Nobel de Física 2021: Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi, los teóricos de los sistemas complejos

La Real Academia Sueca de las Ciencias ha otorgado el Premio Nobel de Física 2021 al japonés Syukuro Manabe, el alemán Klaus Hasselmann y el italiano Giorgio Parisi. Estos investigadores han sentado las bases de nuestro conocimiento sobre el clima de la Tierra y cómo la humanidad influye en él, además de revolucionar la teoría de los materiales desordenados y los procesos aleatorios. Como señala el catedrático Francisco J. Tapiador en su artículo que aquí reproducimos: la Tierra no es una bola esférica, pero hay que empezar por algún sitio. El comienzo es simplificar, quedándose con lo esencial, para después ir añadiendo detalles. Esto es lo que hicieron los ganadores del Nobel de Física de este año.


La Academia de Ciencias Sueca concedió el Premio Nobel de Física 2021 a tres investigadores “por sus contribuciones pioneras a nuestra comprensión de los sistemas complejos”.

La mitad del galardón la comparten de forma conjunta Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann “por la modelización física del clima de la Tierra, la cuantificación de la variabilidad y la predicción fiable del calentamiento global”, analizando la influencia humana en este proceso.

La otra mitad se concede a Giorgio Parisi “por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica a la planetaria”. Se premia sus revolucionarias contribuciones a la teoría de los materiales desordenados y los procesos aleatorios.

En las últimas dos ediciones, la del 2019 y la del 2020, el Nobel de Física ha recaído en trabajos relacionados con la astrofísica. (La ciencia del universo siempre ha sido, de hecho, uno de los campos más premiados en los Nobel de Física.)

En 2019, James Peebles, Michel Mayor y Didier Queloz lo obtuvieron por su contribución a la comprensión del universo. En concreto, la Academia galardonó a James Peebles “por sus descubrimientos teóricos en cosmología física”, y a los planetólogos suizos Michel Mayor y Didier Queloz “por el descubrimiento de un exoplaneta orbitando una estrella semejante al Sol fuera del sistema solar.

En 2020, por otra parte, el británico Roger Penrose, el alemán Reinhard Genzel y la estadounidense Andrea Ghez lo ganaron. El primero recibió la mitad del premio “por descubrir que la formación de agujeros negros es una predicción robusta de la teoría general de la relatividad”. Los otros dos compartieron la otra mitad “por descubrir un objeto compacto supermasivo en el centro de nuestra galaxia”.

El galardón de este año a la ciencia del clima cambia el paradigma y demuestra que, más allá de las discusiones teóricas, la ciencia puede tener aplicaciones mucho más prácticas y tangibles, como entender el rumbo de la crisis ecológica que, hoy por hoy, envuelve nuestro planeta.

El qué, el cómo

Los sistemas complejos se caracterizan por esa aleatoriedad y desorden, por lo que son difíciles de entender. El premio de este año 2021 reconoce los nuevos métodos para describirlos y predecir su comportamiento a largo plazo.

Syukuro Manabe demostró cómo el aumento de los niveles de CO2 en la atmósfera provoca un aumento de las temperaturas en la superficie de la Tierra. / Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences.

Un sistema complejo de vital importancia para la humanidad es el clima de la Tierra. Syukuro Manabe (Shingu-Japón, 1931) demostró cómo el aumento de los niveles de dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera provoca un incremento de la temperatura en la superficie de la Tierra.

En la década de 1960, dirigió el desarrollo de modelos físicos del clima terrestre y fue el primero en explorar la interacción entre el equilibrio de la radiación y el transporte vertical de las masas de aire. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo de los modelos climáticos actuales.

Unos diez años después, Klaus Hasselmann (Hamburgo-Alemania, 1931) creó un modelo que relaciona el tiempo y el clima, respondiendo así a la pregunta de por qué los modelos climáticos pueden ser fiables a pesar de que el tiempo sea cambiante y caótico.

