ese parámetro, se pueden cuantificar y entender las causas del cambio climático. Además, estos modelos climáticos globales no solo constituyeron una herramienta fundamental para comprender los procesos sino para cuantificar las consecuencias en la atmósfera de la concentración del dióxido de carbono y otros gases. Son las herramientas que usamos para estimar los cambios en la temperatura, precipitaciones, y de otras variables como consecuencia del aumento en la concentración en la atmósfera de gases provenientes de las acciones humanas. Por lo tanto, las investigaciones que desarrollaron estos dos científicos fueron fundamentales para desarrollar estos modelos climáticos, para simular estos procesos que ocurren dentro del proceso climático y cuantificar las consecuencias de las acciones humanas sobre el clima”, explica Inés Camilloni, especialista en cambio climático investigadora del CONICET en el Centro de Investigaciones del Mar y la Atmósfera (CIMA, CONICET-UBA).

“Manabe y Hasselmann son los padres de los modelos de circulación atmosférica y circulación oceánica en escala global. Estos modelos están en la base del estudio del cambio climático porque sin ellos no podríamos entender las múltiples interrelaciones implicadas en este fenómeno. Estos modelos luego se acoplaron con otros para generar los modelos que explican la evolución del sistema climático. La atmósfera asociada con la biosfera y los océanos es un sistema complejo y dinámico que, como tal, varía alrededor de estados de equilibrio; y cuando se introducen perturbaciones muy severas, pueden ocurrir puntos de quiebre o saltos bruscos en la evolución del sistema. Esto es importante para el estudio del cambio climático. Por ejemplo, cuando se habla de que la Amazonia va a pasar de ser generadora de oxígeno a convertirse en un emisor neto de dióxido de carbono por llegar a un punto de quiebre”, explica Pablo Canziani, especialista en ciencias atmosféricas e investigador del CONICET en la Universidad Tecnológica Nacional (UTN).

Mirar el desorden

En los años ‘80, Parisi descubrió patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Sus descubrimientos se encuentran entre las contribuciones más importantes a la teoría de sistemas complejos. Permiten comprender y describir muchos materiales y fenómenos diferentes y aparentemente completamente aleatorios.

“Girogio Parisi fue un pionero en el estudio de los que llamamos sistemas fuera del equilibrio y sistemas complejos. En este sentido, sus grandes contribuciones están vinculadas al entendimiento de sistemas que no están en el equilibrio y que sufren grandes fluctuaciones. Los sistemas que estudió Parisi van desde escalas microscópicas, como la física de partículas subatómicas, hasta escalas planetarias”, explica Mininni.

De acuerdo al especialista, los aportes de Parisi también son fundamentales para entender las transiciones del orden al desorden: “Hay un montón de fenómenos en la naturaleza en los que sistemas pasan estar más ordenados a mas desordenados o espontáneamente se ordenan”, señala Mininni.

Para comprender la problemática del desorden, fue muy importante el trabajo que hizo Parisi con vidrios de espín, que son sistemas magnéticos con interacciones desordenadas.

“Él mismo ha afirmado que su contribución científica más importante está vinculada al trabajo con vidrios de espín. En particular, a lo que se llama técnicamente ´la ruptura de simetría de las réplicas’, porque esa idea, relacionada con cómo tratar analíticamente sistemas que tienen mucho desorden en sus interacciones, se ramificó hacia otras aplicaciones como al entrenamiento de redes neuronales o a resolver problemas de ciencias de la computación”, afirma Tomás Grigera, investigador del CONICET en el Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB, CONICET-UNLP), quien trabajó con Parisi.

“Yo fui a hacer un posdoctorado a Roma en el grupo de él entre 2000 y 2003 y después tuve otras colaboraciones con ellos desde la Argentina. Me puse muy contento de escuchar la noticia de su premiación. Parisi no sólo ha hecho contribuciones en distintas ramas de la física, sino que además es una persona que no se limita su especialidad, sino que tiene una cultura científica muy amplia”, concluye el investigador.