Allgemein, Nobelpreis, Physik

Wie funktionieren komplexe physikalische Systeme? {Physik Nobelpreis 2021}

…und was haben sie mit dem Klimawandel zu tun?

Genau darum geht es in der Arbeit von Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann und Giorgio Parisi, die dieses Jahr mit dem Nobelpreis in Physik ausgezeichnet werden!
Die eine Hälfte des Preises teilen sich dabei Manabe und Hasselmann für ihre Erdmodelle und die andere geht an Parisi und seine Entdeckungen zu Mustern in scheinbar vollkommen chaotischen Systemen. Schon bei der Ankündigung machte das Nobelkomitee klar, dass die konkreten Hälften schon sehr eigenständig seien, aber ihnen eben die Arbeit zu komplexen Systemen zugrunde liegt.

Mit einem komplexen System ist ein System – zum Beispiel ein physikalisches – gemeint, in dem viele verschiedene Teile miteinander interagieren. Sie haben oft sehr viele Variablen, die beachtet werden müssen, die teilweise chaotisch oder zufällig miteinander reagieren. Das Wetter ist solch ein chaotisches System, dort können winzige Unterschiede an einer Stelle einen großen Unterschied viel später bedeuten. Das Klima der Erde ist ebenfalls solch ein komplexes System, was für uns Menschen offensichtlich eine lebenswichtige Grundlage ist. Manabe erforschte dieses bereits in den 1960er Jahren. Er konnte zeigen, wie erhöhte Level von Kohlendioxid in der Atmosphäre zu einer erhöhten Temperatur auf der Erdoberfläche führt. Ausgehend davon führte er die Entwicklung eines Models des Erdenklimas an und war die erste Person, die die Interaktion zwischen Strahlungsbalance und vertikalem Transport von Luftmassen erforschte. Damit legte er die Grundlage für unsere heutigen Klimamodelle. Seine ersten Modelle waren extrem vereinfacht, schon allein, weil die Computer damals noch sehr viel rechenschwächer waren, als sie es heute sind. Trotzdem halten seine Berechnungen und Vorhersagen auch heute noch Stand, was für ein großartiges Modell spricht.

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Rund 10 Jahre nach Manabes Arbeit entwickelte Hasselmann auf Basis seiner Forschung zu komplexen Systemen ein Modell, was Klima und Wetter miteinander verband. Eine große Herausforderung war, das schnell ändernde Wetter zwar einzurechnen, aber gleichzeitig so zu interpretieren, dass es das Klimamodell nicht zu sehr verändert – aber natürlich so viel, wie nötig. Inspiration für seine stochastische Methode fand er bei der Brown’schen Bewegung von Einstein, er fügte seinem Modell so einen „Zufälligkeitsfaktor“ hinzu.
Vom Nobelkomitee wurde das sehr schön als ein Bild von einem Hundespaziergang beschrieben: Ihr geht mit einem Hund einen Weg entlang, der Hund läuft mal vor, mal zurück, um euch herum, das Ganze sieht sehr chaotisch aus, wenn man das aufmalen würde. Ihr dagegen lauft recht gerade den Weg entlang und der Hund tanzt sozusagen immer um euch herum. So ähnlich ist das mit dem Wetter (= Hund) und dem Klima (= Mensch).
Mit seiner Forschung konnte Hasselmann auch zeigen, warum Klimavorhersagen sehr viel genauer sind als Wettervorhersagen. Ausgehend davon konnte er Methoden finden, die spezifische Signale („fingerprints“) von natürlichen Phänomenen oder menschlichen Aktivitäten finden. Durch die Methoden, die Hasselmann entwickelte, war es möglich, zu beweisen, dass die erhöhten Temperaturen in der Atmosphäre auf die menschlichen Emissionen von Kohlendioxid zurückzuführen sind.

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Manabe und Hasselmann haben mit ihrer Forschung eine physikalische Grundlage für unser Wissen rund um das Klima der Erde gelegt. Das Nobelkomitee schreibt in der Pressemitteilung:

We can no longer say that we did not know – the climate models are unequivocal. Is Earth heating up? Yes. Is the cause the increased amounts of greenhouse gases in the atmosphere? Yes. Can this be explained solely by natural factors? No. Are humanity’s emissions the reason for the increasing temperature? Yes.