También desarrolló métodos para identificar señales específicas, huellas dactilares, que tanto los fenómenos naturales como las actividades humanas imprimen en el clima. Sus métodos han servido para demostrar que el aumento de la temperatura de la atmósfera se debe a las emisiones humanas de CO2.

Klaus Hasselmann creó un modelo que relaciona el tiempo y el clima. Sus métodos se han utilizado para demostrar que el aumento de la temperatura en la atmósfera se debe a las emisiones humanas de CO2. / Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences

Por su parte, Giorgio Parisi (Roma-Italia, 1948) descubrió hacia 1980 patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Sus descubrimientos suponen una de las contribuciones más importantes a la teoría de los sistemas complejos.

Estos permiten comprender y describir muchos materiales y fenómenos aparentemente totalmente aleatorios, no sólo en física sino también en otros ámbitos muy diferentes, como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático.

Tras conocer que era uno de los galardonados, Parisi ha recordado que alguno de sus estudios (como resonancias estocásticas en cambio climático) guardan relación con los de los otros premiados, y respecto a la actual crisis climática ha subrayado: “Está claro que para la futura generación, tenemos que actuar ahora de forma muy rápida”.

Giorgio Parisi descubrió patrones ocultos en materiales complejos desordenados. En la imagen, un vidrio de espín, una aleación metálica en la que los átomos de hierro –por ejemplo– se mezclan aleatoriamente en una red de átomos de cobre. Cada átomo de hierro se comporta como un pequeño imán a su alrededor. Sin embargo, en un vidrio de espín se ‘frustran’ y tienen dificultades para elegir la dirección a la que apuntar. A partir de sus estudios sobre el vidrio de espín, Parisi desarrolló una teoría de los fenómenos desordenados y aleatorios que abarca muchos otros sistemas complejos. / Johan Jarnestad/ The Royal Swedish Academy of Sciences

De hecho, el reconocimiento a la ciencia de la crisis climática se entrega apenas unas semanas antes del arranque de la próxima Conferencia de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (la COP26, que se llevará a cabo del 31 de octubre al 12 de noviembre de 2021), una cita en que los principales líderes del mundo deberán decidir cómo hacer frente a la crisis climática.

Giorgio Parisi, en sus primeras declaraciones ante la prensa, ha sido claro: “Urge tomar medidas fuertes y decididas. Si no hacemos nada, la temperatura global seguirá subiendo. Tenemos que actuar ya para frenarlo, sin más demora”.

¿Servirá este premio para crear conciencia sobre la gravedad y el impacto de la crisis climática? “Los que todavía no han entendido que esto es un problema grave, dudo que cambiarán de opinión tras la entrega del Nobel”, se sinceró Göran Hanssen, secretario general de la Academia de Ciencias Sueca.

Por su parte, el presidente del Comité Nobel de Física, Thors Hans Hansson, considera que los descubrimientos reconocidos este año “demuestran que nuestros conocimientos sobre el clima se apoyan en una sólida base científica, basada en un riguroso análisis de las observaciones; y todos los galardonados de este año han contribuido a que conozcamos mejor las propiedades y la evolución de los sistemas físicos complejos”.

Y añadió: “El mensaje que da este premio es que la ciencia detrás de las predicciones es sólida”. (Fuente: Nobelprize.org/Agencias.)


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¿A qué se dedican exactamente los ganadores del Nobel de Física 2021?

Francisco J. Tapiador

El premio Nobel de Física del año 2021 ha premiado a dos pioneros en modelizar la complejidad del planeta. Acostumbrados a que que estos galardones recayeran en campos como la física de partículas, la astronomía, y la ciencia de los materiales, es una alegría que haya ido a parar a las manos de quienes estudian la física de la Tierra, Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann. Se trata de un campo que presenta formidables dificultades teóricas y prácticas, y que comprende la geofísica, la meteorología y la oceanografía.

