#

2021 Nobel Fizik Ödülü

Bilim Dalları
Etiketler

Bu yılki Nobel Fizik Ödülü’nün bir yarısı, Dünya’nın ikliminin fiziksel modellemesi, değişkenliğin ölçülmesi ve küresel ısınmanın güvenilir bir şekilde tahmin edilmesi çalışmaları için Syukuro Manabe ile Klaus Hasselmann’a; diğer yarısı da atomik ölçekten gezegen ölçeğine kadar fiziksel sistemlerdeki düzensizlik ve dalgalanmaların etkileşiminin keşfi için Giorgio Parisi’ye verildi.

Üç Ödül Sahibi, bu yılki Nobel Fizik Ödülü’nü kaotik ve görünüşte rastgele fenomenler üzerine yaptıkları çalışmalar nedeniyle paylaşıyorlar. Syukuro Manabe ve Klaus Hasselmann, Dünya’nın iklimi ve insanlığın onu nasıl etkilediği hakkındaki bilgimizin temelini attı. Giorgio Parisi, düzensiz malzemeler ve rastgele süreçler teorisine yaptığı devrim niteliğindeki katkılarından dolayı ödüllendirildi.

Karmaşık sistemler rastgelelik ve düzensizlik ile tanımlanır ve anlaşılması zordur. Bu yılki ödül, onları tanımlamak ve uzun vadeli davranışlarını tahmin etmek için yeni yöntemleri değerlendirmeye alır.

Dünya’nın iklimi, insanlık için hayati öneme sahip karmaşık bir sistemdir. Syukuro Manabe, atmosferdeki artan karbondioksit seviyelerinin, Dünya yüzeyinde artan sıcaklıklara nasıl yol açtığını gösterdi. 1960’larda, Dünya’nın ikliminin fiziksel modellerinin geliştirilmesine öncülük etti ve radyasyon dengesi ile hava kütlelerinin dikey taşınması arasındaki etkileşimi keşfeden ilk kişi oldu. Çalışmaları, mevcut iklim modellerinin geliştirilmesinin temelini attı.

Yaklaşık on yıl sonra, Klaus Hasselmann hava durumu ve iklimi birbirine bağlayan bir model yarattı ve böylece hava değişken ve kaotik olmasına rağmen iklim modellerinin neden güvenilir olabileceği sorusuna cevap verdi. Ayrıca hem doğal fenomenlerin hem de insan faaliyetlerinin iklime damgasını vurduğu belirli sinyalleri, parmak izlerini tanımlamak için yöntemler geliştirdi. Metotları, atmosferdeki artan sıcaklığın, insanların karbon dioksit salımlarından kaynaklandığını kanıtlamak için kullanıldı.

1980’lerde, Giorgio Parisi düzensiz karmaşık malzemelerde gizli örüntüler keşfetti. Buluşları, karmaşık sistemler teorisine en önemli katkılardan kabul edilmektedir. Sadece fizikte değil, aynı zamanda matematik, biyoloji, sinir bilim ve makine öğrenimi gibi çok farklı alanlarda da birçok farklı ve görünüşte tamamen rastgele materyal ve olguyu anlamayı ve tanımlamayı mümkün kılar.

Karbon dioksitin etkisi için öncü model

1950’lerde Japon atmosfer fizikçisi Syukuro Manabe, Tokyo’da savaşın harab ettiği Japonya’dan ayrılan ve kariyerine ABD’de devam eden genç ve yetenekli araştırmacılardan biriydi. Yetmiş yıl kadar önce Arrhenius’un yaptığı gibi Manabe’nin araştırmasının amacı, yükselen karbon dioksit seviyelerinin nasıl artan sıcaklıklara neden olabileceğini anlamaktı. Bununla birlikte, Arrhenius radyasyon dengesine odaklanırken, 1960’larda Manabe, su buharının gizli ısısının yanı sıra konveksiyon nedeniyle hava kütlelerinin dikey taşınmasını dahil etmek için fiziksel modellerin geliştirilmesine öncülük etti.

Bu hesaplamaları yönetilebilir hale getirmek için, modeli tek bir boyuta indirgemeyi seçti – atmosferin 40 kilometre yukarısındaki dikey bir sütun. Buna rağmen, atmosferdeki gaz seviyelerini değiştirerek modeli test etmek yüzlerce değerli hesaplama saatini aldı. Oksijen ve nitrojen yüzey sıcaklığı üzerinde ihmal edilebilir etkilere sahipken, karbon dioksit açık bir etkiye sahipti: Karbon dioksit seviyesi iki katına çıktığında, küresel sıcaklık 2°C’nin üzerinde arttı.

