Nobelpriset i fysik 2021 tilldelas ”för banbrytande bidrag till förståelse för komplexa fysikaliska system” som skapar förståelse för jordens klimat. Likt tidigare år är årets nobelpris i fysik uppdelat i två olika delar där den första delen tilldelas Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann ” för fysikalisk modellering av jordens klimat, kvantitativ analys av variationer och tillförlitlig förutsägelse av global uppvärmning”. Den andra delen tilldelas Giorgio Parisi ”för upptäckten av hur oordning och fluktuationer samverkar i fysikaliska system från anatomära till planetära skalor”.
När Nobelpris som detta är uppdelat i två eller flera delar finns det alltid en koppling mellan deras upptäckter. I detta fallet är det förståelsen för komplexa system. Komplexa system kallas just komplexa på grund av att det är flera olika delar som samverkar med varandra och med detta skapar en komplexitet. Vad dessa delar är och varför de tillsammans skapar ett komplext system kan vara allt från att innehålla jättemånga olika komponenter till att komponenterna är slumpartade eller till och med kaotiska. Ett specifikt komplext system som är just kaotiskt är vädret där väldigt små förändringar kan komma att skapa stora konsekvenser efter en viss tidsperiod. Med bara denna lilla förståelse för komplexa system kan vi nu se en koppling mellan de två delarna där Syukuro Manabe och Klaus Hasselmann varit pionjärer i utvecklingen av klimatmodeller och Giorgio Parisi lyckats med ett stort antal teoretiska lösningar av problem inom komplexa system.
Fysiken bakom jordens klimat har länge varit en del av forskningen och det började redan 1824 då Joseph Fourier insåg att atmosfären är i princip transparent i förhållande till solens strålning. Med detta menade han att det synliga solljuset som träffar jorden omvandlas till något han kallade ”mörk värme” och att denna energi samspelar med atmosfären på sådant sätt att jorden hålls varm. Fouriers ”mörka värme” är vad vi idag kallar för infraröd strålning, alltså strålning med våglängder mellan 700 nanometer och 1 millimeter, vi kan tänka på det som strålning vars våglängd är strax över det ljuset som är synligt för människan. Ungefär 70 år efter Fourier tog fram denna modell var Svante Arrhenius den första att lyckas kombinera detta med en matematisk modell för att beskriva klimatet. Han förutsåg att om koncentrationen av växthusgaser ökade i atmosfären skulle också jordens temperatur göra det.
Ytterligare 70 år senare, 1967, lyckades Syukuro Manabe och hans kollegor pussla ihop en förståelse av atmosfärens nyckelelement inom termodynamik och dynamik för att sedan skapa den första pålitliga förutsägelsen att om koldioxiden fördubblas kommer den globala yttemperaturen öka med två grader Celsius. Detta gjorde han genom att reducera ner problemet till en dimension och tittade på den transport av luftmassa som sker vertikalt genom konvektion, alltså strömning av en vätska eller gas, och värmen hos vattenångan.
Ungefär samtidigt som Manabe utvecklade sin pålitliga förutsägelse lyckades Edward Lorenz 1963 beskriva att väder är kaotiskt, alltså förändras snabbt och inom bara en vecka är den oförutsägbar. Det var i kombinationen mellan Manabes och Lorenz framgång som Klaus Hasselmann kunde konstruerade en klimatmodell som visade att snabba variationer i atmosfären kan skapa långsamma förändringar i havet. Det speciella i hans modell var att han lyckades överlista de stora skiftningarna i vädret som tidigare skapat problem i beräkningarna. Att vädret på jorden varierar så mycket beror på många variabler, däribland att solstrålningen inte är jämnt fördelad över hela planeten. Detta i sig också på grund av fler olika komponenter som till exempel att jorden är rund, alltså mindre strålning på högre breddgrader i kombination med att jorden lutar längs med jordaxeln. I samband med detta lyckades Hasselmann också skapa en modell som visar människans avtryck på klimatet. Han kallar dessa för fingeravtryck. Denna modell har banat väg för vidare forskning kring hur klimatet påverkats av människan. I modellen syns det tydligt att växthuseffekten skenar och tack vare Manabe och Hasselmanns upptäckt kommer vi aldrig mer i framtiden kunna säga att vi inte visste hur vår livsstil påverkade klimatet.
Med en förståelse av hur vädret och klimatets beteenden skapar kaos kan vi nu förstår hur komplext klimatet är som system. Giorgio Parisi tittade på komplexa system från ett annat perspektiv och lyckades med en otrolig fysikalisk och matematisk modell beskriva systemens komplexitet. Denna lösning fick mycket större inverkan än vad han innan kunnat ana och är nu svaret inom vetenskap för komplexa system där slumpmässiga processer har en avgörande roll.
Parisi började allt detta genom att titta genom ett glas. Vad som är så fantastiskt med glas är att det är en amorf struktur, alltså ett material med egenskaper som både flytande och fasta material normalt sett besitter. Detta gör att glas både splittras som ett fast material men samtidigt flyter som en vätska. Vi kan lika det med en partikel i två olika landskap. Om partikeln befinner sig i en skål finns det en plats den kan vila, men om landskapet är komplext är det inte tydligt var partikeln kommer hamna, detta gör att materialet är frustrerat. Parisi studerade ett sådant frustrerat glas som också var magnetiskt. Dessa magnetiska glas kallas spinnglas där spinn syftar till en egenrotation som ger upphov till magnetiska moment. Vi kan alltså tänka oss spinn som avlånga magneter med nord och sydpol på vardera sida. Vi studerar ett spinnglas som är formad som en triangel och vill placera ut dessa magneter i vardera hörn men också har som krav att inga hörn får ha magneterna riktade åt samma håll. Detta gör att när magneter har placerats ut i två av hörnen finns det inte längre någon riktning för den tredje magneten att vara. Det leder till att den kommer variera sin riktning, mellan att nordpolen pekar upp och ner, vilket leder till att systemet föralltid kommer vara frustrerat. Det var denna frustration som Parisis fysikaliska och matematiska modell kunde tämja och kontrollera.
Båda delarna av nobelpriset i fysik 2021 är otroliga upptäckter som tillsammans skapat en djupare förståelse för komplexa system i allmänhet och klimatet i synnerhet. På presskonferensen avslutade Nobelkommittén med att sända ut meddelandet – “The notion of global warming is resting on solid science”. Som i kombination med Parisis tydliga svar på intervjufrågor, att vi måste agera nu, ger en klar bild till världens ledare.
Illustrationer: ©Johan Jarnestad/Kungl. Vetenskapsakademien
Skribent: Sabina Permats
Jag som skrivit texten heter Sabina Permats och studerar programmet Civilingenjör och Lärare med inriktning Fysik och Matematik på Kungliga Tekniska Högskolan. När jag började studera på KTH hade jag inga tankar kring forskning, varken kopplad till fysik, matematik eller pedagogik. När jag sedan började läsa kurser inom pedagogik och framförallt fysikdidaktik som ingår i min utbildning insåg jag hur intressant det är att enkla medel kan användas för att skapa en förståelse om fysikaliska områden hos någon annan. Just detta är också vad jag tycker är intressant inom forskning och vetenskap, att väldigt komplexa sammanhang kan reduceras ner till intuitiva illustrationer och modeller.