أخبار:ثلاثة يفوزون بنوبل في الفيزياء لفهم التغير المناخي
- نوبل في الفيزياء 2021: إسهامات في في فهم التغير المناخي.
في 5 أكتوبر 2021، أعلنت الأكاديمية الملكية السويدية للعلوم عن فوز كل من الياباني الأمريكي سيوكورو مانابي والألماني كلاوس هاسلمان والإيطالي جورجو پاريزي بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 2021 وذلك عن إسهاماتهم في الأنظمة الفيزيائية المعقدة مثل مناخ الأرض المتغير.
في قرار أشادت به وكالة الأرصاد الجوية التابعة للأمم المتحدة باعتباره علامة على وجود إجماع حول ظاهرة الاحتباس الحراري المتسبب فيها الإنسان، وهكذا تقسم نثف الجائزة التي تقدر 10 ملايين كرونة سويدية (1.15 مليون دولار) بالتساوي بين مانابي، 90 عامًا، وهاسلمان، 89 عامًا، وجورجي، 73 عاما، لنمذجة مناخ الأرض والتنبؤ بشكل موثوق بالاحترار العالمي.
نبذة عن دور العلماء الثلاثة في جائزة نوبل الفيزياء
كان لكل من الفائزن الثلاثة بجائزة نوبل نصيبه من الإكتشافات فقد وضع سيوكورو مانابي وكلاوس هاسلمان الأساس لمعرفتنا بمناخ الأرض وكيف تؤثر البشرية عليه. ومُنح جورجيو باريزي الجائزة لمساهماته الثورية في نظرية المواد المضطربة والعمليات العشوائية. تتميز الأنظمة المعقدة بالعشوائية والفوضى ويصعوبة فهمها. لذا تمنح جائزة هذا العام أساليب جديدة لوصف الفوضى والتنبؤ بسلوكها على المدى الطويل.
أحد الأنظمة المعقدة ذات الأهمية الحيوية للبشرية هو مناخ الأرض. أظهر سيوكورو مانابي كيف أن زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي تؤدي إلى زيادة درجات الحرارة على سطح الأرض. في الستينيات، قاد عملية تطوير النماذج الفيزيائية لمناخ الأرض وكان أول من اكتشف التفاعل بين توازن الإشعاع والنقل الرأسي للكتل الهوائية. وضع عمله الأساس لتطوير النماذج المناخية الحالية.
بعد حوالي عشر سنوات، ابتكر كلاوس هسلمان نموذجًا يربط بين الطقس والمناخ. وبذلك أجاب على سؤال لماذا يمكن الاعتماد على النماذج المناخية على الرغم من تغير الطقس وفوضويته. كما طور طرقًا لتحديد إشارات محددة، كبصمات الأصابع التي تتركها الظواهر الطبيعية والأنشطة البشرية في المناخ. تم استخدام أساليبه لإثبات أن ارتفاع درجة الحرارة في الغلاف الجوي ناتج عن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية.
حوالي عام 1980، اكتشف جورجيو باريزي أنماطًا خفية في مواد معقدة غير مرتبة. تعتبر اكتشافاته من بين أهم المساهمات في نظرية الأنظمة المعقدة. فهي تجعل فهم ووصف العديد من المواد والظواهر المختلفة والتي تبدو عشوائية تمامًا أمرًا ممكنًا. ليس فقط في الفيزياء ولكن أيضًا في مجالات أخرى مختلفة تمامًا، مثل الرياضيات وعلم الأحياء وعلم الأعصاب والتعلم الآلي.
ويذهب النصف الآخر إلى باريزي لاكتشافه "القواعد الخفية" في أوائل الثمانينيات التي تتسبب في الحركات العشوائية والدوامات في الغازات أو السوائل، والتي يمكن أيضًا تطبيقها على جوانب علم الأعصاب والتعلم الآلي وتشكيلات طيران الزرزور.
وقالت الأكاديمية السويدية للعلوم في بيان: "سيوكورو ومانابي وكلاوس هسلمان قد أرسوا الأساس لمعرفتنا بمناخ الأرض وكيفية تأثير البشرية عليه". "جورجيو باريزي يكافأ لمساهماته الثورية في نظرية المواد المضطربة والعمليات العشوائية."
