نوبل في الفيزياء 2021: التغيّرات المناخيّة والنُظم المعقّدة

لاحقًا، قام مانابي بدمج النموذج الخاص به بنموذج ثلاثي الأبعاد وحتى أنه اضافَ التأثيرات المتبادلة بين الغلاف الجوي والمحيطات. حتى يومنا هذا، تُعد هذه النماذج مكونًا أساسيًا في فهم وتنبؤ المناخ وحالة الطقس في الكرة الأرضية. وفق مانابي، فإنه من المستحيل التنافس مع تعقيدات الطبيعة، لذلك لكي نستطيع فهمها علينا أولًا إيجاد فرضيات تبسيطية ومناسبة. ووفقًا لمانابي، فإنَّ كل قطرة مطر هي نتيجة فيزيائية معقدة للغاية، بحيث لا يمكننا أبدًا حساب كل التفاصيل التي تركب النظام المناخي.

من نموذج بسيط إلى نظام معقد يتأثر بالعديد من المتغيرات. نموذج مانابي الأساسي لتأثيرات الاحتباس الحراري| ترجمة من موقع جائزة نوبل

تُعد أنظمة الطقس والمناخ، كما ذكرنا، من بين أكثر الأنظمة تعقيدًا من الناحية الفيزيائية. تم وضع الكثير من الأسس النظرية لدراسة هذه الأنظمة من قبل الفيزيائي الإيطالي جورجيو باريزي من جامعة سابينزا في مدينة روما، والذي مكنت دراساته من فهم الظواهر المعقدة في الأنظمة التي تبدو فوضوية بشكلٍ أفضل.  

في سلسلة مقالات رائدة في مجالٍ آخر، غيّرَ باريزي المفاهيم السائدة حول بنية الأنظمة الفوضوية. من ضمن إنجازاته العديدة، بحث باريزي الأنظمة الفيزيائية المسماة بزجاج اللف المغزلي: وهي بلورات فيها تنتظم الذرات في الفضاء كما في المواد الصلبة، أما اللف المغزلي (Spin) يمر بين الإلكترونات الموجودة حول أنوية الذرات. الإلكترونات التي تُغيّر اللف المغزلي، تتصرف مثل الجسيمات ذاتها، وهم أكثر حرية كما هو الحال في السائل.  في الشبكة المربعة، وهي مادة بلورية ذراتها مرتبة بزوايا على شكل مربع، يمكن إنشاء توازن بين اتجاهات اللف المغزلي (الدوران) للإلكترونات. أما في الشبكة المثلثية، والتي تشكل ذراتها مبنى شبيهًا بالمثلث، لا يمكن الموازنة بين اللفات المغزلية، ولذلك فهناك عدد لا نهائي من حالات الطاقة المعقدة، مما يؤدي إلى نشوء ظاهرة زجاج اللف المغزلي. صاغ باريزي وحل المعادلات التي تصف سلوكيات الذرات في الشبكة المثلثية، وهكذا نجح في وصف سلوك هذه المادة. من خلال الحل، نجح باريزي في وصف الظواهر النموذجية للأنظمة المعقدة رياضيًا، على سبيل المثال، تذبذبات مختلفة، دوامات وغيرها. اعتمادّا على هذا النموذج، طوَّرَ باريزي الأسس لاستنتاجات مهمة حول أنظمة معقدة أخرى، من مواد معقدة وحتى الشبكات العصبيّة. 

في عام 1986، نشر باريزي بالتعاون مع يي تشنج زانج (Zhang) ومهران كاردار (Kardar) معادلة KPZ، والتي تطرقت للفيزياء الإحصائية ومكنت من دراسة مجموعة واسعة من الظواهر، مثل، كيفية نشوء البلورات على الأسطح. مساهمات باريزي في مجال الفيزياء النظرية وصلت الى مجالات عديدة أخرى، بما فيها، التحول الطوري، الفيزياء الرياضية، نظرية الأوتار، الميكانيكا الإحصائية والمزيد. تطرقت أعماله أيضًا لمجموعة كبيرة من الأبحاث التطبيقية - من بناء الحواسيب، مرورًا بسلوك الجهاز المناعي ووصولًا إلى المبنى التنظيمي لأسراب الطيور المهاجرة.  

بايريزي (في المركز) يتسلم جائزة وولف في السفارة الإسرائيلية في روما. في الصورة أيضًا، من اليمين: الرئيس التنفيذي لصندوق وولف رعوت يانون بيرمن، القائم بأعمال رئيس الصندوق، بروفيسور دان شطيخمان، رئيس جامعة روما أناطوليا فوليميني وسفير إسرائيل في إيطاليا، درور إيدر | تصوير: صندوق وولف.

