مروری بر جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۱

جهان پیچیده است، اما قابل فهم

جایزه نوبل فیزیک در سال ۲۰۲۱ به دو اقلیم‌شناس، یعنی سیوکورو مانابه از دانشگاه پرینستون و کلاوس هاسلمان از موسسه هواشناسی ماکس پلانک و جورجیو پاریزی، فیزیک‌دانی از دانشگاه ساپینزای رم تعلق گرفت. این جایزه به دلیل «پژوهش‌های پیش‌گامانه آنها در درک ما از سیستم‌های پیچیده فیزیکی» اهدا شده است. مانابه و هاسلمان نیمی از این جایزه را برای «مدل‌سازی فیزیکی آب‌وهوای زمین، اندازه‌گیری تغییرات و پیش‌بینی قابل اطمینان گرمایش زمین» دریافت کردند. پاریزی هم برای «کشف اثر متقابل بی‌نظمی و نوسانات در سیستم‌های فیزیکی، از مقیاس اتمی تا سیاره‌ای» نیمی دیگر از جایزه را به خانه برد.

مانابه، هواشناس ارشد در دانشگاه پرینستون نشان داد که چگونه افزایش سطح دی­‌اکسید­کربن در جو می‌تواند منجر به افزایش درجه حرارت در سطح زمین شود. او هم‌چنین در دهه ۱۹۶۰ توسعه مدل‌های فیزیکی آب‌وهوای زمین را رهبری و پایه و اساس مدل‌های آب‌وهوایی مورد استفاده امروزی را بنیان‌گذاری کرد.

حدود ۱۰ سال بعد، هاسلمان، استاد موسسه هواشناسی ماکس پلانک در هامبورگ آلمان مدل جداگانه‌ای ایجاد کرد که آب‌وهوا و اقلیم را با هم مرتبط ساخت و به این سوال پاسخ داد که چرا مدل‌های آب‌وهوایی می‌توانند با وجود تغییرپذیری و هرج‌ومرج آب‌وهوا قابل اعتماد باشند. او همچنین نشان داد که افزایش دمای هوا می‌تواند با انتشار دی‌اکسید­کربن انسان ارتباط داشته باشد. می‌توان گفت که بدون کارهای مدل‌سازانی مثل مانابه و هاسلمان تصور وجود پویش‌ها و فراخوان‌های امروزی برای اقدام علیه تغییرات آب‌وهوایی و اقلیم غیرممکن بود.

پاریزی فیزیک‌دانی‌ست که گستره کار تحقیقاتی او از زمینه‌هایی مانند ذرات بنیادی، مواد متراکم، فیزیک آماری و مواد نامنظم تشکیل یافته است. مطالعه سیستم‌های فیزیکی پیچیده کاربردهای زیادی در زمینه‌های مختلف، از علوم اعصاب تا زیست‌شناسی و یادگیری ماشین دارد. کمیته نوبل فیزیک در زمان اعلام برندگان یک سیستم پیچیده را به‌طور ویژه مشخص کرد: «آب‌وهوای زمین». به گفته تورس هانس هانسون، رئیس کمیته نوبل فیزیک «اکتشافاتی که امسال به رسمیت شناخته شده‌اند نشان می‌دهد که دانش ما درمورد آب‌وهوا بر اساس یک بنیان علمی مستحکم و بر اساس تجزیه و تحلیل دقیق مشاهدات استوار است.»

این اولین بار است که سیستم‌های پیچیده به صراحت در حکم جایزه نوبل ذکر شده‌اند. آلسیا آنیبال، فارغ‌التحصیل ساپینزا می‌گوید: «کار جورجیو منبع الهام عمیقی برای بسیاری از دانشمندان بوده­ و فرمالیسم ظریف آن زیبایی را به علم و زندگی بسیاری از ما اضافه کرده است.»

پاریزی ابتدا تحت نظر نیکولا کابیبو، یکی دیگر از فیزیک‌دانان مشهور ساپینزا، بر فیزیک انرژی بالا تمرکز داشت. پاریزی به ساخت معادله آلترلی-پاریزی کمک کرد که از آن برای ردیابی ذرات ناشی از برخورد در شتاب‌دهنده‌ها استفاده می‌شد. او همچنین در پروژه APE، مجموعه‌ای از ابررایانه‌ها که برای انجام محاسبات نظریه کوانتوم طراحی شده بودند، کار کرد. بین سال­های ۱۹۷۹ تا ۱۹۸۳ پاریزی آنچه را که احتمالا تأثیرگذارترین ایده او بود، توسعه داد: شکستن تقارن تکراری (RSB)، در زمانی که توجه او به گروهی از آلیاژهای فلزی با خواص مغناطیسی عجیب‌وغریب، به نام شیشه‌های اسپینی، جلب شده بود.

