Klimat och komplexitet belönas med fysikpris

– Många kanske tror att fysik bara handlar om enkla och ordnade fenomen, som jorden i sin perfekt elliptiska bana kring solen, sade Nobelkommitténs Thors Hans Hansson när priset offentliggjordes.

I verkligheten ryggar inte fysiken för att ta sig an det som är komplext och oordnat, och det visar sig också i årets tudelade Nobelpris i fysik. Den ena delen går till Syukuro Manabe, USA, och Klaus Hasselmann, Tyskland, som har gjort viktiga bidrag till förståelsen av jordens klimat. Den andra delen går till Giorgio Parisi, Italien, för hans teoretiska insikter om oordnade system på olika storleksskalor. Det som förenar de båda delarna är att de har att göra med komplexitet.

Byggde på Svante Arrhenius forskning

De tre pristagarna har arbetat med lika komplicerade frågor, men de har haft mycket olika infallsvinklar. Syukuro Manabe byggde vidare på rön från tidigare klimatforskare, bland dem Svante Arrhenius här i Sverige, och skapade under 1960-talet en enkel klimatmodell som bland annat kunde hantera luftens rörelser, och där han kunde variera halten av olika gaser. På så sätt kunde han hantera de viktiga huvuddragen i klimatsystemet. Med tiden utvecklade han detta till en modell i tre dimensioner.

Medan klimatet är de långsamma och övergripande förändringarna har vi också ständiga och snabba skiftningar i form av väder. Klaus Hasselmann arbetade med hur vädrets kaotiska skiftningar ska kunna knytas till de långsamma förändringarna. Han skapade en modell med en inbyggd slump, för att få med vädret som ett bakgrundsbrus till klimatet – en intern variabilitet. På så vis kunde han bygga ett ramverk för att jämföra med observationer och urskilja människans påverkan från de naturliga skiftningarna.

Giorgio Parisi har även han gjort arbeten som berör de slumpmässiga förändringarnas roll i jordens klimat, men hans bidrag till den teoretiska fysiken rör sig i många olika fenomen och på olika storleksskalor. Det handlar om att hitta regler och mönster i skenbart slumpartade skeenden.

– Det som slog mig i Parisis arbete är det teoretiska djupet, samma djup som i allmän relativitetsteori och kvantfältteori, men om något som är skenbart mycket mer vardagsnära – till exempel vanligt glas, säger Ulf Danielsson, professor i teoretisk fysik vid Uppsala universitet och ledamot av Nobelkommittén för fysik.

Jämför med spelet Råttfällan

Glas är ett fast ämne, men utan den regelbundna kristallstruktur som finns i till exempel is. Ulf Danielsson jämför det med spelet Råttfällan, där rundlar av olika storlek kläms in i en ram där en fjäder trycker på en av sidorna. De olika ingående delarna kan hamna på många olika sätt.

– När man tittar på det är det bara en enda röra. Hur kan man beskriva det här och kvantifiera det på ett sätt som går att beräkna? Det är nästan som en ny värld, att upptäcka att i den här röran finns det mönster och strukturer som går att hantera, säger Ulf Danielsson.

Giorgio Parisi arbetade först med en typ av material som kallas spinnglas. Spinnglas är inte glas utan metallegeringar som har speciella magnetiska egenskaper. Att de kallas för glas beror på att de på samma sätt som vanligt glas har strukturer utan en tydlig övergång mellan ordnat och oordnat. De innehåller insprängda atomer med den kvantmekaniska egenskapen spinn, som beter sig som små magneter. I spinnglas kommer spinnets rikning mellan vissa atomer att tendera att linjera sig åt samma håll, och mellan andra åt motsatt håll, men utan att alla atomer kan hitta ett stabilt gemensamt tillstånd. Georgio Parisi hittade ett sätt att matematiskt beskriva det här oordnade systemet.

Medan det är lätt att förklara nyttan med att förstå klimatet är det kanske svårare att se nyttan med att ha matematiska modeller för oordnade material. Men den metod som Giorgio Parisi utvecklade har fått tillämpningar inom många olika forskningsfält. Från början var det inte heller uppenbart att klimatmodellerna skulle bli av allmänt intresse, påpekar Ulf Danielsson:

– När Manabe gjorde sin första klimatmodell på 1960-talet var det obskyr grundforskning.