وقال هاسلمان، الذي يعمل بمعهد ماكس پلانك للأرصاد الجوية في هامبورگ، لرويترز من منزله إنه لا يريد أن يستيقظ مما وصفه بأنه حلم جميل.
وقال "أنا متقاعد، كما تعلمون، وأصبحت كسولًا بعض الشيء مؤخرًا. أنا سعيد بهذا التكريم. وستستمر الأبحاث".
وقالت الأكاديمية إن مانابي، الذي يعمل في جامعة پرينستون بالولايات المتحدة، وضع الأساس في الستينيات لفهم مناخ الأرض اليوم.
وقالت إن هاسلمان طور نماذج بعد حوالي 10 سنوات أصبحت مفيدة في إثبات أن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية تسبب ارتفاع درجات الحرارة في الغلاف الجوي.
وطُلب من باريسي إرسال رسالته إلى زعماء العالم المقرر أن يجتمعوا في محادثات الأمم المتحدة بشأن تغير المناخ في گلاسگو، اسكتلندا، في 31 أكتوبر.
وقال الحائز على الجائزة البالغ من العمر 73 عامًا والذي يعمل في جامعة سابينزا في روما: "أعتقد أنه من الملح للغاية أن نتخذ قرارات حقيقية وقوية للغاية ونتحرك بوتيرة قوية جدًا".[1]
تأثير البيت الزجاجي أساسي للحياة
درس الفيزيائي الفرنسي جوزيف فورييه، قبل مائتي عام، توازن الطاقة بين إشعاع الشمس تجاه الأرض والإشعاع من الأرض. وقد أدت دراسته لفهم دور الجو في هذا التوازن. إذ يتحول الإشعاع الشمسي الوارد على سطح الأرض إلى إشعاع صادر يمتصه الغلاف الجوي وبالتالي يتم تسخين الغلاف الجوي. وقد سمى الإشعاع الصادر ب «الحرارة الداكنة – Dark Heat ».
يُطلق على الدور الوقائي للغلاف الجوي الآن اسم «تأثير البيت الزجاجي – greenhouse effect». يأتي هذا الاسم من تشابهه مع الألواح الزجاجية لبيت زجاجي، والتي تسمح بأشعة الشمس الحرارية بالمرور من خلالها، لكنها تحبس الحرارة في الداخل. ومع ذلك، فيجب التأكيد على أن العمليات الإشعاعية في الغلاف الجوي أكثر تعقيدًا بكثير.
استمر السعي بعد فورييه – لاستكشاف التوازن بين الإشعاع الشمسي ذي الموجة القصيرة القادم نحو كوكبنا والأشعة تحت الحمراء الصادرة من الأرض على المدى الطويل على يد العديد من علماء المناخ على مدى القرنين التاليين. وتعد النماذج المناخية المعاصرة هي أدوات قوية بشكل لا يصدق، ليس فقط لفهم المناخ، ولكن أيضًا لفهم الاحتباس الحراري الذي يتحمل البشر مسؤوليته.
تستند النماذج المناخية إلى قوانين الفيزياء، وقد تم تطويرها من نماذج تم استخدامها بالأساس للتنبؤ بالطقس. حيث يتم وصف الطقس في تلك النماذج بالأرقام المستخدمة في الأرصاد الجوية مثل درجة الحرارة أو هطول الأمطار أو الرياح أو السحب، كما يتم إضافة أي تأثير آخر يحدث في المحيطات أو على اليابسة. وتعتمد النماذج المناخية على الخصائص الإحصائية المحسوبة للطقس، مثل القيم المتوسطة، والانحرافات المعيارية، والقيم العظمى والصغرى المقاسة، وما إلى ذلك. وقد لا تستطيع النماذج المناخية إخبارنا بما سيكون عليه الطقس في ستوكهولم في 10 ديسمبر من العام المقبل. ولكن يمكننا الحصول على فكرة عن درجة الحرارة أو مقدار هطول الأمطار الذي يمكن أن نتوقعه في المتوسط في ستوكهولم في ديسمبر.
فهم دور ثاني أكسيد الكربون
تأثير الدفيئة ضروري لحيات الكائنات الحية عل الأرض لأنه يتحكم في درجة الحرارة. حيث تقوم الغازات الدفيئة في الغلاف الجوي، مثل: – ثاني أكسيد الكربون والميثان وبخار الماء وغازات أخرى – بامتصاص الأشعة تحت الحمراء وبعدها تقوم بعد ذلك باطلاق هذه الطاقة الممتصة مؤدية إلى تسخين الهواء المحيط للأرض والأرض من تحته.
