Nauki ścisłe [2021-10-07]

Modelowanie złożoności natury. Prof. Nowak o Noblu

— Żaneta Kopczyńska

Trwa tydzień noblowski. Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann oraz Giorgio Parisi. Zawiłości badawczych dociekań tegorocznych laureatów wyjaśnia prof. dr hab. Wiesław Nowak z Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk postanowiła uhonorować trzech naukowców za "przełomowy wkład w nasze zrozumienie złożonych systemów fizycznych". Połowę nagrody podzielą między siebie Syukuro Manabe z Uniwersytetu Princton w USA oraz Klaus Hasselmann z Instytutu Meteorologii im. Maxa Plancka w niemieckim Hamburgu. Drugą połowę otrzymał Giorgio Parisi z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie. Badaczy doceniono za opracowanie podstaw modeli, które pozwalają przewidywać zmiany klimatu i zrozumieć procesy przebiegające losowo.

- Uznane w tym roku odkrycia pokazują, że nasza wiedza o klimacie ma solidne podstawy naukowe, oparte na wnikliwej analizie obserwacji. Wszyscy tegoroczni laureaci przyczynili się do uzyskania głębszego wglądu we właściwości i ewolucję złożonych systemów fizycznych – mówił podczas ogłoszenia wyników Thors Hans Hansson, przewodniczący Komitetu Nobla ds. Fizyki.

Fizyczne imperium

- Gdyby spojrzeć na prowadzone badania i publikacje, to można by stwierdzić, że takim "rasowym" fizykiem jest jedynie Giorgio Parisi, zaś pozostałą dwójkę sklasyfikować raczej na pograniczu tej nauki: Syukuro Manabe zajmuje się klimatem, a Klausa Hasselmanna naukowo interesują oceany, sami o sobie mówią "klimatolog" i "oceanograf". To jednak powierzchowny i mylący pogląd – mówi prof. dr hab. Wiesław Nowak z Katedry Biofizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.

Wszyscy z laureatów mają gruntowne wykształcenie fizyczne. Cała też trójka w swoich badaniach głęboko sięga do osiągnięć fizyki, matematyki i fizyki matematycznej.

Swoim studentom zawsze powtarzam, że fizyka jest wybitnie imperialistyczna – obejmuje przecież niemal każdą dziedzinę życia, a wszystkie nauki przyrodnicze opierają się w gruncie rzeczy właśnie na niej – mówi prof. Nowak. – Laureatów, choć to fizycy, można sklasyfikować więc jako badaczy interdyscyplinarnych. Zwróciła zresztą na to uwagę Akademia – pokazała, że dokonania i badania tegorocznych noblistów mają zastosowanie w bardzo wielu innych dziedzinach oraz dyscyplinach.

Efekt motyla a badania genialnego Włocha

Giorgio Parisi dostał Nagrodę Nobla "za odkrycie wzajemnego oddziaływania nieporządku i fluktuacji w układach fizycznych od skali atomowej do planetarnej". Jego badania mogą być dla laików najmniej zrozumiałe – włoski naukowiec poświęcił niemal całe zawodowe życie na zgłębienie zjawisk nieuporządkowanych w systemach złożonych.

Żeby uświadomić sobie, jaka jest różnica między systemami złożonymi a niezłożonymi, możemy posłużyć się przykładem kropli wody – tłumaczy prof. Nowak. – Wyobraźmy sobie, że patrzymy na nią z daleka: nie wiemy, czy jest to woda czysta czy brudna, czy zawiera np. bakterie. Oczywiście możemy określić jej podstawowe parametry fizyczne, jak waga czy średnica. Możemy też starać się opisać jej ruch – np. po stole czy szybie, stosując najprostszy model i traktując ją jak punkt materialny. Taka kropla skomplikowana nie jest, mamy więc do czynienia z systemem niezłożonym.

Pójdźmy krok dalej – proponuje prof. Nowak - i wyobraźmy sobie ogromny zbiór kropel: ocean. Można oczywiście patrzeć na niego jak na jeden obiekt i w ten sposób go analizować. Drugie podejście proponuje jednak, by potraktować ocean jako system złożony, składający się właśnie z przeogromnej ilości kropel. Krople zachowują się kolektywnie, oddziaływają zarówno ze sobą, jak i z otoczeniem, np. z wiatrem.