برخی از مواد جامد، حالتی بلوری دارند و در آنها اتم‌ها به صورت منظم در جای خود قرار می‌گیرند، اما شیشه یک جامد بلوری نیست و نظم مشخصی در ساختار آن وجود ندارد. در واقع شیشه یک جامد آمورف است و فقط نظم کوتاه‌برد در آن برقرار است. مواد مغناطیسی معمول هم نظم ساده‌ای دارند؛ مثلا دوقطبی‌های کنار هم ترجیح می‌دهند هم‌راستا باشند که باعث تشکیل آهنربا یا پدیده فرومغناطیس می‌شوند. علاوه بر این در خاصیت پادفرومغناطیسی، دو دوقطبی نزدیک به هم سعی می‌کنند ناهم‌سو باشند. در این صورت باز هم احتمال وجود نظم در سراسر سیستم وجود دارد. اما حالتی را در نظر بگیرید که بعضی از دوقطبی‌ها می‌خواهند با هم هم‌سو شوند و برخی نه و انتخاب نوع برهم‌کنش تصادفی باشد. چنین اتفاقی در آلیاژ‌های فلز‌های مغناطیسی و غیرمغناطیسی می‌تواند رخ دهد. پژوهشگران خواصی در این آلیاژ‌ها دیده بودند که توصیف‌شان بسیار سخت بود، از جمله پدیده «سِن‌گیری»، یعنی هنگام ساخت یک نمونه آزمایشگاهی، هر چه زمان می‌گذرد، خواص ترمودینامیکی آن هم به تدریج تغییر می‌کند.

توصیف نظری این دستگاه کاملا سخت و غیر بدیهی است، چرا که معلوم نیست کدام دوقطبی با کدام دوقطبی دیگر می‌خواهد هم‌سو شود و با کدام ناهم‌سو. علاوه براین اگر نمونه دیگری درست کنیم، مکان اتم‌ها در آلیاژ متفاوت است و نمی‌شود به راحتی نتایج یکی را به دیگری تعمیم داد. روشی که در فیزیک آماری برای حل این مشکل استفاده می‌شود، میانگین‌گیری است. فقط یک ایراد وجود دارد، میانگین‌گیری‌ بر اساس این است که کمی صبر کنیم تا دستگاه متحول شود و میانگین روی حالت‌های مختلفی که در این زمان به خود گرفته را حساب کنیم، اما در این مسئله، نوع اتصال‌ها با زمان تغییر نمی‌کند و باید روی نمونه‌های مختلف میانگین بگیریم. یکی از کار‌هایی که پریزی انجام داد، این بود که راه‌حلی ابداع کند که بتواند هر دو نوع میانگین‌گیری را انجام دهد. به این روش، روش نسخه یا رپلیکا می‌گویند. دانشمندان با استفاده از این روش مدل ساده مغناطیسی را حل کردند و نشان دادند که چه‌طور می‌توان گذر فاز به حالت شیشه را توصیف کرد. در این بین مفهوم‌های جدیدی روی کار آمد؛ از جمله اینکه پارامتر نظم که معمولا یک عدد مثل مغناطش است، به یک تابع تبدیل می‌شد، یا نشان داده می‌شود که اگر بخواهیم حالت پایه و حالت‌های کمی برانگیخته از دستگاه را توصیف کنیم، با منظره‌ای پر از چاله و تپه‌های متوالی با ارتفاع‌های ریز و درشت مواجه می‌شویم. به همین علت تشخیص حالت پایه بسیار دشوار است و حتی برای طبیعت هم رساندن دستگاهی از این جنس به حالت پایه زمان‌بر است و دستگاه مدام در کمینه‌های موضعی انرژی گیر می‌افتد. همین رفتار، پدیده سن‌گیری را توضیح می‌دهد.

سیستم‌های پیچیده طیف گسترده‌ای از پدیده‌ها را شامل می‌شود که در آنها تعداد زیادی واحد از طریق تعاملات نامنظم به هم متصل می‌شوند. این واحدها می‌توانند اتم‌ها باشند، یا نورون‌ها، یا ژن‌ها، یا پروتئین‌ها، یا حتی گونه‌های حیوانی و … در سال­های اخیر پاریزی حتی حرکت دسته‌های بزرگی از ستارگان را مورد مطالعه قرار داده است. این مدل‌ها همچنین در شبکه‌های عصبی استفاده می‌شود و کاربردهای مهمی در یادگیری ماشین دارد.

سال‌ها طول کشید تا ثابت شود که راه حل پاریزی از نظر ریاضی درست بوده است. فراتر از روش نسخه، پاریزی برخی از مهم‌ترین روش‌های نظری را در فیزیک ماده چگال معرفی کرده است. به عنوان مثال مدل Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) برای سطوح ناهموار، رزونانس تصادفی که یک فرایند ضدشهودی است که در تکامل یخچال‌های طبیعی یافت می‌شود و کاربرد ابر تقارن Parisi-Sourlas در ماده چگال.

توسط فاطمه خسروی

شاید بپسندید مطالب بیشتر از نویسنده

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.