Nobelprijs voor Fysica gaat naar klimaatmodellen en structuren in complexe systemen: data met ruis en spinglas

"Complexe systemen worden gekenmerkt door toeval en wanorde en zijn moeilijk te begrijpen", zei de Koninklijke Zweedse Academie der Wetenschappen in een verklaring. "De prijs dit jaar is een erkenning van nieuwe methoden om die systemen te beschrijven en hun gedrag op lange termijn te voorspellen."

De Japans-Amerikaanse meteoroloog en klimatoloog Syukuro Manabe  toonde aan hoe de toegenomen niveaus van CO2 in de atmosfeer leiden tot hogere temperaturen aan het aardoppervlak. Zijn werk legde de grondslag voor de ontwikkeling van de huidige klimaatmodellen. 

De Duitse meteoroloog, oceanoloog en klimaatonderzoeker Klaus Hasselmann creëerde een model dat weer en klimaat met elkaar verbindt. Zijn methoden worden gebruikt om te bewijzen dat de toegenomen temperatuur in de atmosfeer veroorzaakt wordt door de uitstoot door mensen van CO2.

De Italiaanse theoretische natuurkundige Giorgio Parisi ontdekte verborgen patronen in wanordelijke complexe materialen. Zijn ontdekkingen behoren tot de belangrijkste bijdragen aan de theorie van complexe systemen, zei het Nobelcomité. 

Manabe en Hasselmann delen samen de helft van de prijs van 10 miljoen kronen (bijna 1 miljoen euro), de andere helft gaat naar Parisi. 

De Nobelprijs voor Fysica gaat dit jaar naar drie wetenschappers die een bijdrage geleverd hebben aan ons begrip van complexe fysische systemen. In 'Nieuwe Feiten' op Radio 1 heeft de 'huisfysicus', professor Dirk Van Dyck van de Universiteit Antwerpen, meer uitleg gegeven over het werk van de drie laureaten.   

Manabe en Hasselmann zijn bekroond voor hun werk over het klimaat uiteraard, zei Van Dyck, terwijl Parisi's werk meer op het terrein van de fundamentele statistische fysica ligt. 

Syukuro Manabe is al van in de jaren 60 met het klimaat bezig en hij was een van de allereersten die het belang aangetoond heeft van de samenstelling van de atmosfeer op het stralingsevenwicht op aarde, dus het doorlaten van licht van de zon en het terugkaatsen van warmte, zei Van Dyck. 

Hij was dus de eerste die de rol van het broeikaseffect belichtte, dat een verhoging van het CO2-niveau leidt tot opwarming van het klimaat, en hij heeft ook natuurkundige modellen gemaakt om het stralingsevenwicht wiskundig uit te kunnen leggen en zijn theorie te testen. 

Klaus Hasselmann is later begonnen met zijn werk, in de jaren 70 en 80. Als men wil voorspellen wat er zal gebeuren op een termijn van 10, 20, 30 jaar, probeert men natuurlijk een klimaatmodel te maken dat betrouwbaar is, zei Van Dyck. 

Als we vandaag beslissingen nemen over wat er moet gebeuren tegen 2050, is dat gebaseerd op klimaatmodellen die een zekere betrouwbaarheid bezitten, maar het weer zelf is totaal onbetrouwbaar, men slaagt er nog niet in het weer over 14 dagen te voorspellen. Het weer is chaotisch, en zoals men zegt "Ik heb een steen verlegd in een rivier op aarde", je doet een klein ding en dat verandert heel het vervolg, dat is ook met het weer zo. Zoals men zegt, het vliegen van een vlinder kan het weer veranderen binnen 14 dagen als dat toevallig versterkt wordt door andere factoren. 

Wat Hasselmann gedaan heeft, is eigenlijk uit die weersvoorspellingen een klimaatmodel filteren, zodat de variaties daaruit verdwijnen. Hij heeft het langetermijneffect er uitgehaald, uit de variaties op korte termijn. Daar is ook een wiskundig model van gemaakt dat toelaat de temperatuur te voorspellen als je de nodige input geeft, zei Van Dyck. 

Verder heeft Hasselmann ook de invloed van de mens in het model ingevoerd, dus de invloed van de mens op CO2, de invloed van CO2 in het klimaatmodel en op termijn de stijging van de temperatuur. 

Wat uit het model ook naar voren komt, is dat niet alleen de temperatuur stijgt, maar dat ook het aantal abnormale fenomenen, zoals zware stormen,  gaat toenemen. Niet dat die voorspelbaar zijn, zei Van Dyck, dat men kan zeggen wat er dit jaar zal gebeuren, maar wel dat dergelijke extreme weersituaties meer en meer zullen voorkomen. 

