Sociedad

Nobel de Física al arte de extraer orden del desorden

La Academia sueca premia a dos climatólogos y un físico teórico que crearon nuevas técnicas para entender los sistemas complejos

Los ganadores del Nobel de Física 2021
Los ganadores del Nobel de Física 2021NOBEL PRIZE.ORG NOBEL PRIZE.ORG

La naturaleza, en condiciones normales, es muy complicada. Una de las destrezas de la ciencia es diseñar maneras de eliminar buena parte de esa complejidad y quedarse sólo con una o dos cosas que son las que queremos investigar. Por ejemplo, para estudiar una bacteria preferimos hacerla crecer en un laboratorio, controlar nosotros qué come y fijar la temperatura a la que va a vivir; eso nos permite sacar de la ecuación las muchas otras cosas que les ocurren a las bacterias silvestres, y nos da una visión más nítida de esta bacteria en concreto. Pero eso no siempre es posible. Hay aspectos de nuestro mundo que son, por su propia naturaleza, complejos: están formados por muchas partes, o pierden sus propiedades más importantes cuando los simplificamos. Una sociedad, por ejemplo, no puede estar formada sólo por dos personas: las cosas que le ocurren a una pareja son eminentemente diferentes a las que le ocurren a una sociedad. Si queremos entender este tipo de fenómenos no podemos simplificar demasiado: necesitamos quedarnos con el pack completo.

Este año el Premio Nobel de Física ha reconocido el trabajo de tres científicos que se han enfrentado al estudio de sistemas necesariamente complejos. El japonés Syukuro Manabe se dio cuenta de que para estudiar la temperatura de la Tierra era necesario tener en cuenta los movimientos dentro de la atmósfera, que hacen que el aire caliente suba y el aire frío baje. El alemán Klaus Hasselmann desarrolló toda una serie de herramientas que permiten separar los cambios lentos que ocurren en nuestro planeta ‒lo que llamamos clima‒ de los cambios rápidos, que tienen lugar en horas o días ‒lo que llamamos tiempo meteorológico. El italiano Giorgio Parisi, por su parte, estudió un tipo de materiales en cuyo interior los átomos están desordenados y encontró la manera de calcular las propiedades del material como un todo, tendiendo un puente entre el desorden del mundo microscópico y lo que nuestros ojos ven.

Princeton University meteorologist Professor Syukuro Manabe, who won a share of the 2021 Nobel Prize in physics, talks in his home in Princeton, New Jersey, U.S., October 5, 2021. REUTERS/Mike Segar FOTO: MIKE SEGAR REUTERS

Una de las dificultades que suelen aparecer en los sistemas complejos es que parecen muy diferentes según los miremos a gran escala o a pequeña escala. Un buen ejemplo es la dicotomía tiempo-clima. En nuestra vida diaria vemos que el tiempo puede cambiar en cuestión de minutos; quizá esta mañana hacía un sol radiante y por la tarde está diluviando; mañana, en cambio, puede que esté nublado y haga mucho calor. El tiempo meteorológico es no sólo variable, sino muy voluble: está sujeto a cambios bruscos y es difícil de predecir. En cambio, el clima parece ser todo lo contrario: es estable, y los cambios a los que está sometido son constantes y predecibles. Sabemos que la temperatura del planeta está subiendo; sabemos que los océanos se están volviendo más ácidos; sabemos que los glaciares están en continuo retroceso. Ambos son el mismo sistema ‒la atmósfera y la superficie de la Tierra‒, pero parece caótico cuando lo miramos “con lupa” (en una escala de horas) y perfectamente predecible cuando lo miramos “con telescopio” (en una escala de décadas).

Klaus Hasselmann ayudó a resolver esta aparente contradicción analizando en detalle las ecuaciones que gobiernan las propiedades de los océanos. Esencialmente, su idea fue separar las propiedades que dependen del tiempo meteorológico, como por ejemplo la altura de las olas, de las que dependen del clima, como la acidez media del agua. La gran diferencia entre ambos conjuntos es que las primeras cambian mucho más rápido que las segundas, y Hasselmann pudo demostrar que cuando miramos “desde el telescopio” los cambios meteorológicos prácticamente desaparecen de las ecuaciones. Hoy hace frío, pero ayer hizo calor; el clima no es capaz de “ver” ninguno de esos extremos, porque han ocurrido demasiado rápido. Es el promedio el que sobrevive lo suficiente como para afectar al clima. Matemáticamente, en las ecuaciones del clima el tiempo meteorológico queda reducido a un ruido puramente aleatorio, y su influencia es prácticamente cero.