 

إيجاد النظام داخل الفوضى 

 

نعلم جميعًا أنه من الصعب التنبؤ بما سيكون عليه الطقس لأكثر من بضعة أيام قادمة. جزء من ذلك يعود لصعوبة القياس بدقة في كل إحداثية داخل الغلاف الجوي، لكل العوامل المؤثرة عليه والتي تشمل درجة الحرارة، الرطوبة، الضغط الجوي، كثافة الغلاف الجوي، الأشعة، وكذلك اتجاه الريح وشدتها. على سبيل المثال، أشعة الشمس المُمتصة، تختلف في أوقات مختلفة ومناطق مختلفة. حقيقة أنَّ الأرض كروية تجعل الإشعاع أضعف كلما أقتربنا من القطبين، وميل محور الكرة الأرض يؤدي الى تغييرات في الأشعة، والتي تُنشيء بالتالي فصول السنة المختلفة. تسبب الأشعة ودرجات الحرارة والفوارق في الكثافة والضغط، حركة هائلة للهواء والحرارة بين خطوط العرض بين المحيط واليابسة، وبين المرتفعات في الغلاف الجوي. هذه التحركات تقود نظام الطقس في الكرة الأرضية. 

قبل حوالي مائتي عام، ادّعى الفيزيائي والرياضي الفرنسي بيير سيمون دو لابلاس (Laplace) أنه فقط في حال عرفنا موقع وسرعة جميع جزيئات الهواء في الغلاف الجوي، فسيكون بإمكاننا معرفة حالة الطقس بالضبط في الماضي والمستقبل. على الرغم من أنه كان عالمًا كبيرًا، إلا أن لابلاس كان مخطئًا للغاية. بالإضافة إلى صعوبة قياس كل شيء بدقة، فإنَّ المعادلات التي تصف الطقس غير خطية، لذلك فإنَّ كل تغيير صغير بأي واحد من العوامل يمكن أن يتسبب في تغيير كبير بالطقس. يشار الى هذه الظاهرة احيانًا بإسم "تأثير الفراشة"، نظرًا للمثال الشهير القائل بأنَّ اذا حركة لأحد جناحي فراشة في أحد جانبي العالم يمكن أنّ يتسبب في عاصفة في الجانب الاخر. لقد فهم كلاوس هاسلمان ذلك، وأظهر كيف يمكن التعامل مع أنظمة الطقس الفوضوية على أنها ضوضاء تتغير بشكلٍ سريع، وحساب التأثير طويل المدى لهذه الضوضاء على المناخ. اضافة الى ذلك، احتوت نماذجه في داخلها الفوضى النموذجية للعالم الحقيقي، بينما تستلهم الفكرة من نموذج الحركة البروانية لألبرت أينشتاين.

 

قدم هاسلمان أيضًا مساهمة حاسمة بخصوص القناعة، بأنَّ النشاط البشري هو الذي يسبب اليوم الاحتباس الحراري، وليست الظواهر الطبيعية. وقد وجد أنَّ النماذج، إضافة الى المشاهدات والاعتبارات النظرية، تحوي معلومات مهمة حول الضوضاء وخصائص اخرى. على سبيل المثال، التغييرات في الإشعاع الشمسي، تركيز الجزيئات البركانية في الغلاف الجوي، أو كمية غازات الدفيئة، تؤدي بدورها إلى تغييرات ذات خصائص فريدة، كنوع من بصمة الأصبع، بحيث يمكن التمييز بين مسببات التغيير في المناخ. أتاح استخدام هذه الطريقة فهم أهمية انبعاثات غاز الدفيئة خلال النشاط البشري وتأثيره على التغيّرات المناخية. وهكذا، مهد هاسلمان الطريق لأبحاث كثيرة اضافية، تشمل نماذجَ وقياسات أفضل من أي وقتٍ مضى، التي أظهرت أنَّ النشاط البشري، الذي أدى في القرن الماضي الى زيادة في 40 في المائة من مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف ىالجوي، هو المسؤول عن التغيّرات المناخية التي نشهدها نحنُ اليوم. حددت اللجنة الدولية المعنية بتغير المناخ (IPCC) في تقريرها الأخير، الذي نُشر قبل حوالي شهرين، بأنه لم يعد مجالًا للشك في أنَّ ابعاثات غازات الدفيئة جراء النشاط البشري هي المصدر الرئيسي للإحتباس الحراري على الكرة الارضية.