Nobelpriset i fysik för 2021 har gemensamt tilldelats Italiens Giorgio Parisi, Japans Syukuro Manabe och Tysklands Klaus Hasselmann för deras "banbrytande bidrag till vår förståelse av komplexa system".

När jag hörde nyheten, Jag kunde knappt tro det. Jag studerade till min magisteruppsats och min doktorsexamen. i teoretisk fysik under professor Parisi vid Sapienza-universitetet i Rom.

När jag säger att jag var i misstro, missförstå mig inte. Av alla människor jag någonsin har träffat i min forskningserfarenhet – kanske i mitt liv – är han utan tvekan den mest geniala. Så jag blev inte förvånad över Nobelpriskommitténs beslut att utse honom till pristagare. Snarare, det var deras beslut att erkänna hans "bidrag till vår förståelse av komplexa system" som väckte mitt intresse.

Detta pris till professor Parisi, delade med spännande meteorologer professor Manabe och professor Hasselmann, är ett fantastiskt erkännande av ett helt forskningsområde - kanske lite mindre glamoröst än allmän relativitetsteori eller strängteori - som försöker förstå och modellera vad vi i fysiken kallar "komplexa system".

Dessa inkluderar saker som klimatekosystem, finansiella system, och biologiska fenomen, för att nämna några. Den stora variationen av komplexa system – representerade på fluktuerande marknader och flockande starar – gör det mycket svårt att härleda någon form av universella regler för dem. Parisis arbete har gjort det möjligt för oss att dra aldrig tidigare skådade slutsatser om sådana system som, på ytan, se slumpmässigt ut, oförutsägbar och omöjlig att modellera teoretiskt.

Till skillnad från vissa andra fysikmodeller, komplexa system är inte en samling av identiska partiklar, regelbundet interagerar på ett sätt som är konsekvent och förutsägbart. Istället, komplexa system är system av element, potentiellt olika varandra, interagerar på olika och till synes oförutsägbara sätt samtidigt som de utsätts för varierande yttre förhållanden.

En språngbräda för att modellera komplexa system är teorin om "ordnade system". Dessa är i huvudsak system där olika par av element upplever olika, potentiellt motstridiga krafter som kan leda till att elementen blir "frustrerade".

Ett sätt att illustrera detta är att föreställa sig ett parti (ett slutet socialt system), där Alice kanske vill chatta med Bob, och Bob kanske vill chatta med Charlie, men Charlie kanske inte vill chatta med Alice. Det finns frustration här – så vad ska de göra?

Professor Parisis forskning klargjorde vad som händer när frustration uppstår i oordnade och komplexa system. Han identifierade att komplexa system kan komma ihåg sina banor över tid, och kan fastna i suboptimala tillstånd under lång tid.

I vårt partiexempel, föreställ dig Alice, Guppa, Charlie, och andra gäster som oregelbundet byter konversationsgrupper och partners, hoppas att hitta den bästa gruppen människor att chatta med – men kanske aldrig hitta den. Det är det suboptimala tillståndet som komplexa system kan fastna i.

Mönster från oordning

Ett av de många teoretiska verktyg som professor Parisi har använt för att etablera sin teori är det så kallade "repliktricket" - en matematisk metod som tar ett oordnat system, replikerar det flera gånger, och jämför hur olika repliker av systemet beter sig. Du kan göra det här, till exempel, genom att komprimera kulor i en låda, som kommer att bilda en annan konfiguration varje gång du gör komprimeringen. Över många upprepningar, Parisi visste, berättande mönster kan dyka upp.

Denna metod är nu en av få teoretiska pelare för utvecklingen av hela teorin om komplexa system som vi känner det idag. Professor Parisis teori har visat sig ge tillförlitliga förutsägelser om de statistiska egenskaperna hos komplexa system, allt från underkylda vätskor (vätskor under deras stelningstemperatur), frysta vätskor, amorfa fasta ämnen som glas, och även flockar av starar.

Teorin om oordnade system låter oss förstå den vackra uppkomsten av sammanhängande flygmönster inom täta flockar av fåglar – som lyckas hålla ihop och bilda stora grupperingar trots ogynnsamma förhållanden.

Samma ram har använts för att förstå jordens klimat. Meteorologerna som delar Nobelpriset med professor Parisi kommer att ha förlitat sig på genombrott inom teoretisk fysik för att ta fram de modeller som vi nu använder för att tillförlitligt visa den globala uppvärmningen.

Jag hade chansen att diskutera dessa ämnen med professor Parisi i Rom, medan hans experiment med fågelflockar pågick och under hans datorsimuleringar av glasets beteende. Vet lite om hans sinne, Jag är inte alls förvånad över att han har tilldelats Nobelpriset i fysik.

Men jag är positivt överraskad över att området komplexa system, som i det tysta tränger sig på gränsen för teoretisk forskning inom fysik, har fått denna exponering. Detta Nobelpris har gett ny legitimitet – och, vi kan hoppas, nya sinnen – till detta fascinerande område av samtida fysik.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.