De Nobelprijs voor Natuurkunde ging dit jaar naar drie natuurkundigen. Syukuro Manabe en Klaus Hasselmann ontvingen hun prijs voor “de fysieke modellering van het klimaat op aarde, het kwantificeren van variabiliteit en het betrouwbaar voorspellen van de opwarming van de aarde”. De derde natuurkundige Giorgio Parisi ontving zijn prijs voor “de ontdekking van het samenspel van wanorde en fluctuaties in fysieke systemen van atomaire naar planetaire schalen.” Dit is de officiële verklaring van het Nobelprijscomité. Het is veel informatie in een paar kleine zinnen en daardoor is het misschien een beetje moeilijk te begrijpen. Dus laat me proberen dit uit te leggen in wat gemakkelijker te begrijpen taal.
Chaos
Wat de Nobelprijs dit jaar toekent, is hoe natuurkundigen het makkelijker hebben gemaakt om zeer complexe processen te begrijpen. Dit is om een aantal redenen belangrijk onderzoek. Maar wat maakt iets ‘complex’? Complexiteit wordt vaak in verband gebracht met ‘chaos’. De meeste mensen realiseren zich niet dat chaos overal om ons heen is. Natuurlijk zijn sommige mensen chaotischer dan anderen, maar zelfs als je slaapkamer altijd een puinhoop is, is het nog steeds niet helemaal hetzelfde als de chaos waar we het hier over hebben.
Klimaatverandering
Manabe en Hasselmann ontvingen hun prijs omdat ze ons inzicht hebben gegeven in het klimaat, in het bijzonder ‘de opwarming van de aarde’. Als je het klimaat wilt begrijpen, moet je weten waaruit het klimaat bestaat. En ook wat het beïnvloedt. Het is het beste om eerst te kijken naar wat het klimaat vormt. Om het simpel te houden: er is lucht en water. En wat beïnvloedt het? Om dat ook te vereenvoudigen: de zon. Maar alle lucht en al het water in de wereld bestaat uit een ongelooflijke hoeveelheid moleculen. Proberen te berekenen hoe al deze moleculen elkaar beïnvloeden, is een enorme taak. Maar Manabe en Hasselmann lieten zien dat het toch mogelijk is om het te begrijpen.
Manabe was een pionier op het gebied van klimaatverandering. Zijn onderzoek gaat terug tot 1967, waar hij voor het eerst aantoonde hoe koolstofdioxide en waterdamp invloed hebben op de opwarming van de aarde. Van koolstofdioxide is bekend dat het licht van de zon absorbeert. Het zet dit om in warmtestraling, oftewel infrarood licht. Als je er veel van in de atmosfeer hebt, zal de koolstofdioxide dus extra warmte aan de aarde toevoegen.
Kooldioxide absorbeert zonlicht en geeft het af als warmte. Daardoor wordt de atmosfeer verwarmd. Zonder koolstofdioxide zou dit licht door de atmosfeer gaan en niets opwarmen.
Waterdamp daarentegen weerkaatst licht (zonlicht of infrarood licht) terug naar de aarde, waardoor energie opgesloten blijft, waar het anders terug de ruimte in zou gaan. Manabe liet met zijn klimaatmodellen zien dat als dit op grote schaal gebeurt, we het effect van de opwarming van de aarde zullen zien zoals we dat vandaag de dag zien.
De atmosfeer zorgt ervoor dat licht wordt teruggekaatst naar de aarde om opgesloten te raken. Dit verwarmt bovendien de aarde. Waterdamp draagt bij aan het al bestaande effect, wat betekent dat het de aarde extra opwarmt.