تشكل الغازات الدفيئة في الواقع نسبة صغيرة جدًا من الغلاف الجوي الجاف للأرض، والذي يتكون إلى حد كبير من النيتروجين والأكسجين بنسبة 99% من الحجم. ويشكل ثاني أكسيد الكربون 0.04 % فقط من الحجم. لكن بخار يعد الماء أقوى الغازات الدفيئة، فإننا لا يمكننا التحكم في تركيز بخار الماء في الغلاف الجوي، بينما يمكننا التحكم في تركيز ثاني أكسيد الكربون.
تعتمد كمية بخار الماء في الغلاف الجوي بشكل كبير على درجة الحرارة، لذا فالأمر عبارة عن حلقة دائرية، حيث يعتمد كل من الإثنين على الأخر في دورة لانهائية. في حين أن زيادة ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي يجعله أكثر دفئًا، مما يؤدي إل زايدة باحتجاز بخار الماء في الهواء. ونتيجة لذلك يزداد تأثير الاحتباس الحراري ويجعل درجات الحرارة ترتفع أكثر. أما انخفاض مستوى ثاني أكسيد الكربون يؤدي إلى تكثف بعض بخار الماء وانخفاض درجة الحرارة.
جاء الجزء الأول المهم من حل اللغز حول تأثير ثاني أكسيد الكربون من الباحث السويدي والحائز على جائزة نوبل «ساڤنتي أرهينيوس – Svante Arrhenius». وبالمناسبة، هو زميل، عالم الأرصاد الجوية «نيلس إيكهولم – Nils Ekholm »، هو أول من استخدم كلمة تأثير البيت الزجاجي أو الدفئية عام 1901 في وصف تخزين الغلاف الجوي للحرار وإعادة إطلاق الإشعاع.
فهم أرهينيوس الفيزياء المسؤولة عن تأثير الاحتباس الحراري مع نهاية القرن التاسع عشر – وقد استنتج أن الإشعاع الصادر يتناسب طرديًا مع درجة حرارة الجسم المشع المطلقة (T) إلى أس أربعة (T⁴). وكلما كان مصدر الإشعاع أكثر سخونة، كان الطول الموجي للأشعة أقصر. وإذ تبلغ درجة حرارة سطح الشمس 6000 درجة مئوية وتطلق أشعة في الطيف المرئي بشكل أساسي ومن ثم تقوم الأرض، مع درجة حرارة سطح 15 درجة مئوية فقط، بإعادة إشعاع الأشعة تحت الحمراء غير المرئية لنا. فإنه إذا لم يمتص الغلاف الجوي هذا الإشعاع، فإن درجة حرارة السطح ستكون بالكاد -18 درجة مئوية.
كان أرهينيوس آنذاك يحاول بالفعل معرفة سبب ظاهرة العصور الجليدية المكتشفة حديثًا وقتها. وقد توصل إلى استنتاج أنه إذا انخفض مستوى ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى النصف، فسيحل عصر جليدي جديد على الأرض. والعكس صحيح – فإن مضاعفة كمية ثاني أكسيد الكربون من شأنها أن تتسبب في ارتفاع درجة الحرارة بمقدار 5-6 درجات مئوية، وهي نتيجة، من باب الصدفة إلى حد ما، قريبة بشكل مذهل من التقديرات الحالية.
نموذج رائد لتأثير ثاني أكسيد الكربون
في الخمسينيات من القرن الماضي، كان عالم فيزياء الغلاف الجوي الياباني سيوكورو مانابي ضمن الباحثين الشباب والنابغين في طوكيو الذين غادروا اليابان التي دمرتها الحرب، واستمروا في حياتهم المهنية في الولايات المتحدة. كان الهدف من بحث مانابي، مثل بحث أرهينيوس قبل حوالي سبعين عامًا، هو فهم كيف يمكن أن تؤدي المستويات المتزايدة من ثاني أكسيد الكربون إلى زيادة درجات الحرارة. ومع ذلك، بينما ركز أرهينيوس على توازن الإشعاع، فقد ركز مانابي في الستينيات العمل على تطوير نماذج فيزيائية لدمج النقل الرأسي للكتل الهوائية بسبب الحمل الحراري، بالإضافة للحرارة الكامنة لبخار الماء.
