Min ph.d.-vejleder har lige vundet Nobelprisen i fysik – her er hvordan hans forskning i komplekse systemer ændrede videnskaben

Nobelprisen i fysik for 2021 er blevet tildelt i fællesskab til Italiens Giorgio Parisi, Japans Syukuro Manabe og Tysklands Klaus Hasselmann for deres "banebrydende bidrag til vores forståelse af komplekse systemer".

Da jeg hørte nyheden, Jeg kunne næsten ikke tro det. Jeg læste til mit kandidatspeciale og min ph.d. i teoretisk fysik under professor Parisi ved Sapienza Universitet i Rom.

Når jeg siger, at jeg var i vantro, misforstå mig ikke. Af alle de mennesker, jeg nogensinde har mødt i min forskningserfaring – måske i mit liv – er han uden tvivl den mest geniale. Så jeg var ikke overrasket over Nobelpriskomiteens beslutning om at udnævne ham til prisvinder. Hellere, det var deres beslutning om at anerkende hans "bidrag til vores forståelse af komplekse systemer", der vakte min interesse.

Denne pris til professor Parisi, splittet med banebrydende meteorologer professor Manabe og professor Hasselmann, er en forbløffende anerkendelse af et helt forskningsområde – måske lidt mindre glamourøst end den almindelige relativitetsteori eller strengteori – der forsøger at forstå og modellere, hvad vi i fysik kalder "komplekse systemer".

Disse omfatter ting som klimaøkosystemer, finansielle systemer, og biologiske fænomener, for at nævne et par stykker. Alene mangfoldigheden af ​​komplekse systemer – repræsenteret på fluktuerende markeder og flokkende stære – gør det meget svært at udlede nogen form for universelle regler for dem. Parisis arbejde har givet os mulighed for at udlede hidtil usete konklusioner om sådanne systemer, på overfladen, se tilfældigt ud, uforudsigelige og umulige at modellere teoretisk.

I modsætning til nogle andre fysikmodeller, komplekse systemer er ikke en samling af identiske partikler, regelmæssigt interagere på en måde, der er konsistent og forudsigelig. I stedet, komplekse systemer er systemer af elementer, potentielt forskellige fra hinanden, interagerer på forskellige og tilsyneladende uforudsigelige måder, mens de udsættes for varierende ydre forhold.

Et springbræt til modellering af komplekse systemer er teorien om "uordnede systemer". Disse er i det væsentlige systemer, hvor forskellige par af elementer oplever forskellige, potentielt modstridende kræfter, der kan få elementerne til at blive "frustrerede".

En måde at illustrere dette på er at forestille sig et parti (et lukket socialt system), hvor Alice måske vil chatte med Bob, og Bob vil måske chatte med Charlie, men Charlie vil måske ikke chatte med Alice. Der er frustration her - så hvad skal de gøre?

Professor Parisis forskning afklarede, hvad der sker, når frustration opstår i uordnede og komplekse systemer. Han identificerede, at komplekse systemer er i stand til at huske deres baner over tid, og kan sidde fast i suboptimale tilstande i lang tid.

I vores partieksempel, forestil dig Alice, Bob, Charlie, og andre gæster, der uregelmæssigt skifter samtalegrupper og partnere, i håb om at finde den bedste gruppe mennesker at chatte med – men kan potentielt aldrig finde den. Det er den suboptimale tilstand komplekse systemer kan sidde fast i.

Mønstre fra uorden

Et af de mange teoretiske værktøjer, professor Parisi har brugt til at etablere sin teori, er det såkaldte "replika-trick" - en matematisk metode, der tager et uordnet system, gentager det flere gange, og sammenligner, hvordan forskellige replikaer af systemet opfører sig. Du kan gøre det, for eksempel, ved at komprimere kugler i en kasse, som vil danne en anden konfiguration hver gang du laver komprimeringen. Over mange gentagelser, Parisi vidste, fortællemønstre kan dukke op.

Denne metode er nu en af ​​de få teoretiske søjler for udviklingen af ​​hele teorien om komplekse systemer, som vi kender den i dag. Professor Parisis teori har vist sig at give pålidelige forudsigelser om de statistiske egenskaber af komplekse systemer lige fra underkølede væsker (væsker under deres størkningstemperatur), frosne væsker, amorfe faste stoffer såsom glas, og endda flokke af stære.

Teorien om uordnede systemer giver os mulighed for at forstå den smukke fremkomst af sammenhængende flyvemønstre i tætte flokke af fugle - som formår at holde sammen og danne enorme grupperinger på trods af ugunstige forhold.

Den samme ramme er blevet brugt til at give mening om Jordens klima. De meteorologer, der deler Nobelprisen med professor Parisi, vil have påberåbt sig gennembrud inden for teoretisk fysik for at producere de modeller, vi nu bruger til pålideligt at demonstrere global opvarmning.

Jeg havde chancen for at diskutere disse emner med professor Parisi i Rom, mens hans eksperimenter med fugleflokke fandt sted og under hans computersimuleringer af glasets opførsel. At kende lidt til hans sind, Jeg er slet ikke overrasket over, at han er blevet tildelt Nobelprisen i fysik.

Men jeg er glædeligt overrasket over, at området for komplekse systemer, som stille og roligt skubber på grænsen for teoretisk forskning i fysik, har fået denne eksponering. Denne Nobelpris har givet ny legitimitet – og, vi kan håbe, nye sind - til dette fascinerende område af nutidig fysik.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.