Volgens Van Dyck heeft het Nobelcomité met de prijs voor de twee klimaatwetenschappers ook wel een politiek statement willen maken en onrechtstreeks Greta Thunberg en de klimaatacties willen erkennen. 

Giorgio Parisi, de derde laureaat, heeft eerder met de theoretische basis te maken, maar je mag hem niet onderschatten, hij is een echte homo universalis, een universele mens, zei Van Dyck.  

Hij is in de jaren 70 begonnen met het onderzoeken van een probleem waar men toen geen oplossing voor had, dat spinglazen genoemd werd en te maken heeft met wanorde in materialen, in kristallijne structuren. 

Hij heeft daar oplossingen voor gevonden die nu gebruikt worden niet alleen bij elementaire deeltjes in vaste stoffen, maar ook bij het gedrag van vogels in zwermen, sociale netwerken en zelfs het periodiek optreden van ijstijden kan daarmee uitgelegd worden. Dankzij een soort van universele techniek die Parisi heeft uitgewerkt om binnen complexe systemen toch eenvoudige patronen te zien, kan men nu heel wat problemen oplossen, zei Van Dyck. 

Die patronen zijn universeel geldig, dus het is niet omdat ze voorkomen in een kristal dat ze niet voorkomen in de natuur, bij scholen van vissen, bij polymeren en bij eiwitten bijvoorbeeld. Er zijn heel veel toepassingen omdat het een klasse van systemen bevat die vroeger niet opgelost konden worden en die nu dankzij Parisi wel opgelost kunnen worden. Voor de wetenschap biedt dat een enorme meerwaarde, zo besloot Van Dyck.   

Alle complexe systemen bestaan uit veel verschillende delen die met elkaar interageren. Ze worden al een paar eeuwen bestudeerd door wetenschappers en het kan moeilijk zijn om ze wiskundig te beschrijven - ze kunnen een enorm aantal bestanddelen hebben of beheerst worden door toeval. Ze kunnen ook chaotisch zijn, zoals het weer, waar kleine afwijkingen van de initiële waarden resulteren in zeer grote verschillen in een later stadium. 

De laureaten van dit jaar hebben er alle drie toe bijgedragen dat we meer weten over zulke systemen en hun ontwikkeling op lange termijn, zegt het Nobelcomité. 

Het klimaat van de aarde is een van de vele voorbeelden van een complex systeem. Manabe en Hasselmann krijgen de Nobelprijs voor hun pioniersrol in het ontwikkelen van klimaatmodellen. Parisi wordt beloond voor zijn theoretische oplossingen voor een groot aantal problemen in de theorie van complexe systemen.  

In de jaren 50 was de Japanse atmosferische natuurkundige Syukuro Manabe een van de jonge en getalenteerde onderzoekers in Tokio die Japan, dat verwoest was door de oorlog, verlieten en hun carrière voortzetten in de VS. 

Het doel van het onderzoek van Manabe was te begrijpen hoe toegenomen niveaus van koolstofdioxide in de atmosfeer hogere temperaturen kunnen veroorzaken. Manabe leidde in de jaren 60 onderzoek naar de ontwikkeling van fysische modellen waarin de verticale beweging van luchtmassa's door convectie opgenomen waren, en ook de latente warmte van waterdamp.   

Om de berekeningen haalbaar te maken, koos hij ervoor om het model terug te brengen tot één dimensie - een verticale kolom tot 40 kilometer hoog in de atmosfeer. Zelfs daarmee waren er nog honderden waardevolle computeruren nodig om het model te testen door de niveaus van de verschillende gassen in de atmosfeer te variëren. 

Zuurstof en stikstof, de twee meest voorkomende gassen in de atmosfeer, hadden een verwaarloosbaar effect op de temperatuur aan het aardoppervlak, terwijl CO2 een duidelijke impact had: als het niveau van CO2 verdubbelde, namen de temperaruren wereldwijd toe met meer dan 2° Celsius.  

Het model bevestigde dat de opwarming wel degelijk te wijten was aan een toename van CO2 in de atmosfeer, omdat het stijgende temperaturen voorspelde dichter bij de grond terwijl de hogere atmosfeer net kouder zou worden. Als variaties in de straling van de zon verantwoordelijk zouden zijn voor de stijging van de temperatuur, zou de hele atmosfeer tegelijk warmer moeten worden. 