ولجعل هذه الحسابات قابلة للإدارة، اختار تقليل النموذج إلى بُعد واحد – عمود رأسي، يصل ارتفاعه إلى 40 كيلومترًا في الغلاف الجوي. ومع ذلك، فقد استغرق الأمر مئات من ساعات الحوسبة القيمة لاختبار النموذج من خلال تغيير مستويات الغازات في الغلاف الجوي. وقد كان للأكسجين والنيتروجين تأثيرات ضئيلة على درجة حرارة السطح، بينما كان لثاني أكسيد الكربون تأثير واضح. عندما تضاعف مستوى ثاني أكسيد الكربون، زادت درجة الحرارة العالمية بأكثر من درجتين مئويتين. كما هو موضح في الشكل رقم (1).
وقد أكد النموذج أن التسخين كان ناتج عن زيادة ثاني أكسيد الكربون، لأنه تنبأ بارتفاع درجات الحرارة بالقرب من الأرض بينما أصبح الغلاف الجوي العلوي أكثر برودة. وإذا كانت الاختلافات في الإشعاع الشمسي مسؤولة عن زيادة درجة الحرارة بدلاً من ذلك، فيجب أن يكون الغلاف الجوي بأكمله يسخن في نفس الوقت.
قبل ستين عامًا، كانت أجهزة الكمبيوتر أبطأ بمئات الآلاف من المرات مما هي عليه الآن، لذلك كان هذا النموذج بسيطًا نسبيًا، لكن مانابي حصل على الميزات الرئيسية بشكل صحيح. يقول مانابي: “يجب عليك دائمًا التبسيط. إذ لا يمكنك التنافس مع تعقيد الطبيعة – فهناك الكثير من الفيزياء المتضمنة في كل قطرة مطر لدرجة أنه لن يكون من الممكن أبدًا حساب كل شيء على الإطلاق". أدت الأفكار المستلهمة من النموذج أحادي البعد إلى نموذج مناخي ثلاثي الأبعاد، نشره مانابي في عام 1975؛ والذي يعد خطوة كبيرة أخرى على طريق فهم أسرار المناخ.
ابتكر هاسلمان نموذجًا مناخيًا عشوائيًا، وجاء إلهامه من نظرية ألبرت أينشتاين للحركة البراونية، والتي تعرف أيضًا باسم المشي العشوائي. باستخدام هذه النظرية، أوضح هاسلمان أن الغلاف الجوي سريع التغير يمكن أن يتسبب في الواقع في تغيرات بطيئة في المحيط.
الطقس فوضوي
بعد حوالي عشر سنوات من مانابي، نجح كلاوس هسلمان في الربط بين الطقس والمناخ من خلال إيجاد طريقة للوقوف أما التغيرات المناخية السريعة والفوضوية التي كانت مزعجة جدًا للحسابات. مما لا شك فيه أن كوكبنا يشهد تغيرات هائلة في طقسه لأن الإشعاع الشمسي موزع بشكل غير متساوٍ جغرافيًا وعلى مر الزمن. تعد الأرض مستديرة تقريبًا، ولذا فإن عدد قليل من أشعة الشمس يصل إلى خطوط العرض الأعلى من تلك الموجودة في الأسفل حول خط الاستواء. أضف إلى ذلك أن محور الأرض مائل، مما ينتج عنه اختلافات موسمية في الإشعاع الوارد. وتتسبب الاختلافات في الكثافة بين الهواء الأكثر دفئًا والهواء الأكثر برودة في حدوث عمليات نقل هائلة للحرارة بين خطوط العرض المختلفة، وبين المحيطات والأرض، وبين الكتل الهوائية الأعلى والأدنى، مما يتحكم بالطقس على كوكبنا.
كما نعلم جميعًا، فإن إجراء تنبؤات موثوقة حول الطقس لأكثر من العشرة أيام القادمة يمثل تحديًا. قبل مائتي عام، صرح العالم الفرنسي الشهير «پيير سيمون دي لابلاس – Pierre-Simon de Laplace»، أنه إذا عرفنا للتو موقع وسرعة جميع الجسيمات في الكون، فيجب أن يكون من الممكن حساب ما حدث وما مكن أن يحدقفي عالمنا. ومن حيث المبدأ، يجب أن يكون هذا صحيحًا؛ فقوانين الحركة التي وضعها نيوتن منذ ثلاثة قرون، والتي تصف أيضًا النقل الجوي في الغلاف الجوي، حتمية تمامًا – فهي لا تحكمها الصدفة.