- Zachowanie kropli, jej ruch i dynamika, dyktowane jest prawami fizyki newtonowskiej. Mogą się też jednak pojawić bardziej subtelne efekty, której zwykła fizyka newtonowska nie jest w stanie wytłumaczyć. Wynika to właśnie z tego, że kropel jest tak dużo, więc pojawia się złożoność – mówi prof. Nowak. - Układ złożony, zawierający elementy nieuporządkowane i przypadkowe, może mieć swoją własną fizykę. Opis tego jest niesłychanie trudny, zwłaszcza jeśli dochodzą do tego zjawiska, które są nieliniowe, polegające na wzmocnieniu się czegoś, np. krople zostają poddane sprzężeniu ze skomplikowanym otoczeniem. Mogą pojawić się wtedy w oceanie dziwne struktury takie jak fale.

Parisi stosował modele matematyczne do tego typu problemów. Badał łamanie symetrii w pewnych układach, np. szkłach spinowych. W 1980 r. odkrył w złożonych systemach powtarzalne wzory, które pozwalają zrozumieć zjawiska pozornie przypadkowe. Efekty jego pracy wykorzystywane są nie tylko w fizyce, ale również matematyce, biologii, programowaniu systemów sztucznej inteligencji i medycynie. Swego czasu zajął się nawet układem immunologicznym, który potraktował właśnie jako system złożony.

Model opisu, który wprowadził, jest tak bardzo zaawansowany, że można go analogicznie odnieść do wielu innych sytuacji, w których następuje coś, co może zahaczać o zjawiska związane z chaosem – tłumaczy prof. Nowak. - I tu należy się wyjaśnienie: potocznie uważamy, że chaos jest bałaganem, nieporządkiem, czymś złym i niezrozumiałym. W fizyce jednak chaos ma nieco inne znaczenie. Wróćmy do naszej kropli wody. Wyobraźmy ją sobie jeszcze raz, tym razem na krawędzi stołu. Gdybyśmy minimalnie zmienili warunki początkowe jej ruchu, to: albo przesuniemy ją w kierunku stołu, po którym się potoczy, albo – kierując ją w przeciwną stronę - spadnie, rozbije się o podłogę i podzieli się na wiele mniejszych kropli. Zanim na nią zadziałamy, znajduje się ona w stanie równowagi chwiejnej. Układy chaotyczne charakteryzują się tym, co nazywamy "efektem motyla", tj. minimalna zmiana  warunków brzegowych może spowodować dramatycznie wielkie skutki.

Prof. Nowak nie boi się nazwać Parisiego geniuszem. Jego bowiem dokonania naukowe przybliżają do opisu zjawisk, których fizyka nie jest w stanie obecnie opisać.

- Są takie zjawiska nas otaczające, że nie dość, że nie wiemy, jak rozwiązać równania, to nie wiemy nawet, jak je napisać – mówi prof. Nowak. – Pozostając w wodnej tematyce: grzywacz gdzieś na czubku  fali na Bałtyku w tej chwili jest praktycznie nieopisywalny. My wiemy, że rządzi nim fizyka, ale nie wiemy, jak wygląda fizyka tak złożonego układu, jak przewidzieć jego zachowanie w funkcji czasu. Parisi widzi rzeczywistość szerzej, patrząc cały czas okiem fizyka. Jego wkład jest nieoceniony dla pracy wielu naukowców z różnych dziedzin, nie tylko fizyki.

Modelowanie klimatu Ziemi

Część z równań Parisiego można z powodzeniem wykorzystywać do trudnego problemu przewidywania pogody i zmian klimatu. Jego praca ma więc elementy wspólne z dwójką kolejnych noblistów w dziedzinie fizyki (choć osobiście nigdy nie współpracowali, nie prowadzili badań, ani nie publikowali).

Syukuro Manabe i Klauss Hasselmann otrzymali Nobla za "fizyczne modelowanie klimatu Ziemi, ilościowe określanie zmienności i wiarygodne przewidywania globalnego ocieplenia".

- Obie postaci są niezwykle ciekawe – mówi prof. Nowak. – Profesor Manabe, twórczy i bardzo pomysłowy naukowiec, zaczął od opracowywania modelu matematycznego atmosfery. Doszedł do tego, że zademonstrował w roku 1967 jak zwiększony poziom dwutlenku węgla w atmosferze prowadzi do wzrostu temperatury na powierzchni Ziemi.

Był pierwszym naukowcem, który zbadał interakcję między bilansem promieniowania a pionowym transportem mas powietrza. Jego praca położyła podwaliny pod rozwój obecnych modeli klimatycznych. Ma ogromne zasługi w modelowaniu matematycznym zjawisk atmosferycznych.