Hasselmann kon voortbouwen op het werk van Manabe. Begin deze eeuw liet hij de wetenschappelijke wereld zien dat klimaatverandering inderdaad door mensen wordt veroorzaakt. Zijn insteek was om het verband te vinden tussen het (dagelijks veranderende) weer en de klimaatontwikkelingen op de lange termijn. Dit deed hij door intensief zeestromingen te bestuderen. Voor zijn onderzoek gebruikte hij modellen die verband houden met trillingen van moleculen in een vloeistof, de zogenaamde ‘Brownse beweging’. Deze beweging van moleculen is er verantwoordelijk voor waarom je je kopje thee niet per se hoeft te roeren om de suiker op te lossen: het duurt alleen veel langer als je het aan de Brownse beweging overlaat. Hasselmanns klimaatmodellen lieten zien dat de mens een heel specifiek effect op het klimaat heeft. Omdat het zo specifiek is, een zogenaamde ‘vingerafdruk’, zou dit effect kunnen worden gebruikt om menselijke betrokkenheid te identificeren. Zijn modellen waren het begin van aanvullend onderzoek voor aardobservatie, waarbij door middel van het gebruik van satellieten, naar zeestromingen gekeken wordt om klimaatverandering te begrijpen.
Afbeelding van oceaanstromingen. Satellieten worden gebruikt om deze stromen te meten en worden op hun beurt gebruikt om klimaatverandering te modelleren.
Spin glass
Giorgio Parisi bestudeerde ook complexe processen, maar op een heel andere manier. Parisi bestudeerde een materiaal genaamd ‘spin glass’: een mix van ijzer en koper met magnetische eigenschappen. Spin glass lijkt erg op normaal glas, beide hebben geen kristalstructuur. Kristallen zijn overal te vinden, bijvoorbeeld suiker of keukenzout zijn voorbeelden van kristallen. Kristallen hebben een zeer geordende structuur. Spinglas heeft deze structuur niet en daarom wordt het ‘amorf’ genoemd. Spin glass is ook magnetisch. Als je ooit met een magneet hebt gespeeld, weet je dat er twee polen zijn. De een trekt aan en de ander stoot af. Dit betekent dat de magnetische aantrekkingskracht een richting heeft: het wijst naar boven of naar beneden. Maar binnen spin glass is er geen structuur en dit betekent dat de magnetische aantrekkingskracht in alle richtingen wijst. Geen twee spin glass objecten hebben dezelfde magnetische eigenschappen en ook de magnetische richting kan vrij snel veranderen, afhankelijk van wat je met het materiaal doet.
Magnetische richting binnen spin glass
Parisi bedacht een wiskundig model waarin hij een patroon, of structuur, in de chaos vond. Hij gebruikte een methode om de magnetische richtingen in het spinglas te clusteren. Eén cluster is gemakkelijker te berekenen dan het volledige spin glass. Als je dan meerdere clusters terug relateert aan een iets groter cluster, dan wordt het grotere cluster ook makkelijker te begrijpen. Uiteindelijk kun je teruggaan naar slechts één grote cluster, namelijk het hele spin glass. Het is vergelijkbaar met een boom. Als je naar alle takken kijkt, ziet het er vrij groot uit. Maar ze komen allemaal uit één boomstronk! Met deze benadering begrijpen we eigenlijk complexe systemen en het werkt ook op andere gebieden, zoals neurowetenschappen, waar we kijken naar de interactie van verschillende neuronen en hoe ze als geheel werken.
Het idee achter de vertakking-berekeningen van Parisi. Door te beginnen met kleinere clusters, ze te berekenen en ze vervolgens te combineren, krijg je inzicht in het hele complexe systeem.
Chaos begrijpen
Ondanks dat Hasselmann en Parisi aan verschillende onderwerpen werkten en niet samenwerkten, werken hun wiskundige modellen hetzelfde. En ze helpen ons een patroon te vinden in een chaotisch proces, dat we nu kunnen gebruiken om niet alleen ons eigen klimaat te begrijpen, maar ook andere gebieden, zoals biologie, neurowetenschappen en machine learning. Het laat ook zien dat natuurkunde overal is en door deze te begrijpen, kunnen we een beetje dichter bijkomen, bij het begrijpen van de wereld om ons heen.