ومع ذلك، لا شيء يمكن أن يكون أكثر خطأ عندما يتعلق الأمر بالطقس. فمن الناحية العملية، من المستحيل أن تصل إلىدرجة كافية من الدقة – لتحديد درجة حرارة الهواء أو الضغط أو الرطوبة أو ظروف الرياح لكل نقطة في الغلاف الجوي. وأيضًا نتيجة، للعلاقات غير الخطية؛ يمكن للانحرافات الصغيرة في القيم الأولية أن تجعل نظام الطقس يتطور بطرق مختلفة تمامًا. واستنادًا إلى مسألة ما إذا كانت فراشة ترفرف بجناحيها في البرازيل يمكن أن تسبب إعصارًا في تكساس، فقد سميت هذه الظاهرة ب "تأثير الفراشة". عمليًا، هذا يعني أنه من المستحيل إصدار تنبؤات جوية طويلة الأجل – فالطقس فوضوي جدًا؛ وقد تم هذا الاكتشاف في الستينيات من قبل عالم الأرصاد الجوية الأمريكي إدوارد لورنز، الذي وضع الأساس لنظرية الفوضى الحالية.
نتائج مستخرجة من البيانات الصاخبة
كيف يمكننا إنتاج نماذج مناخية موثوقة لعدة عقود أو مئات السنين في المستقبل، على الرغم من كون الطقس مثالًا كلاسيكيًا على النظام الفوضوي؟ حوالي عام 1980، أظهر كلاوس هسلمان كيف يمكن وصف ظواهر الطقس المتغيرة بشكل فوضوي بأنها ضوضاء متغيرة بسرعة، وبالتالي وضع التنبؤات المناخية طويلة الأجل على أساس علمي ثابت. علاوة على ذلك، فقد طور طرقًا لتحديد تأثير الإنسان على درجة الحرارة العالمية المرصودة.
كطالب دكتوراه شاب في الفيزياء في هامبورغ، ألمانيا، في الخمسينيات من القرن الماضي، عمل هاسلمان على ديناميكيات الموائع، ثم بدأ في تطوير الملاحظات والنماذج النظرية لأمواج وتيارات المحيطات. ومن ثم انتقل إلى كاليفورنيا واستمر في علم المحيطات، حيث التقى بزملاء مثل «تشارلز ديفيد كيلينج – Charles David Keeling»، الذي بدأ معه هاسلمان جوقة مادريجال. كيلينج هو أحد أعظم علماء المناخ، فقد بدأ في عام 1958، ما هو الآن أطول سلسلة من قياسات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي في مرصد «مونا لو – Mauna Loa» في هاواي. لم يعرف هاسلمان كثيرًا أنه في عمله اللاحق سيستخدم منحنى كيلنج بانتظام، والذي يُظهر التغيرات في مستويات ثاني أكسيد الكربون.
يمكن توضيح الحصول على نموذج مناخي من بيانات الطقس الصاخبة من خلال تمشية كلب يركض الكلب بعيدًا عن الصدارة، للخلف وللأمام، جنبًا إلى جنب وحول ساقيك. كيف يمكنك استخدام مسارات الكلب لمعرفة ما إذا كنت تمشي أم لا تزال واقفة؟ أو هل تمشي بسرعة أو ببطء؟ مسارات الكلب هي التغيرات في الطقس، والمشي الخاص بك هو المناخ المحسوب. هل من الممكن حتى استخلاص استنتاجات حول الاتجاهات طويلة الأجل في المناخ باستخدام بيانات الطقس الفوضوية والصاخبة؟
تتمثل إحدى الصعوبات الإضافية في أن التقلبات التي تؤثر على المناخ متغيرة للغاية بمرور الوقت – فقد تكون سريعة، مثل قوة الرياح أو درجة حرارة الهواء، أو بطيئة جدًا، مثل ذوبان الصفائح الجليدية واحترار المحيطات. على سبيل المثال، قد يستغرق التسخين المنتظم بدرجة واحدة فقط ألف عام للمحيطات، ولكن فقط بضعة أسابيع للغلاف الجوي. كانت الحيلة الحاسمة هي دمج التغيرات السريعة في الطقس في الحسابات كضوضاء، وإظهار كيف تؤثر هذه الضوضاء على المناخ.
