خبر

  • تک بورد - فیزیک نوبل به پیچیدگی می پردازد ، هم عمومی و هم اقلیمی

    فیزیک نوبل به پیچیدگی می پردازد ، هم عمومی و هم اقلیمی
    13 روز و 6 ساعت قبل

    جایزه ای برای درک سیستم های پیچیده ، از جمله آب و هوا.
    رفتار پیچیده در اطراف ما وجود دارد. به چیزی شبیه اقتصاد فکر کنید. این شامل اجزای زیادی است ، هر کدام دارای قوانین خاص خود هستند و همه آنها به روشهای پیچیده با یکدیگر تعامل دارند. تلاش برای پیگیری آنچه از ابتدا اتفاق می افتد تقریباً غیرممکن است. با این حال ، برخی رفتارهای منطقی و منطقی از آن پیچیدگی بیرون می آیند و به ما امکان می دهد برخی

    این ترکیبی از پیچیدگی و رفتارهای نوظهور در بسیاری از سیستم های دیگر شامل رفتار کلی انسان و همچنین در زمینه های فیزیک ، شیمی و زیست شناسی خود را نشان می دهد. نوبل فیزیک امسال به طور مساوی بین دو جنبه مطالعه این سیستم ها تقسیم می شود. نیمی از جایزه به جورجیو پاریسی تعلق می گیرد ، او به یافتن روش هایی برای درک سیستم های پیچیده ای که می تواند به طور کلی استفاده شود ، کمک کرد. و نیمی دیگر بین دو مدلساز آب و هوا ، Syukuro Manabe و Klaus Hasselmann تقسیم شده است ، که به سیستم های توسعه یافته ای کمک کردند که ما از آنها برای درک چگونگی رفتار آب و هوا از تعامل پیچیده اجزا و تأثیرات آن - از جمله افزایش نفوذ گازهای گلخانه ای - استفاده می کنیم.

    سیستمهای پیچیده و رفتارهای نوظهور

    کار جورجیو پاریسی ریشه در اولین روزهای مکانیک آماری دارد ، که مهمترین آنها کار جیمز کلرک ماکسول (از شهرت دیو ماکسول) و لودویگ بولتزمن است ، که به طور مشهور یک روش آماری را در قانون دوم ترمودینامیک (آنتروپی) به کار برد. سرانجام ، فیزیکدانان یک ابزار ریاضی داشتند که می تواند چگونگی ظهور خواص در مقیاس کلان - مانند دما و فشار گاز - را از حرکات تصادفی و نامنظم ذرات در مقیاس کوچک نشان دهد. کار پاریسی قوانین پنهان حاکم بر این نوع سیستم های پیچیده بی نظم و ویژگی های نوظهور آنها را آشکار کرد.

    ظهور یک ملک به چه معناست؟ به یک تکه طلا فکر کنید. دارای ویژگی هایی مانند سختی یا رنگ است ، اما این ویژگی ها در تک اتم های تشکیل دهنده توده یافت نمی شود. در عوض ، آنها از فعل و انفعالات جمعی بین اتم های جزء طلا بیرون می آیند.

    این یک مثال نسبتاً ساده و سرراست است. اغلب پیش بینی رفتار یک سیستم بسیار پیچیده ، مانند آب و هوا یا مواد دانه ای مانند ماسه یا شن ، دشوارتر است. این به خاطر تعداد زیاد اجزای فردی ، تصادفی بودن فعل و انفعالات آنها و متغیرهای متعددی است که می توانند بر این فعل و انفعالات تأثیر بگذارند.

    به عنوان مثال ، ماسه می تواند مانند یک مایع و یک جامد رفتار کند: ماسه خشک می ریزد مانند مایعی که به راحتی از سطل خارج می شود ، و با این وجود اگر سنگی را بر روی همان ماسه قرار دهید ، دانه های جمعی به اندازه کافی محکم هستند که بتوانند آن را نگه دارند - حتی اگر از نظر فنی ، سنگ از شن بیشتر متراکم باشد.