Zestig jaar geleden waren computers honderdduizenden keer trager dan nu, dus het model van Manabe was tamelijk eenvoudig, maar hij had wel de belangrijkste elementen juist. "Je moet altijd vereenvoudigen", zegt hij. "Je kunt niet wedijveren met de complexiteit van de natuur - bij elke regendruppel is zoveel fysica betrokken dat het nooit mogelijk zal zijn om absoluut alles te berekenen." 

De inzichten van het eendimensionale model leidden tot een klimaatmodel in drie dimensies, dat Manabe in 1975 publiceerde. Dat was nog een mijlpaal op de weg naar het ontsluieren van de geheimen van het klimaat, zegt het Nobelcomité. . 

Zo'n tien jaar na het onderzoek van Manabe slaagde Klaus Hasselmann erin het weer en het klimaat met elkaar te verbinden door een manier te vinden om de snelle en chaotische weersveranderingen, die de berekeningen zodanig bemoeilijken, te slim af te zijn. 

Onze planeet kent grote veranderingen in het weer doordat de zonnestraling erg ongelijk verdeeld is, zowel geografisch als in de loop van de tijd. De verschillen in de dichtheid tussen warmere en koudere lucht veroorzaken de enorme verplaatsingen van warmte tussen de verschillende breedtegraden, tussen de oceanen en het land en tussen hogere en lagere luchtmassa's, die het weer op aarde aandrijven. 

Zoals algemeen bekend is, is het dan ook een hele uitdaging om betrouwbare weersvoorspellingen te maken voor meer dan de tien volgende dagen. Dat komt gedeeltelijk doordat het onmogelijk is om precies genoeg te zijn - om de luchttemperatuur, de druk, de vochtigheid of de wind voor elk punt in de atmosfeer vast te leggen. 

Daarnaast zijn de vergelijkingen voor de voorspellingen niet-lineair: kleine afwijkingen in de initiële waarden kunnen een weersysteem doen evolueren op volkomen verschillende manieren, wat men het vlindereffect noemt. 

In de praktijk betekent dit dat het onmogelijk is om weersvoorspellingen op lange termijn te maken - het weer is chaotisch, iets wat in de jaren 60 ontdekt werd door de Amerikaanse meteoroloog Edward Lorenz, die de grondslag legde voor de hedendaagse chaostheorie. 

Hoe kunnen we betrouwbare klimaatmodellen maken voor verschillende decennia of zelfs honderden jaren in de toekomst, ondanks het feit dat het weer een klassiek voorbeeld is van een chaotisch systeem? 

Rond 1980 toonde Klaus Hasselmann hoe chaotisch veranderende weerfenomenen beschreven kunnen worden als snel veranderende ruis, iets waarmee hij klimaatvoorspellingen op lange termijn een stevige wetenschappelijke basis gaf. Daarnaast ontwikkelde hij ook methoden om de impact van de mens op de waargenomen wereldwijde temperaturen te identificeren.

Als een jonge doctoraatsstudent in de fysica in Hamburg werkte Hasselmann rond vloeistofdynamica en vervolgens begon hij waarnemingen en theoretische modellen te ontwikkelen voor oceaangolven en oceanische stromingen. 

Hij verhuisde naar Californië waar hij zijn oceanografisch onderzoek voortzette en collega's ontmoette zoals Charles David Keeling, met wie de Hasselmanns een madrigaalkoor begonnen. Keeling is legendarisch omdat hij in 1958 begonnen is aan het Mauna Loa Observatory met wat nu de langste reeks metingen van CO2 in de atmosfeer is. Later zou Hasselmann dan ook regelmatig gebruik maken van de 'Keeling Curve', die de veranderingen in de niveaus van CO2 toont. 

Een klimaatmodel verkrijgen uit weergegevens met veel ruis kan geïllustreerd worden met het uitlaten van een hond. De hond loopt tot het einde van zijn les, naar voren en naar achteren, naar de twee zijkanten en rond je benen. Hoe kan je de sporen van de hond gebruiken om te zien of je stilstaat of wandelt? Of om te zien of je snel of traag wandelt? De sporen van de hond zijn de veranderingen in het weer, jouw wandeling is het klimaat dat daaruit berekend wordt. Is het zelfs maar mogelijk om conclusies te trekken over langetremijntrends in het klimaat door chaotische weergegevens met veel ruis te gebruiken? 

En bijkomende moeilijkheid is dat de schommelingen die het klimaat beïnvloeden, erg variabel zijn in de loop van de tijd - ze kunnen snel zijn, zoals veranderingen in de windsterkte of de luchttemperatuur, of erg traag, zoals smeltende ijskappen en opwarmende oceanen. Zo kan een eenvormige opwarming met één graad duizend jaar duren voor de oceaan, maar slechts een paar weken voor de atmosfeer. 