ابتكر هاسلمان نموذجًا مناخيًا عشوائيًا ، وجاء إلهامه من نظرية ألبرت أينشتاين للحركة البراونية، والتي تسمى أيضًا المشي العشوائي. باستخدام هذه النظرية، أوضح هاسلمان.
تمييز التأثير البشري على المناخ
بمجرد الانتهاء من نموذج التغيرات المناخية، طور هاسلمان أساليب لتحديد تأثير الإنسان على النظام المناخي. وجد أن النماذج، إلى جانب الملاحظات والاعتبارات النظرية، تضم معلومات كافية عن خصائص الضوضاء والإشارات. على سبيل المثال، التغييرات في الإشعاع الشمسي أو الجسيمات البركانية أو مستويات غازات الدفيئة تترك إشارات فريدة وبصمات يمكن فصلها. يمكن أيضًا تطبيق هذه الطريقة لتحديد بصمات الأصابع على تأثير البشر على نظام المناخ. وهكذا مهد هاسلمان الطريق لمزيد من الدراسات المتعلقة بتغير المناخ، والتي أظهرت آثارًا لتأثير الإنسان على المناخ باستخدام عدد كبير من الملاحظات المستقلة. تحستا النماذج المناخية بشكل كبير حيث يتم رسم خرائط أكثر شمولاً للعمليات المتضمنة في التفاعلات المعقدة للمناخ، ليس أقلها من خلال قياسات الأقمار الصناعية ورصد الطقس. تظهر النماذج بشكل واضح تأثير الاحتباس الحراري المتسارع؛ منذ منتصف القرن التاسع عشر، ارتفعت مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي بنسبة 40%ة. لم يكن الغلاف الجوي للأرض يحتوي على هذا الكم من ثاني أكسيد الكربون لمئات الآلاف من السنين. وفقًا لذلك، تُظهر قياسات درجة الحرارة أن العالم قد ارتفعت درجة حرارته بمقدار درجة مئوية واحدة على مدار 150 سنة مضت.
ساهم كل من سيوكورو مانابي وكلاوس هاسلمان في تحقيق أكبر فائدة للبشرية، بروح ألفريد نوبل، من خلال توفير أساس مادي متين لمعرفتنا بمناخ الأرض. لم نعد قادرين على القول إننا لم نكن نعرف - النماذج المناخية لا شك فيها. هل ترتفع حرارة الأرض؟ نعم فعلا. هل سبب زيادة كميات غازات الاحتباس الحراري في الغلاف الجوي؟ نعم فعلا. هل يمكن تفسير ذلك فقط بالعوامل الطبيعية؟ لا. هل الانبعاثات البشرية هي سبب ارتفاع درجة الحرارة؟ نعم بالفعل.
أساليب النظم المضطربة
حوالي عام 1980، قدم جورجو پاريزي اكتشافاته حول كيفية تحكم الظواهر العشوائية بقواعد خفية. يعتبر عمله الآن من بين أهم المساهمات في نظرية الأنظمة المعقدة.
تعود جذور الدراسات الحديثة للأنظمة المعقدة إلى الميكانيكا الإحصائية التي طورها جيمس سي ماكسويل ولودفيج بولتزمان وجيه ويلارد جيبس في النصف الثاني من القرن التاسع عشر. كان على هذه الطريقة أن تأخذ الحركات العشوائية للجسيمات في الاعتبار، لذلك كانت الفكرة الأساسية هي حساب متوسط تأثير الجسيمات بدلاً من دراسة كل جسيم على حدة. على سبيل المثال، درجة الحرارة في الغاز هي مقياس لمتوسط قيمة طاقة جزيئات الغاز. تحقق الميكانيكا الإحصائية نجاحًا كبيرًا، لأنها تقدم تفسيرًا مجهريًا للخصائص المجهرية في الغازات والسوائل، مثل درجة الحرارة والضغط.