Mam takie wrażenie, że kluczową postacią wśród trójki laureatów jest Klauss Hasselmann, że cała tegoroczna Nagroda Nobla była "budowana" wokół jego naukowych osiągnięć – mówi prof. Nowak. – Hasselmann początkowo zajmował się zjawiskami turbulentnymi, następnie zaczął interesować się falami morskimi.

Niemiecki fizyk próbował wytłumaczyć, skąd biorą się fale i dlaczego są takie, jak je widzimy, czy da się zauważyć jakieś prawidłowości.

- Mierzył fale, sprawdzał odległości pomiędzy ich grzbietami, wiązał to m.in. z siłą wiatru i zjawiskami meteorologicznymi. Wniósł wielki wkład, aby wprowadzić modele tłumaczące powstawanie fal – mówi prof. Nowak. - Jedną z jego zasług na tym polu jest wskazanie, że obserwowane fale są związane ze zjawiskami nieliniowymi: mamy do czynienia z symulowaniem się drobnych fluktuacji, wywołujących wielki efekt.

Profesor Nowak porównuje tę sytuację do bawienia się z dzieckiem na huśtawce. Stojący rodzic popycha dziecko niewielką siła w plecy, a po chwili dziecko buja się bardzo wysoko.

- To pobudzenie rezonansowe - trzeba wiedzieć, w którym momencie i gdzie popchnąć dziecko. Okazało się, że z falami jest podobnie: drobne zjawiska fluktuują, kumulując energię i prowadzą do powstania ogromnej siły, czyli ogromnej fali oceanicznej, która powstała np. na wybrzeżu Australii, a dotarła aż do Grenlandii. W zjawiskach tych przejawia się tzw. rezonans stochastyczny.

Badania prowadził na Hawajach, następnie na szeroką skalę przeniósł je do Europy, skupiając się na Morzu Północnym.

Jego doświadczenia posłużyły temu, by utworzyć matematyczny model oceanów – pokazać, jak płyną prądy, jak przenosi się energia i jak sprzęga się to z klimatem. Z danych, które zebrał, wynika również, że to zjawisko nieliniowe zachodzi także w przyrodzie – mówi prof. Nowak.

Hasselmann zainicjował program oceny zachowania się klimatu, bez uwzględnienia efektów antropomorficznych. Dlaczego?

- Bo klimat nie jest stały, też fluktuuje. Dzięki temu udało się stworzyć model pokazujący, jak te fluktuacje, kumulując się, mogą doprowadzić do długookresowych, a więc długoletnich, a nawet wielowiekowych zmian klimatu, które są naturalne – mówi prof. Nowak. – Dołączono do tego obieg CO₂ i pokazano efekty fizyczne takiego procesu. Widać więc było wyraźnie efekt cieplarniany: dzięki modelom Hasselmanna łatwo zauważyć, które zmiany klimatu zachodzą, czy też zajdą, naturalnie, a które za sprawą czynnika ludzkiego. To wyzwoliło ogromny nurt badań nad klimatem. Prace tegorocznych noblistów mają aspekt praktyczny – przyczyniły się do stworzenia lepszych modeli komputerowych przewidywania pogody.

Prof. dr hab. Wiesław Nowak jest biofizykiem pracującym w Instytucie Fizyki UMK. Ukończył IV LO w Toruniu oraz magisterskie studia indywidualne na kierunku chemia. Uzyskał doktorat z fizyki teoretycznej (1989), zaś habilitację (2000) z fizyki komputerowej. Odbył długoletnie staże naukowe w UIC (Chicago, USA), Ecole Polytechnique (Francja), Kyoto University (Japonia). Od 2009 r. jest profesorem, kieruje małym Zespołem Teoretycznej Biofizyki Molekularnej oraz dużym Zespołem Interdyscyplinarnej Fizyki i Informatyki Interdyscyplinarnego Centrum Nowoczesnych Technologii UMK. Jest współautorem blisko 100 publikacji naukowych, wypromował wielu magistrów i doktorów. Jest wiceprezesem Polskiego Towarzystwa Bioinformatycznego, od 21 lat, co roku, organizuje międzynarodowe warsztaty naukowe BioInformatics in Torun. Obecnie współpracuje z uczonymi z USA, Francji, Włoch, Szwajcarii i Japonii. Chętnie opiekuje się zdolną młodzieżą. Swój gabinet w ICNT nazwał prowokacyjnie "Pracownią Wykorzystania Mózgu". W nielicznych wolnych chwilach "śmiga" na nartach biegowych albo pływa w okolicznych jeziorkach - zależnie od aktualnego stanu skupienia wody.