Model, bu ısınmanın gerçekten karbon dioksitteki artıştan kaynaklandığını doğruladı, çünkü üst atmosfer soğurken, yeryüzüne daha yakın yükselen sıcaklıkları öngördü. Bunun yerine sıcaklıktaki artıştan güneş radyasyonundaki değişiklikler sorumlu olsaydı, tüm atmosfer aynı anda ısınıyor olmalıydı.

Altmış yıl önce bilgisayarlar şimdi olduğundan yüz binlerce kat daha yavaştı, bu nedenle bu model nispeten basitti, ancak Manabe temel özellikleri doğru saptadı. “Doğanın karmaşıklığıyla rekabet edemezsiniz – her yağmur damlasında o kadar çok fizik vardır ki, kesinlikle her şeyi hesaplamak asla mümkün olmaz. O yüzden her zaman basitleştirmelisiniz” diyordu. Tek boyutlu modelden elde edilen bilgiler, Manabe’nin 1975’te yayımladığı üç boyutlu bir iklim modeline yol açtı; bu, iklimin sırlarını anlama yolunda bir başka kilometre taşıydı.

Kaotik Hava

Manabe’den yaklaşık 10 yıl sonra Klaus Hasselmann, hesaplamalar için çok zahmetli olan hızlı ve kaotik hava değişimlerini alt etmenin bir yolunu bularak hava ve iklimi birbirine bağlamayı başardı. Güneş radyasyonu, Hem coğrafi olarak hem de zaman bağlamında Dünya atmosferine eşit olmayan bir şekilde dağıldığı için gezegenimizin havasında büyük farklılıklar vardır.

Meteoroloji söz konusu olduğunda atmosferdeki her nokta için hava sıcaklığını, basıncı, nemi veya rüzgâr koşullarını belirlemenin imkânsız olmasıdır, doğru hesaplamalar yapılmasının önüne geçiyor. Ayrıca denklemler doğrusal değildir; başlangıç ​​değerlerindeki küçük sapmalar, bir hava sisteminin tamamen farklı şekillerde gelişmesini sağlayabilir. Brezilya’da kanat çırpan bir kelebeğin Teksas’ta bir kasırgaya neden olup olmayacağı sorusuna dayanarak, bu fenomene kelebek etkisi adı verildi. Pratikte bu, uzun vadeli hava tahminleri üretmenin imkânsız olduğu anlamına gelir – hava kaotiktir; bu keşif 1960’larda günümüzün kaos teorisinin temellerini atan Amerikalı meteorolog Edward Lorenz tarafından yapıldı.

Havanın kaotik bir sistemin klasik bir örneği olmasına rağmen, gelecekteki birkaç on yıl veya yüzlerce yıl için güvenilir iklim modellerini nasıl üretebiliriz? 1980’lerde Klaus Hasselmann, kaotik bir şekilde değişen hava olaylarının nasıl hızla değişen gürültü olarak tanımlanabileceğini gösterdi ve böylece uzun vadeli iklim tahminlerini sağlam bir bilimsel temele yerleştirdi. Ayrıca, gözlemlenen küresel sıcaklık üzerindeki insan etkisini belirlemek için yöntemler geliştirdi.

Hasselmann, stokastik bir iklim modeli yarattı, bu da şansın modele dahil edildiği anlamına geliyor. İlhamı Albert Einstein’ın rastgele yürüyüş olarak da adlandırılan Brownian Hareket teorisinden geldi. Bu teoriyi kullanarak Hasselmann, hızla değişen atmosferin aslında okyanusta yavaş değişimlere neden olabileceğini gösterdi.

İklim modelleri, iklimin karmaşık etkileşimlerinde yer alan süreçler, özellikle uydu ölçümleri ve hava gözlemleri yoluyla daha kapsamlı bir şekilde haritalandırıldığından, giderek daha fazla geliştirilmiştir. Modeller açıkça hızlanan bir sera etkisi gösteriyor; 19. yüzyılın ortalarından bu yana, atmosferdeki karbondioksit seviyeleri yüzde 40 arttı. Dünyanın atmosferi yüz binlerce yıldır bu kadar karbon dioksit içermedi. Buna göre sıcaklık ölçümleri, Dünya’nın son 150 yılda 1°C ısındığını gösteriyor.