    < p> معادلات مرتب معمول که بر گذار فاز از مایع به جامد حاکم است ، به سادگی قابل اجرا نیست. به نظر می رسد که دانه ها هنگام خروج از سطل مانند ذرات منفرد عمل می کنند اما در صورت نیاز به همبستگی می توانند به سرعت با هم ترکیب شوند. تعداد زیاد دانه های جداگانه ، پیش بینی نحوه عملکرد سیستم را از لحظه ای به بعد دشوار می کند - مانند زمانی که احتمال وقوع بهمن وجود دارد. هر دانه به طور همزمان با چندین دانه مجاور تعامل می کند و رفتار دانه های همسایه از یک لحظه به لحظه دیگر در حال تغییر است. از کار با شیشه های چرخان ، یک آلیاژ فلزی که در آن اتم های آهن به طور تصادفی در یک شبکه از اتم های مس مخلوط می شوند. چرخش اتم ها در یک آهنربای معمولی همه در یک جهت است. در مورد شیشه چرخان ، که در آن هر اتم آهن تحت تأثیر اتم های دیگر آهن در مجاورت آن قرار دارد ، اینطور نیست. بنابراین شما با یک نوع کشش در مقیاس اتمی روبرو می شوید: برخی از جفت های چرخش مجاور به طور طبیعی می خواهند در یک جهت اشاره کنند ، اما برخی دیگر می خواهند در جهت مخالف اشاره کنند. آنها در یک حالت "ناامید" گرفتار شده اند.

    خود پاریسی قیاس شخصیت های نمایشنامه شکسپیر را ارائه کرد ، جایی که یک شخصیت آرزو می کند با دو نفر دیگر صلح داشته باشد ، اما آن دو نفر دیگر دشمنان قسم خورده هستند. به طور مشابه ، در یک شیشه چرخش ، اگر دو چرخش بخواهند در جهت مخالف قرار بگیرند ، چرخش سوم نمی تواند همزمان به هر دو جهت اشاره کند. به نحوی ، شیشه چرخان جهت مطلوبی پیدا می کند که سازش بین دو چرخش مخالف است.

    در دهه 1970 ، فیزیکدانان سعی کردند این سیستمهای پیچیده ناامید را با پردازش نسخه های زیادی از سیستم (ماکت ها) توصیف کنند. همزمان. این یک ترفند ریاضی هوشمندانه بود اما نتایج دلخواه را به همراه نداشت. پاریسی ساختار بی نظم پنهانی را که در زیر آن کمین کرده بود ، پیدا کرد و قاب را شکافت. پاریسی نشان داد که حتی اگر شما کپی های زیادی از سیستم را در نظر بگیرید ، هر ماکت ممکن است به حالت متفاوتی برسد ، زیرا بسیاری از حالت های ممکن وجود دارد و انتقال بین آنها دشوار است. بنابراین ، تجزیه و تحلیل تقارن را تکرار می کند ، یکی از ویژگی های مشترک بسیاری از سیستم های فیزیکی.

    بنابراین ، پیشرفت او در بیشتر از عینک های چرخان قابل اجرا است. در دهه های پس از آن ، دانشمندان از بینش او برای توصیف سیستم های پیچیده بی نظم در طیف وسیعی از زمینه ها استفاده کرده اند: ریاضیات ، زیست شناسی ، علوم اعصاب ، علوم لیزر ، علم مواد و یادگیری ماشین. همه این سیستم ها در ظاهر بسیار متفاوت به نظر می رسند ، اما چهارچوب ریاضی مشترکی دارند.

    به عنوان مثال ، ازدحام بیولوژیکی (مانند ماهیچه ها) و رفتار دسته جمعی در بین ستارگان و چلچله ها هر دو نمونه ای از رفتارهای جمعی نوظهور هستند. ؛ الگوهای شکل گرفته از قوانین زیربنایی تعامل ناشی می شوند ، که می توانند در پاسخ به نشانه های مختلف محیطی تغییر کنند. کارهای پاریسی در پرداختن به معمای فروشنده مسافر (مشکل بهینه سازی کلاسیک) و مطالعه شبکه های عصبی تأثیرگذار بوده است. همچنین ممکن است با مطالعه شبکه های اجتماعی مرتبط باشد ، مانند اینکه چگونه می توان قطبی شدن سیاسی یا سوگیری ادراک اجتماعی را به عنوان ویژگی های نوظهور ناشی از تعاملات پیچیده میلیون ها نفر در نظر گرفت.