De doorslaggevende kunstgreep van Hasselmann was de snelle veranderingen in het weer in de berekeningen op te nemen als ruis, en te tonen hoe deze ruis het klimaat beïnvloedt. 

Hasselmann creëerde een stochastisch model, wat betekent dat toeval ingebouwd zit in het model. Zijn inspiratie daarvoor kwam van Albert Einsteins theorie van de Brownse beweging, die ook wel een dronkemanswandeling genoemd wordt. Aan de hand van die theorie toonde Hasselmann aan dat de snel veranderende atmosfeer daadwerkelijk trage veranderingen in de oceaan kan veroorzaken. 

Eens het model voor de klimaatvariaties afgewerkt was, ontwikkelde Hasselmann methoden om de impact van de mens op het klimaatsysteem te identificeren. 

Hij stelde vast dat de modellen, samen met waarnemingen en theoretische overwegingen, voldoende informatie bevatten over de eigenschappen van ruis en signalen. Zo laten bijvoorbeeld veranderingen in de zonnestraling, in vulkanische deeltjes of in de niveaus van broeikasgassen unieke signalen na, 'vingerafdrukken', die afgezonderd kunnen worden. 

Die methode om vingerafdrukken te identificeren kan ook toegepast worden op het effect dat mensen hebben op het klimaatsysteem. Hasselmann heeft op die manier de weg vrijgemaakt voor verdere studies over de klimaatverandering, die sporen van de impact van de mens op het klimaat aangetoond hebben aan de hand van een groot aantal onafhankelijke waarnemingen. 

Klimaatmodellen zijn steeds meer verfijnd geworden, aangezien de processen die betrokken zijn in de complexe klimaatinteracties beter in kaart zijn gebracht, niet in het minst door satellietmetingen en weerobservaties. De modellen tonen duidelijk een versnellend broeikaseffect: sinds het midden van de 19e eeuw zijn de CO2-niveaus in de atmosfeer toegenomen met 40 procent. De atmosfeer van de aarde heeft honderduizenden jaren lang niet zoveel CO2 bevat. En in overeenstemming daarmee tonen metingen van de temperatuur dat de wereld 1°C warmer is geworden in de loop van de laatste 150 jaar. 

Syukuro Manabe en Klaus Hasselmann hebben de mensheid een grote dienst bewezen, in de geest van Alfred Nobel, door een stevige fysische grondslag te bieden voor onze kennis van het klimaat op aarde, zegt het Nobelcomite. 

We kunnen niet langer zeggen dat we het niet weten - de klimaatmodellen zijn ondubbelzinnig. Warmt de aarde op? Ja. Is de oorzaak de toegenomen hoeveelheden broeikasgassen in de atmosfeer? Ja. Kan dat verklaard worden door natuurlijke oorzaken? Neen. Is de uitstoot door de mens de oorzaak van de gestegen temperatuur? Ja, zo zegt het comité.

Rond 1980 stelde Giorgio Parisi zijn ontdekkingen voor over hoe op het eerste zicht toevallige fenomenen beheerst worden door verborgen regels. Zijn werk wordt nu beschouwd als mee van de belangrijkste bijdragen aan de theorie van complexe systemen. 

Moderne studies van complexe systemen hebben hun wortels in de statistische thermodynamica of statistische dynamica die ontwikkeld werd in de tweede helft van de 19e eeuw. Statistische thermodynamica kwam voort uit het inzicht dat er een nieuw soort van methode nodig was om systemen te beschrijven, zoals gassen of vloeistoffen, die bestaan uit grote aantallen deeltjes. 

Die methode moest rekening houden met de toevallige bewegingen van de deeltjes, en dus was het basisidee om het gemiddelde effect van de deeltjes te berekenen in plaats van elk deeltje apart te bestuderen. Zo is de temperatuur van een gas bijvoorbeeld een maat voor de gemiddelde waarde van de energie van de gasdeeltjes. Statistische thermodynamica is zeer succesvol omdat het een microscopische verklaring biedt voor macroscopische eigenschappen in gassen en vloeistoffen, zoals de temperatuur en de druk. 

De deeltjes in een gas kunnen beschouwd woorden als piepkleine balletjes, die rondvliegen aan snelheden die toenemen bij hogere temperaturen. Als de temperatuur daalt of de druk toeneemt, condenseren de balletjes eerst tot een vloeistof en vervolgens tot een vaste stof. Die stof is vaak een kristal, waarin de balletjes georganiseerd zijn in een regelmatig patroon. 