Syukuro Manabe ve Klaus Hasselmann, Dünya’nın iklimi hakkındaki bilgimiz için sağlam bir fiziksel temel sağlayarak, Alfred Nobel’in ruhuyla insanlık için en büyük faydaya katkıda bulundular. Artık bilmediğimizi söyleyemeyiz – iklim modelleri kesindir.

Dünya ısınıyor mu? Evet.

Bunun sebebi Atmosferdeki sera gazı miktarının artması mı? Evet.

Bu sadece doğal faktörlerle açıklanabilir mi? Hayır.

Artan sıcaklığın nedeni insanlığın emisyonları mı? Evet.

Düzensiz Sistemler için Yöntemler

1980 civarında, Giorgio Parisi, görünüşte rastgele olayların nasıl gizli kurallar tarafından yönetildiğine dair keşiflerini sundu. Çalışmaları şimdi karmaşık sistemler teorisine en önemli katkılar arasında sayılıyor.

Bir gazdaki parçacıklar, daha yüksek sıcaklıklarda artan hızlarda hareket eden küçük toplar olarak kabul edilebilir. Sıcaklık düştüğünde veya basınç arttığında, toplar önce bir sıvıya, sonra bir katıya yoğunlaşır. Bu katı genellikle topların düzenli bir örüntüde sıralandığı bir kristaldir. Bununla birlikte, bu değişiklik hızlı bir şekilde gerçekleşirse, toplar, sıvı daha fazla soğutulsa veya birlikte sıkıştırılsa bile değişmeyen düzensiz bir desen oluşturabilir. Deney tekrarlanırsa, değişim tamamen aynı şekilde olmasına rağmen, toplar yeni bir desen alacaktır. Sonuçlar neden farklı?

Bu sıkıştırılmış toplar, sıradan cam ve kum veya çakıl gibi granüler malzemeler için basit bir modeldir. Bununla birlikte, Parisi’nin orijinal çalışmasının konusu farklı bir sistem türüydü – spin cam. Bu, örneğin demir atomlarının bir bakır atomları arasına rastgele karıştırıldığı özel bir metal alaşımı türüdür. Sadece birkaç demir atomu olmasına rağmen, malzemenin manyetik özelliklerini radikal ve çok şaşırtıcı bir şekilde değiştirirler.

Spin camları ve egzotik özellikleri, karmaşık sistemler için bir model sağlar. 1970’lerde, aralarında Nobel ödüllü birçok kişinin de bulunduğu pek çok fizikçi, gizemli ve sinir bozucu spin camlarını tanımlamanın bir yolunu aradı. Kullandıkları yöntemlerden biri, sistemin birçok kopyasının, aynı anda işlendiği matematiksel bir teknik olan çoğaltma hilesiydi. Ancak, fizik açısından, orijinal hesaplamaların sonuçları işe yarar değildi.

1979’da Parisi, kopya hilesinin bir spin cam problemini çözmek için nasıl ustaca kullanılabileceğini gösterdiğinde önemli bir atılım yaptı. Kopyalarda gizli bir yapı keşfetti ve onu matematiksel olarak tanımlamanın bir yolunu buldu. Parisi’nin çözümünün matematiksel olarak doğrulanması uzun yıllar aldı. O zamandan beri, yöntemi birçok düzensiz sistemde kullanılmış ve karmaşık sistemler teorisinin temel taşı haline gelmiştir.

Parisi, yapıların nasıl yaratıldığı ve nasıl geliştiği konusunda rastgele süreçlerin belirleyici bir rol oynadığı diğer birçok fenomeni de inceledi ve şu tür sorularla uğraştı: Neden periyodik olarak tekrar eden buzul çağları yaşıyoruz? Kaos ve türbülanslı sistemlerin daha genel bir matematiksel açıklaması var mı? Binlerce sığırcığın gökyüzündeki dansında kalıplar nasıl ortaya çıkıyor? Bu soru, spin camdan çok uzak görünebilir. Ancak Parisi araştırmasının çoğunun basit davranışların ne kadar karmaşık kolektif davranışlara yol açtığı ile ilgili ve bu hem spin camlar hem de sığırcıklar için geçerlidir.

REFERENCES

  • 1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/
  • 2. https://www.nobelprize.org/uploads/2021/10/popular-physicsprize2021.pdf