Hamburg (Germany).- German physicist, climate researcher and oceanographer Klaus Hasselmann speaks at a press conference at the at the Max Planck Institute for Meteorology in Hamburg, Germany, 05 October 2021. Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann and Giorgio Parisi were awarded with the 2021 Nobel Prize in Physics for their 'groundbreaking contributions to our understanding of complex physical systems', the Royal Swedish Academy of Sciences and Nobel Committee said. (Alemania, Hamburgo) EFE/EPA/JONAS WALZBERG *** Local Caption *** 54831900 FOTO: JONAS WALZBERG EFE

Parisi encontró una situación similar cuando estudió los vidrios de espín, unas aleaciones metálicas en las que los átomos de uno de los metales están esparcidos de forma errática por el material. Pero esparcidos o no, esos átomos son importantes, porque dan a la aleación ciertas propiedades magnéticas. De nuevo nos encontramos con algo que es caótico en la microescala, con esos átomos aleatoriamente dispuestos, pero muestra propiedades bien definidas ‒el magnetismo‒ en la macroescala. Parisi encontró la manera de conectar ambos mundos definiendo una propiedad del material que sólo dependía de las diferentes posiciones de los átomos. Un conjunto concreto de posiciones no era muy interesante, porque había billones y billones de ellas, y cada pieza de vidrio de espín iba a tener sólo una de esas ordenaciones. Pero esta propiedad le permitía a Parisi comparar las posibles ordenaciones internas, ver cuáles eran parecidas y cuáles diferentes. Había encontrado una forma de “recorrer” esta plétora de mundos microscópicos, y armado con esa información algunas de las propiedades macro del vidrio de espín se podían reconstruir a partir del mundo micro.

Sorprendentemente, la estrategia de Parisi resultó ser muy general: otros sistemas desordenados, aunque no tuvieran nada que ver con átomos ni con magnetismo, se podían atacar de la misma forma. Información almacenada en una red neuronal, láseres con luz de diferentes frecuencias interaccionando entre ellas o granos de arena confinados en una caja: todos muestran desorden y todos pueden ser analizados con los métodos que Parisi desarrolló para los vidrios de espín. Hoy, cuarenta años después de su primer trabajo en este campo, las ideas de Parisi se usan en matemáticas, neurociencia e inteligencia artificial, porque permiten hacer lo más difícil: tender una línea que discurre del desorden al orden.

Italian theoretical physicist Giorgio Parisi speaks to journalists as he arrives at the Accademia dei Lincei , Tuesday, Oct. 5, 2021, in Rome, after being awarded the 2021 Nobel Prize for Physics, together with Syukuro Manabe and Klaus Hasselmann, by The Royal Swedish Academy of Sciences in Stockholm. (AP Photo/Michele Calamaio) FOTO: Michele Calamaio AP

QUE NO TE LA CUELEN

  • Los trabajos de Syukuro Manabe, desarrollados en las décadas de 1960 y 1970, permitieron entender el papel del CO2 en el calentamiento del planeta, al incorporar las diferencias entre las capas altas de la atmósfera, que se calientan menos, y las capas bajas, que se calientan más, y cómo el aire circula entre unas y otras. Fueron fundamentales para convencer a la comunidad de que el CO2 jugaba un papel crítico en el cambio climático.
  • Giorgio Parisi ha desarrollado una carrera verdaderamente todoterreno, que le ha llevado de la física de partículas a la biología. En sus primeros años ayudó a entender la estructura interna de las partículas compuestas, como el protón, y sus contribuciones siguen usándose en el campo a día de hoy. Después de trabajar en vidrios de espín ha aplicado también su experiencia en sistemas complejos al estudio del comportamiento de grandes grupos de animales, que parecen autoorganizarse y ponerse de acuerdo para actuar como un todo. Un ejemplo paradigmático son las bandadas de estorninos.

REFERENCIAS