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El Premio Nobel en Física, explicado por docentes del Balseiro

El Premio Nobel en Física, explicado por docentes del Balseiro





El Premio Nobel en Física de 2021 fue otorgado a Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi por sus contribuciones pioneras en la comprensión de sistemas físicos complejos, como el clima. Profesores del Balseiro que trabajan en este campo explican los detalles.

El clima ha generado curiosidad en distintos ámbitos desde hace siglos, como en la ciencia y la política. Durante el siglo XX, se generaron grandes aportes que consolidaron el conocimiento científico de este sistema complejo, que incluye múltiples variables que interactúan en la atmósfera y en la superficie terrestre. Y existen muchos otros sistemas complejos que son estudiados desde la física, como el mismo comportamiento del cerebro o de materiales diversos.

Ahora, la Real Academia de Ciencias de Suecia otorgó la mitad del Premio Nobel en Física de 2021 a Syukuro Manabe, de la Princeton University, de los Estados Unidos, y Klaus Hasselmann, del Max Planck Institute of Metereology, de Alemania. ¿El motivo? Por el modelado físico del clima de la Tierra, cuantificando la variabilidad y prediciendo de modo confiable el calentamiento global, y la influencia de la humanidad en el mismo.

La otra mitad del Premio Nobel en Física fue otorgada a Giorgio Parisi, de la Sapienza University, de Italia, por “el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria”. Su contribución tuvo un gran impacto en la teoría de los sistemas complejos, en campos como las neurociencias y las ciencias de materiales.

Los tres colegas laureados tienen como denominador común haber realizado aportes en el estudio de fenómenos que son aparentemente azarosos y caóticos, pero cuyos patrones se pueden modelar con la ayuda de las matemáticas. Y, por lo tanto, comprender y predecir a largo plazo.

Dos profesores del Instituto Balseiro, Alejandro Kolton y Marcelo Kuperman, aceptaron la invitación del Área de Comunicación y Prensa del IB para explicar los detalles de cada aporte laureado con el Nobel de Física de este año.

Clima: ciencia sólida

Syukuro Manabe dirigió el desarrollo de modelos físicos del clima de la Tierra en la década de 1960, modelos pioneros que sentaron las bases de los modelos actuales. Fue “la primera persona en explorar la interacción entre el balance de radiación y el transporte vertical de masas de aire”, informa la Real Academia de Ciencias sueca. Así, logró demostrar algo que ya había sido planteado por otros científicos, como Svante Arrenhius: que el aumento de los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera causa un aumento en las temperaturas de la superficie terrestre.

En la década de 1970, Klaus Hasselmann creó un modelo matemático que vincula el tiempo meteorológico y el clima, y la variabilidad climática. También desarrolló métodos para identificar señales específicas que los fenómenos naturales o las actividades humanas pueden generar en el clima. “Sus métodos han sido utilizados para probar que el aumento de la temperatura en la atmósfera es debido a las emisiones humanas del dióxido de carbono”, afirma la citada academia.

Marcelo Kuperman, profesor del Instituto Balseiro, comentó al respecto: “Más allá de conocer la relevancia del trabajo de ambos investigadores, me sorprendió el anuncio de que habían sido galardonados con el Premio Nobel, no tanto por la ponderación de su trabajo sino por los temas que en los últimos años el Premio estuvo considerando como galardonables”. Para Kuperman, las investigaciones de Manabe y Hasselmann están en una zona de interfase, altamente interdisciplinaria, que no suele ser tenida en cuenta al momento de premiar investigaciones en el campo de la física.

“Sospecho que además del reconocimiento al mérito de los premiados y sus investigaciones, el comité Nobel ha querido enviar un fuerte mensaje respecto de los efectos antropogénicos sobre el cambio climático”, dijo el profesor, en referencia a la próxima cumbre mundial del clima, que se realizará en noviembre en Glasgow, Escocia.

Ahora bien, ¿qué son los sistemas complejos, por qué el clima es considerado uno y por qué estudiarlos y predecir sus “comportamientos” es una tarea difícil pero posible? “Uno de los axiomas sobre los que se sustenta la escuela Gestalt afirma que el todo es más que la suma de las partes. La misma idea puede aplicarse para entender de manera muy concisa que hay detrás de lo que se considera un sistema complejo. Estos sistemas se componen de muchas subpartes interconectadas e interactuantes”, explicó Kuperman, investigador del CONICET y de la CNEA, y jefe del Dpto. de Sistemas Complejos y Altas Energías de la Gerencia de Física del Centro Atómico Bariloche.

“El resultado de esta interacción se manifiesta de manera macroscópica en un comportamiento no trivial, no predecible simplemente por la suma de los comportamientos individuales de los constituyentes. Este comportamiento se conoce como fenómeno emergente y se asocia a la complejidad, al efecto que nace de la interacción ‘compleja’ entre las subpartes”, agregó el docente del Balseiro.

El profesor explicó que los modelos dinámicos asociados a estos sistemas suelen ser de varias dimensiones y no lineales. Y que están fuertemente asociados a conceptos como caos, atractores extraños y fractales. “Por otro lado ideas como las de emergencia de patrones espacio-temporales o estructuras disipativas son parte de los fenómenos asociados a sistemas complejos. Estos últimos constituyen gran parte del objeto de estudio de Ilya Prigogine, también galardonado con el Premio Nobel, pero de Química, en 1977”, detalló.

“Partiendo entonces de la caracterización de un sistema complejo, no resulta sorprendente que el clima pueda ser considerado como tal. Uno de los trabajos que promovió el estudio de los sistemas complejos y sentó las bases del estudio moderno de sistemas matemáticos caóticos fue justamente el modelo de Lorenz, que intentaba describir el comportamiento de corrientes atmosféricas convectivas. Lorenz era meteorólogo, al igual que Manabe”, agregó el físico.