Als de verandering echter snel gebeurt, kunnen de balletjes een onregelmatig patroon vormen dat zelfs niet verandert als de stof voort gekoeld wordt of samengedrukt. Als het experiment herhaald wordt, zullen de balletjes een nieuw patroon aannemen, hoewel de verandering op precies dezelfde manier plaatsvindt. Waarom verschillen de resultaten?  

De samengedrukte balletjes zijn een eenvoudig model voor gewoon glas en voor korrelige materialen, zoals zand of grind. Het onderwerp van Parisi's originele onderzoek was echter een ander soort systeem: spinglas. 

Dat is een speciaal soort metaallegering waarin bijvoorbeeld ijzeratomen willekeurig gemengd zijn in een rooster van koperatomen. En hoewel er slechts een paar ijzeratomen aanwezig zijn, veranderen ze de magnetische eigenschappen van het materiaal op een verregaande en zeer raadselactige manier. 

Elk ijzeratoom gedraagt zich als een kleine magneet of spin, die beïnvloed wordt door de andere ijzeratomen in de buurt. In een gewone magneet wijzen al de spins in dezelfde richting, maar in een spinglas zijn ze 'gefrustreerd': sommige spin-paren willen in dezelfde richting wijzen en andere in de tegenovergesteld richting - dus hoe vinden ze een optimale oriëntatie? 

In de inleiding van zijn boek over spinglas schrijft Parisi dat het bestuderen van spinglas lijkt op het bekijken van de menselijke tragedies in de toneelstukken van Shakespeare. Als je vrienden wil worden met twee mensen tegelijkertijd, maar die twee haten elkaar, kan dat frustrerend zijn. Dat is nog meer het geval in een klassieke tragedie, waar erg emotionele vrienden en vijanden elkaar op het toneel ontmoeten. Hoe kan de spanning in de kamer verminderd worden?

Spinglas en hun exotische eigenschappen bieden een model voor complexe systemen. In de jaren 70 zochten veel wetenschappers, onder wie ook verschillende laureaten van de Nobelprijs, naar een manier om de mysterieuze en frustrerende spinglas-legeringen te beschrijven. Een methode die ze gebruikten was de replica-truc, een wiskundige techniek waarbij veel kopieën, replica's, van het systeem tegelijk verwerkt worden. De resultaten van die oorspronkelijke berekeningen waren echter niet geloofwaardig. 

In 1979 bereikte Parisi een doorslaggevende doorbraak toen hij aan kon tonen hoe de replica-truc op een ingenieuze manier gebruikt kon worden om het spinglas-probleem op te lossen. Hij ontdekte een verborgen structuur in de replica's en vond een manier om die wiskundig te beschrijven. 

Het heeft vele jaren geduurd vooraleer kon bewezen worden dat  Parisi's oplossing wiskundig juist was. Sindsdien is zijn methode gebruikt voor veel wanordelijke systemen en is ze een hoeksteen geworden van de theorie van complexe systemen. 

Zowel spinglas als korrelige materialen zijn voorbeelden van gefrustreerde systemen, waarin verschillende onderdelen zich moeten rangschikken op een manier die een compromis is tussen elkaar tegenwerkende krachten. De vraag is hoe ze zich gedragen en wat de resultaten zijn. Parisi is een meester in het beantwoorden van die vragen voor veel verschillende materialen en fenomenen. 

Zijn fundamentele ontdekkingen over de structuur van spinglas waren zo diepgaand dat ze niet alleen de natuurkunde beïnvloed hebben, maar ook wiskunde, biologie, neurowetenschap en machinelearning, aangezien al die vakgebieden problemen kennen die in een direct verband staan met frustratie. 

Parisi heeft ook veel andere fenomenen bestudeerd waarin toevallige processen een beslissende rol spelen in hoe structuren gecreëerd worden en zich ontwikkelen. Zo heeft hij zich bezig gehouden met vragen als: Waarom hebben we periodiek terugkerende ijstijden? Bestaat er een meer algemene wiskundige beschrijving van chaos en turbulente systemen?

En zelfs: Hoe ontstaan er patronen in een wolk van duizenden spreeuwen? Die vraag lijkt misschien veraf te staan van een spinglas maar Parisi zegt dat het grootste deel van zijn onderzoek gaat over hoe eenvoudige gedragingen complexe collectieve gedragingen doen ontstaan, en dat geldt zowel voor spinglas als voor spreeuwen. 

Bron: the Nobel Committee for Physics.