يمكن اعتبار الجزيئات الموجودة في الغاز على أنها كرات صغيرة، تطير بسرعة تزيد مع ارتفاع درجات الحرارة. وعندما تنخفض درجة الحرارة أو يزداد الضغط، تتكثف الكرات أولاً لتصبح سائلًا ثم تتحول إلى مادة صلبة. وغالبًا ما تكون هذه المادة الصلبة عبارة عن بلورة، حيث يتم تنظيم الكرات في نمط منتظم. ومع ذلك، إذا حدث هذا التغيير بسرعة، فقد تشكل الكرات نمطًا غير منتظم لا يتغير حتى لو تم تبريد السائل أو ضغطه معًا. وإذا تكررت التجربة، فستشكل الكرات نمطًا جديدًا، على الرغم من حدوث التغيير بالطريقة نفسها تمامًا. فما سبب اختلاف النتائج؟
تعتبر هذه الكرات المضغوطة نموذجًا بسيطًا للزجاج العادي والمواد الحبيبية، مثل الرمل أو الحصى. ومع ذلك، كان موضوع عمل باريزي الأصلي مختلفًا نوعًا فقد كان عن «الزجاج الغزل(زجاج سپين– spin glass». ويعد الزجاج الدوار هذا نوع خاص من السبائك المعدنية حيث يتم خلط ذرات الحديد بشكل عشوائي، على سبيل المثال، في شبكة من ذرات النحاس. على الرغم من وجود عدد قليل من ذرات الحديد، إلا أنها تغير الخصائص المغناطيسية للمادة بطريقة جذرية ومحيرة للغاية. إذ تتصرف كل ذرة حديد كمغناطيس صغير، ويطلق على الذرة الواحدة "غزل (سپين)"، وتتأثر بذرات الحديد الأخرى القريبة منها. في المغناطيس العادي، تدور جميع الدورات في نفس الاتجاه، ولكن في الدوران الزجاجي؛ تريد بعض أزواج الدورات أن تشير في نفس الاتجاه وأخرى تريد أن تشير في الاتجاه المعاكس وتسمى هذه الظاهرة ب « الإحباط – frustration ».
آثار الإحباط كثيرة ومتنوعة كل من الزجاج المغزلي والمواد الحبيبية والتي تعد أمثلة على الأنظمة المحبطة، حيث يجب على مختلف المكونات أن ترتب نفسها بطريقة تكون بمثابة حل وسط بين القوى المضادة. السؤال هو كيف يتصرفون وما هي النتائج. پاريزي هو خبير في الإجابة على هذه الأسئلة للعديد من المواد والظواهر المختلفة. كانت اكتشافاته الأساسية حول بنية النظارات الدوارة عميقة جدًا لدرجة أنها لم تؤثر على الفيزياء فحسب، بل أثرت أيضًا على الرياضيات وعلم الأحياء وعلم الأعصاب والتعلم الآلي، لأن كل هذه المجالات تتضمن مشكلات مرتبطة بشكل مباشر بالإحباط.
درس باريزي أيضًا العديد من الظواهر الأخرى التي تلعب فيها العمليات العشوائية دورًا حاسمًا في كيفية إنشاء الهياكل وكيفية تطورها، وتعاملت مع أسئلة مثل: لماذا تتكرر العصور الجليدية بشكل دوري؟ هل يوجد وصف رياضي أكثر عمومية للفوضى والأنظمة المضطربة؟ أو – كيف تنشأ الأنماط عند تزقزق آلاف الطيور؟ قد يبدو هذا السؤال بعيدًا عن الدوران الزجاجي. ومع ذلك، قال باريزي إن معظم أبحاثه قد تناولت كيف تؤدي السلوكيات البسيطة إلى سلوكيات جماعية معقدة، وهذا ينطبق على كل من الزجاج الدوار والطيور.
“تُظهر الاكتشافات التي تم الاعتراف بها هذا العام أن معرفتنا بالمناخ تستند إلى أساس علمي متين، قائم على تحليل دقيق للملاحظات. ولقد ساهم جميع الحائزين على جائزة هذا العام في اكتساب رؤية أعمق لخصائص وتطور الأنظمة الفيزيائية المعقدة” Thors Hans Hansson ، رئيس لجنة نوبل للفيزياء 2021.[2]
انظر أيضًا
المصادر
- ^ "Trio wins physics Nobel for work on understanding climate change". رويترز. 2021-10-05. Retrieved 2021-10-05.
- ^ "3 فائزين بنوبل الفيزياء 2021، من هم؟ وماذا قدموا للبشرية؟". الاكاديمية بوست. 2021-10-05. Retrieved 2021-10-05.