    پیدایش آب و هوا مدل

    از طریق جایزه امسال ، کمیته نوبل استدلال می کند که پیشرفت پاریسی شباهت هایی با نحوه رفتارهای فوق العاده پیچیده ایجاد کننده آب و هوا با ردیابی فیزیک اساسی دارد. به عبارت دیگر ، اگر از مواردی مانند مخلوط کردن گازها و برهم کنش آنها با تشعشع استفاده کنید ، رفتارهای واضحی از این فرایندها ظاهر می شود ، حتی اگر تغییرات زیادی در لایه های مختلف این رفتار وجود داشته باشد. این دقیقاً همان کاری است که ما در مورد مدل های آب و هوایی انجام دادیم.

    تبلیغات

    جایزه مدل سازی آب و هوا دو جنبه کاملاً متمایز از توسعه آنها را به رسمیت می شناسد. در حالی که آنها فقط در چند دهه گذشته مورد توجه عموم قرار گرفته اند ، تلاش برای مدل سازی اینکه چگونه ترکیب اتمسفر بر دمای آن تأثیر می گذارد ، به آثار Svante Arrhenius در 1896 باز می گردد. هیچ تفاوتی بین سطح خشکی و اقیانوس در زیر اتمسفر ایجاد نکرده است. در حالی که این تلاشها در طول چند دهه پیچیده تر شد ، آنها عمدتا شامل ترکیب برخی از پیچیدگی های زمین و در عین حال یافتن نقطه ای برای متعادل شدن انرژی ورودی و خروجی بودند. شروع گذار به رویکرد مدل سازی مدرن. مانابه در آزمایشگاه دینامیک سیالات ژئوفیزیکی پرینستون در سال 1959 شروع به کار کرد. یک دهه بعد ، او یک مدل رایانه ای ایجاد کرد که ستون یک بعدی جو را شبیه سازی می کرد. این به مدل اجازه می دهد شرایط واقعی تری را شامل شود ، مانند توزیع ناهموار گازها در سطوح مختلف جو و توزیع مجدد گرما از طریق همرفت. مدل کاملاً جهانی که گرما ، تابش و حرکت گازهای اتمسفر را در رایانه ای با نیم مگابایت RAM ردیابی می کرد. به طرز شگفت انگیزی ، این باعث ایجاد حساسیت آب و هوایی نسبت به گازهای گلخانه ای شد که در محدوده عدم قطعیت تولید شده توسط مدلهای امروزی قرار دارد. داده های جهان ، به ما اجازه می دهد تا اثر انگشت افزایش گرمایش گلخانه را شناسایی کنیم. هسلمان با تمرکز بر تنوع طبیعی سیستم آب و هوایی وارد این حوزه شد. کشف محدودیت های این تغییرات طبیعی به طور مستقیم منجر به توانایی تشخیص زمانی می شود که سیستم از این محدوده فراتر رفته است و بنابراین ، باید تحت تأثیرات بیشتری قرار گیرد.

    در فاصله بین 1979 و 1997 ، هسلمان یکی از نویسندگان سه مقاله که برای ایجاد چارچوبی برای مقایسه مدل ها با داده های دنیای واقعی بسیار مهم بودند. اینها شامل ایده های تأثیرگذار در مورد نحوه تشخیص بهتر سیگنالهای گرمایش گلخانه ای می شود ، زیرا می دانید که گاهی اوقات بهتر است قسمتهایی از آب و هوا را که در آن سر و صدای تغییرات طبیعی کم است بجای جایی که سیگنال گرمایش گلخانه قوی ترین است ، اندازه گیری کنید. دانشمندان دیگر کار او را "اولین تلاش جدی برای ارائه یک چارچوب آماری مناسب برای شناسایی سیگنال گرم شدن ناشی از انسان" نامیده اند. مدل سازی آب و هوا یک فعالیت چند رشته ای است که توسط بسیاری از تیم های بزرگ در سراسر جهان دنبال می شود و یکی از فعالیت های مدلسازان قبلی است ، بنابراین انتخاب تعداد محدودی از افراد به افتخار همیشه در حال انجام بود. در حالی که کمیته نوبل تلاش معقولی برای احترام گذاشتن به نقاط عطف در طول تکامل مدل های آب و هوایی در سیستم هایی که امروزه از آنها استفاده می کنیم ، انجام داد ، تعجب آور نیست که برخی از دانشمندان آب و هوا در مورد این جایزه کمی ناراحت هستند.





خبرهای دیگر از علوم پایه