Złożony jest ten świat, czyli Nobel dla trzech takich, co zrozumieli klimat (i nie tylko)

Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Giorgio Parisi oraz Syukuro Manabe z Klausem Hasselmannem. Co wnieśli do naszego rozumienia świata i czy ta wiedza pozwoli mu przetrwać?

Już Marks miał powiedzieć, że różnice ilościowe w pewnym momencie stają się różnicami jakościowymi. Nauka oswajała się z tą tezą przez całe wieki – i przez większość tego czasu czyniła to z niechęcią. Szukała głównie praw absolutnych, obowiązujących na wszystkich poziomach organizacji tego, co nazywamy rzeczywistością. Ale w drugiej połowie ubiegłego wieku przemożne już było odczucie, że każdy z owych poziomów wymaga nieco innego opisu.

Dotyczy to zwłaszcza układów złożonych – składających się z wielu różnych, wchodzących ze sobą w interakcje elementów. Inne prawa opisują mrowisko, inne mrówkę, a jeszcze inne atomy składające się na ową mrówkę. Cechy kwarka powabnego nie tłumaczą zachowania mrówczej społeczności. Inaczej opisuje się klimat, inaczej chmurę, inaczej cząsteczki wody. I tak dalej.

Kanonicznym manifestem przekonania, że do myślenia o złożoności potrzebne są nowe struktury konceptualne, był esej P. W. Andersona, który ten wybitny fizyk amerykański opublikował w magazynie „Science” w sierpniu 1972 r. Nosił tytuł „More Is Different” – czyli, pi razy drzwi, „Więcej znaczy inaczej”. Można rzec, że to właśnie za ogromny krok w zrozumieniu owego hasła i owych układów Giorgio Parisi oraz Syukuro Manabe z Klausem Hasselmannem otrzymali tegoroczną nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Manabego i Hasselmanna wyróżniono za pionierskie badania nad modelami klimatu, Parisiego – za ogólny wkład w rozumienie teorii złożoności, co też znalazło odbicie w podziale nagrody. Dwaj pierwsi uczeni dostali tyle nagrody co trzeci, czyli pół na pół.

Manabe robi prosty model

Syukuro Manabe pokazał, jak i dlaczego wzrost stężenia dwutlenku węgla w atmosferze podnosi temperaturę powierzchni planety. Fakt, iż uznajemy to za oczywistość, zawdzięczamy stosunkowo prostym jeszcze modelom opracowanym przez tego uczonego z Uniwersyteu w Princeton w latach 60. Manabe, który do Stanów Zjednoczonych wyemigrował z wyniszczonej wojną Japonii, szukał odpowiedzi na pytania, którym czoła stawiał 200 lat temu słynny francuski fizyk Joseph Fourier, a sto lat temu Szwed Svante Arrhenius. Obu uczonych interesowały procesy wymiany energii przez planetę – to, ile otrzymuje ona ze Słońca, ile wypromieniowuje z powrotem oraz ile ulega uwięzieniu w atmosferze.

Manabe siedział na ramionach Fouriera i Arrheniusa. Ale jego model po raz pierwszy uwzględnił pionowe ruchy mas powietrza spowodowane konwekcją oraz wkład energii cieplnej pochodzący od pary wodnej w atmosferze. Komputery symulujące procesy pogodowe i klimatyczne są dziś tysiące razy szybsze niż w czasach Manabego, pozwalają na budowanie nieporównanie bardziej wyrafinowanych modeli. Ale zasadniczo Manabe trafił w dziesiątkę.

Hasselmann nie boi się przypadku

Kolejny wielki krok dekadę później wykonał Klaus Hasselmann z Instytutu Maxa Plancka w Hamburgu. W swoich modelach powiązał ze sobą pogodę i klimat. Dał pierwsze solidne, naukowe przybliżenie wyjaśnienia zagadkowej przewidywalności klimatu mimo nieprzewidywalności pogody. Opracowane przez Hasselmanna modele posłużyły też potem do udowodnienia gatunkowi ludzkiemu winy za rosnącą temperaturę atmosfery.

Pierre-Simon de Laplace, wielki autorytet nauki francuskiej, powiedział kiedyś, że gdyby tylko znać położenie i prędkość wszystkich cząstek/cząsteczek we wszechświecie, można by było przewidzieć przyszłość tego ostatniego ze stuprocentową trafnością. Miał rację, ale tylko w teorii. Bo w praktyce jest to niemożliwe. Mamy bowiem do czynienia ze zjawiskiem chaotycznym – czego najbardziej namacalnym i dramatycznym przykładem jest pogoda.

Zawsze będzie jakiś margines błędu, z którym dokonamy pomiarów temperatury powietrza, wilgotności czy intensywności wiatru. Do tego dochodzi tzw. nieliniowość równań opisujących procesy pogodowe, czyli niebywała wrażliwość na warunki początkowe. Przysłowiowe już uderzenie skrzydeł motylka w Brazylii powoduje tornado na drugim końcu Ziemi. Hasselmann, inspirowany pracami Einsteina na temat ruchu Browna, zdołał tę immanentną przypadkowość zjawisk pogodowych z powodzeniem wpisać w swój model.

Parisi patrzy przez szkiełko (spinowe)

Znów minęło dziesięć lat i kolejny zdecydowany postęp w rozumieniu złożoności dokonał się za sprawą Giorgio Parisiego z Uniwersytetu Rzymskiego La Sapienza. Włoch odkrył ukryte prawidłowości w układach, które wcześniej zdawały się zachowywać w sposób całkowicie chaotyczny i przypadkowy. Jego odkrycia były na tyle ogólne, że odnosiły się zarówno do systemów matematycznych, biologicznych, jak i klimatycznych.

Parisi przyglądał się tzw. szkłom spinowym, materiałom o bardzo specyficznych właściwościach magnetycznych. Ich zachowanie może stanowić metaforę – czyli w języku fizyki: model – układów złożonych. Tyle że w latach 70. nikt nie potrafił tego zachowania opisać w sposób matematyczny, wyłożyć, jak proste zachowania pojedynczych elementów układu przekładają się na złożone zachowania całego systemu. Parisi umiał to zrobić, a jego pomysł stał się fundamentem wielu współczesnych modeli przeróżnych zjawisk, także tych związanych z klimatem.

Więcej znaczy bardzo inaczej

Decyzja Komitetu Noblowskiego rezonuje oczywiście, i słusznie, z duchem epoki, w której przyszło rozdawać nagrody. Stawia też w centrum uwagi tematykę, która bywała pomijana w poważnych dyskusjach naukowych.

Po części działo się tak z przyczyn historycznych – pewnej niechęci do problemów, które trudno opisać w sposób absolutny. Przede wszystkim jednak działo się tak dlatego, że złożoność we wszystkich jej przejawach jest piekielnie wręcz trudna do modelowania i postęp w tej dziedzinie jest mozolny.

Tymczasem o przyszłości planety, systemu złożonego ze splecionych ze sobą ekosystemów, socjosystemów i technosystemów, decydować będzie właśnie ten egzotyczny jeszcze niedawno rodzaj wiedzy. Więcej znaczy inaczej, przypomnijmy. A tego więcej jest coraz więcej.