Novela de Física por la comprensión de la emergencia climática y los complejos sistemas físicos

2021/10/05 Galarraga Aiestaran, Ana - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

Por decisión de la Real Academia Sueca de Ciencias, Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio París recibirán el Premio Nobel de Física por sus aportaciones a la comprensión de complejos sistemas físicos. La mitad del premio está dirigido a Manabe e Hasselmann por su trabajo en la modelización del clima terrestre y su calentamiento, y la otra mitad a París, por estudiar la interacción entre el desorden de los sistemas físicos y las fluctuaciones, desde la escala atómica hasta el planetario.
Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi serán los premios Nobel de Física de 2021. Ed. Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize

Según la academia, los sistemas complejos son aleatorios y desordenados, por lo que son difíciles de entender. El premio de este año reconoce la capacidad de inventarse nuevos métodos para describir este tipo de sistemas y de predecir su comportamiento a largo plazo.

Clima, tiempo y calentamiento global

De hecho, el investigador japonés Syukuro Manabe demostró que el aumento del dióxido de carbono en la atmósfera provocaba un aumento de la temperatura en la superficie terrestre. Demostró que el oxígeno y el nitrógeno apenas tenían efecto, mientras que el doble de la concentración de dióxido de carbono suponía un aumento de la temperatura superior a los 2 ºC.

Era la década de 1950 y dio continuidad a las investigaciones iniciadas en Japón en EEUU. En los años siguientes abrió un nuevo camino y estudió la interacción entre el balance de radiación (relación entre la radiación que recibe la Tierra del Sol y la que emite a la atmósfera) y el transporte vertical de masas de aire.

En 1975 publica el modelo de clima de la Tierra. En comparación con los ordenadores actuales, los de aquella época tenían una capacidad limitada, pero sin embargo, fue capaz de saltar de modelos unidimensionales a modelos tridimensionales, antecedente de los actuales.

Diez años después, Klaus Hasselmann supo relacionar el tiempo con el clima, aunque el tiempo es cambiante y caótico. Para superar esta dificultad creó un modelo climático estocástico, lo que significa que el azar está incluido en el modelo. Inspirado en la teoría del movimiento browniano de Albert Einstein. Utilizando esta teoría, Hasselmann demostró que una atmósfera que cambia rápidamente puede provocar cambios lentos en el océano.

Tras el desarrollo del modelo, desarrolló métodos para detectar y medir la influencia de las actividades humanas. Observó que el modelo proporcionaba información adecuada sobre las características del ruido y la señalización. Por ejemplo, los cambios en la radiación solar, las partículas de los volcanes o los gases de efecto invernadero tienen señales diferentes, cada uno tiene su huella dactilar, por lo que es posible distinguirlas. El modelo puso de manifiesto la influencia de los gases de efecto invernadero en la temperatura y el clima.

Así, la Fundación Nobel considera que el trabajo de Manabe y Hasselmann coincide con el espíritu de Alfred Nobel de premiar los trabajos que han beneficiado a la humanidad.

Pasos para entender sistemas complejos

Hacia 1980, Giorgio París demostró que los materiales complejos desordenados tenían modelos ocultos. Comenzó con la investigación del material spin-glass. Este material es un tipo de metal con una madera especial, por ejemplo, la distribución caótica de los átomos de hierro en una red de cobre. En este material encontró un modelo oculto y propuso un método de descripción matemática.

Para afirmar matemáticamente que el método en París era correcto fueron necesarios años. Desde entonces su método ha servido para explicar sistemas físicos complejos y ha sido fundamental para desarrollar la teoría de sistemas complejos.

Estas teorías permiten comprender y describir muchos materiales y fenómenos diferentes y aparentemente totalmente caóticos, no sólo en la física, sino también en ámbitos tan diversos como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático.

Al recoger la noticia del premio, París menciona la emergencia climática con las siguientes palabras: “Está claro que para el futuro de la próxima generación tenemos que empezar ahora muy rápido”.