La otra mitad del Nobel ha ido para Giorgio Parisi, cuya contribución a los sistemas complejos y procesos aleatorios ha sido también pionera, especialmente en el estudio de unos sistemas magnéticos conocidos como vidrios de espín.

El japonés Syukuro Manabe, el alemán Klaus Hasselmann y el italiano Giorgio Parisi. / Ilustraciones de Niklas Elmehed/Nobel Prize.

El funcionamiento del planeta es muy complejo, pero eso no quiere decir que no podamos estudiarlo. Al contrario, es un aliciente para hacerlo. Los elementos inertes de la atmósfera y el océano se comportan de una manera muy compleja, a lo que hay que añadir que la Tierra está viva y tanto las plantas como los animales ejercen una influencia medible en el clima. Eso complica mucho la tarea: no es lo mismo tratar de estudiar bolas inertes que esas bolas repletas de un prodigio de biodiversidad.

Para modelizar esta complejidad, entenderla y realizar predicciones, hay que empezar paso a paso. Comenzar por lo básico.

Hay un chiste famoso entre los físicos en el que un ganadero le pide a un físico que le calcule el volumen de su vaca. El físico se lo piensa, y al cabo de unos segundos responde: «Supongamos que la vaca es esférica y de radio R».

El chiste tiene gracia porque recoge muy bien el procedimiento estándar para abordar los problemas en esta ciencia: abstraer los elementos más importantes, obviar en primera aproximación lo accesorio, y analizar con herramientas muy potentes lo fundamental, la esencia del asunto.

La Tierra no es una bola esférica y de radio R. Hay montañas, un océano de profundidad variable, bosques, animales, edificios, y todo un mosaico de superficies. El planeta, de hecho, ni siquiera es esférico: si medimos bien, tiene forma de elipsoide. Pero hay que empezar por algún sitio. El comienzo es simplificar, quedándose con lo esencial, para después ir añadiendo detalles.

Syukuro Manabe encontró la forma de abordar esa tarea aparentemente inabarcable. Fue él quien puso las bases y fundamentos de los modelos de clima que hoy son la base de nuestro conocimiento del cambio climático. Desarrolló el primer modelo viable, uno muy sencillo y elegante, que se ha ido haciendo más detallado con los años. Gracias a él se pudo estudiar por primera vez el papel crucial del ciclo del agua en la atmósfera.

La aportación de Klaus Hasselmann, por otro lado, fue dilucidar de una manera técnica la diferencia entre tiempo y clima. Es decir, de explicar por qué podemos saber cómo va a ser el clima del futuro aunque no podamos saber si el martes que viene va a llover. Su trabajo en modelos de océano ha sido también fundamental porque sentó las bases de los desarrollos que han venido después.

Gracias a las contribuciones de Manabe y Hasselmann hoy podemos saber con mucha seguridad que las emisiones de gases de efecto invernadero de los humanos calientan el planeta. Lo sabemos porque proporcionaron una explicación física, mecánica, de los procesos que operan. Esto se hace mediante esos programas informáticos imprescindibles que son los modelos de clima, que son como los laboratorios de los climatólogos.

Estos modelos permiten estudiar el clima de una manera cuantitativa, comprobando hipótesis y permitiendo predecir con fiabilidad lo que va a suceder si se cumplen una serie de condiciones. Sus resultados son la base de los informes del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC).

Los modelos actuales, herederos de aquellos que han merecido el Nobel, son bastante complejos e incluyen detalles intrincados que dan cuenta de la enorme complejidad del mundo natural, y de los desafíos a los que se enfrenta la física cuando se aplica al estudio de nuestro planeta.

Francisco J. Tapiador.
Catedrático de Física de la Tierra en la Universidad de Castilla-La Mancha. Ha sido investigador invitado en las universidades de Cambridge, Mannheim, París, Oklahoma, Colorado y en el JPL (NASA/Caltech).

Fuente: The Conversation.

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