“El primer modelo desarrollado por Manabe era relativamente modesto pero fundamental, permitió explorar situaciones muy relevantes para entender cómo afecta a la temperatura del plantea la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera. Más tarde elaboró un modelo mucho más complejo que permitió entender la fluodinámica de la atmósfera. El modelo toma en cuenta el efecto del flujo de vapor de agua, la temperatura, el comportamiento de los océanos y la liberación de dióxido de carbono para el que los océanos actúan como ‘atrapadores’”, explicó Kuperman.

En el estudio del clima hay diversas escalas temporales. Está la escala diaria, estacional, anual, pero también hay una escala mucho mayor, explicó el docente. Los registros históricos del clima del planeta revelan la existencia de una alternancia regular entre periodos glaciares e interglaciares, agregó el profesor, que en la actualidad trabaja en aplicaciones interdisciplinarias de la física, en el marco del estudio de sistemas complejos.

“Las glaciaciones son un ejemplo del carácter complejo del clima. En una glaciación, el hielo que suele acumularse en los casquetes polares se extiende a latitudes mayores durante largos periodos tan solo por el descenso en unos pocos grados de la temperatura planetaria global. Parte del trabajo de Hasselmann apuntó a explicar matemáticamente la periodicidad de este fenómeno, incluyendo los efectos de la radiación solar, las erupciones volcánicas y la circulación oceánica y atmosférica. Sin embargo estos modelos no lograban explicar la variabilidad térmica, algo que luego ayudaron a explicar Parisi y colaboradores”, dijo Kuperman.

Patrones en el desorden

“Cerca de 1980, Giorgio Parisi descubrió patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Sus descubrimientos están entre los aportes más importantes para la teoría de sistemas complejos. Hacen posible comprender y describir muchos materiales y fenómenos diferentes aparentemente aleatorios”, describe el comunicado de prensa del Premio Nobel en Física 2021. Y mencionan que las áreas de alcance del aporte de Parisi son muchas: la física, las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático o machine learning.

Por su parte, ante la consulta de si le sorprendió el anuncio del Premio Nobel en Física para Giorgio Parisi, Alejandro Kolton, docente del Instituto Balseiro, respondió: “¡Por un lado sí!... No hay muchos premios Nobel de Física a personas que hayan destacado por sus aportes a la teoría de los sistemas desordenados, donde lo que importa es el comportamiento emergente más allá de los detalles microscópicos”.

“Por otro lado, si me pongo a pensar en lo fundacional y en las repercusiones prácticas del trabajo de Giorgio Parisi, no solo en problemas de física sino también por ejemplo en problemas computacionales complicados, la sorpresa del premio Nobel se me desvanece”, agregó Kolton, que es investigador del CONICET en el grupo de Teoría de la Materia Condensada del Centro Atómico Bariloche.

El profesor del Instituto Balseiro explicó que Parisi contribuyó muchísimo al desarrollo de técnicas analíticas y computacionales para tratar los sistemas desordenados o frustrados, en equilibrio o fuera de equilibrio, que son ubicuos en la naturaleza, revelando un fructífero camino a seguir. “Cuando muy pocos veían cómo avanzar, cómo decir algo general y útil de algo que parece a priori tan irregular y caprichoso, Parisi y colaboradores encontraron patrones y desarrollaron técnicas matemáticas y numéricas originales”, señaló Kolton.

“En particular Parisi contribuyó notablemente a mostrar cómo describir cuantitativamente una gran familia de sistemas desordenados sin necesidad de conocer todos sus detalles, explotando y extendiendo el concepto de ‘universalidad’ a estos sistemas. Para ello desarrolló y resolvió analítica y numéricamente muchos modelos teóricos capturando los ingredientes esenciales. El tiempo mostró la relevancia de los conceptos aprendidos en situaciones experimentales y prácticas”, dijo Kolton.

¿Qué ejemplos concretos hay en la vida cotidiana de cómo el aporte de Parisi ha ayudado a la física? “Los descubrimientos de Parisi se usan en variadas ramas de la física y más allá de la física”, comenta Kolton. Por ejemplo, se usan para entender la materia amorfa como los vidrios, sean éstos los vidrios de las ventanas, los vidrios de spin o los vidrios de vórtices en superconductores.

También, para comprender el crecimiento de superficies o avance de frentes de distinto tipo, como el crecimiento de cristales o la propagación de frentes en medios desordenados como paredes magnéticas. “Y también se usan para entender la física estadística de las redes neuronales o incluso para atacar problemas computacionales complicados”, detalla el profesor, cuyas principales líneas de investigación son los sistemas desordenados fuera del equilibrio y la física estadística computacional.

Una curiosidad que pidió destacar Kolton es que en los inicios de la teoría de los vidrios de espín, Giorgio Parisi colaboró estrechamente con el brillante físico argentino Miguel Angel Virasoro. “Publicaron uno de los artículos fundacionales y más citados de Parisi. Virasoro murió en julio de 2021”, comentó Kolton.

“Los descubrimientos que se están reconociendo este año demuestran que nuestro conocimiento sobre el clima descansa sobre una base científica sólida, basada en un análisis riguroso de las observaciones. Todos los galardonados de este año han contribuido a que obtengamos una visión más profunda de las propiedades y la evolución de los sistemas físicos complejos”, declaró Thors Hans Hansson, presidente del Comité Nobel de Física. Mientras tanto, el planeta y sus sistemas complejos siguen dando qué hablar e investigar.

Por: Laura García Oviedo, Área de Comunicación y Prensa del Instituto Balseiro

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