Um 1980 herum entdeckte Parisi dann versteckte Muster in scheinbar chaotischen komplexen Materialien. Damit gehören seine Entdeckungen zu den wichtigsten Beiträgen in der Theorie komplexer Systeme. Mit ihnen ist es möglich, scheinbar komplett zufällige Materialien und Phänomene – wie beispielsweise einen fliegenden Vogelschwarm oder Glas, was ein Festkörper zu sein scheint, eigentlich handelt es sich bei Glas aber um eine Flüssigkeit, die in Bewegung ist – zu beschreiben und zu verstehen. Seine Methoden werden dabei nicht nur in der Physik, sondern auch in der Mathematik, Biologie, den Neurowissenschaften oder Machine Learning angewendet.
Parisi selbst beschreibt seine Arbeit so, dass er sich oft ganz einfaches Verhalten anschaut, was zu komplexem Verhalten wird, wenn es gemeinsam ausgeführt wird. Mit dieser Methode und dieser Herangehensweise, kann er zahlreiche, ganz unterschiedliche Themen abdecken.

© Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Noch mal konkret: Wofür haben die drei Wissenschaftler den Nobelpreis bekommen?

Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann bekommen den Nobelpreis verliehen für ihre Forschung im Bereich der komplexen physikalischen System und den daraus resultierenden Entwicklungen von Klimamodellen. Manabe konnte zeigen, wie erhöhte Level von Kohlendioxid in der Atmosphäre zu einer erhöhten Temperatur auf der Erdoberfläche führt. Hasselmann konnte beweisen, dass die erhöhten Temperaturen in der Atmosphäre auf die menschlichen Emissionen von Kohlendioxid zurückzuführen sind.
Giorgio Parisi erhält den Preis für seine theoretischen Arbeiten im Bereich der komplexen Systeme, die uns helfen, zahlreiche dieser Systeme zu verstehen und zu beschreiben.

“The discoveries being recognised this year demonstrate that our knowledge about the climate rests on a solid scientific foundation, based on a rigorous analysis of observations. This year’s Laureates have all contributed to us gaining deeper insight into the properties and evolution of complex physical systems,” Thors Hans Hansson, chair of the Nobel Committee for Physics.

Warum ist die Arbeit so wichtig und ein Ausblick

Brauchen wir in diesem Falle tatsächlich einen Ausblick und eine Erklärung dazu, warum diese Arbeit rund um die Erkenntnisse zum Klimawandel so wichtig sind?

Ich möchte mal Klaus Hasselmann (leicht frei) zitieren:

Wer noch immer nicht verstanden hat, dass der Klimawandel real und zu einem großen Teil menschgemacht ist, der wird es wohl auch nicht mehr so schnell verstehen! Wir müssen jetzt handeln für etwas, was uns ansonsten in spätestens 20 bis 30 Jahren richtig böse auf die Füße fallen wird!

(Und wenn euch das viel vorkommen sollte, dann überlegt mal, was ihr im Jahre 2001 gemacht habt, das kommt einem gar nicht so weit weg vor, oder? Oder überlegt, wie alt eure Kinder dann sein werden.)
Aus ein paar Richtungen kam bei dieser Entscheidung des Komitees die Frage, ob die Vergabe an diese drei Wissenschaftler mit diesem Thema nicht auch politisch wäre. Sagen wir mal so: Das ist ein wichtiges, und ja, deswegen auch politisches Thema. Aber sollten die Forscher den Nobelpreis NICHT bekommen, WEIL ihre Arbeiten politische Aktionen hervorrufen sollten? Ich glaube, die Antwort darauf sollte ein klares NEIN sein!
Selbstverständlich bin ich strikt dagegen, dass der Nobelpreis politisch benutzt wird. Aber hervorragende Forschung – wie Manabe, Hasselmann und Parisi sie geleistet haben – sollte ausgezeichnet werden, unabhängig davon. Und zum Zweiten: Wenn es irgendein Thema geben sollte, bei dem man von der unpolitischen Vergabe eine Ausnahme machen könnte, dann ja wohl dieses!
Wie seht ihr das? Schreibt es mir gern in die Kommentare!
(Aber spart euch Kommentare à la „Die Chinesen müssen auch was machen, sonst bringt das eh nichts.“, die kann ich echt nicht mehr hören. ALLE müssen etwas machen, im Kleinen, im Großen und überall dazwischen. Sich den Ball immer nur hin und her zu schieben, bringt uns alle nicht weiter.)

Und die Frage aller Fragen: Wie haben Manabe, Hasselmann und Parisi die Neuigkeiten erfahren?

In diesem Falle musste nur Manabe mitten in der Nacht benachrichtigt werden. Für Hasselmann und Parisi war es schon mitten am Vormittag. Alle drei konnten vor der Pressekonferenz erreicht werden, wobei es bei Parisi sehr knapp war… Zuerst war er nicht auffindbar, dann rief er gerade noch rechtzeitig zurück und blieb quasi gleich in der Leitung für die Pressekonferenz.
Hasselmann saß gerade mit seiner Frau am Frühstückstisch bei einem Kaffee und las Zeitung, als ihn der Anruf von Göran Hansson erreichte.
Leider gibt es nur ein Bild von Manabe kurz nach dem berühmten Anruf, von den beiden anderen nicht.

Syukuro Manabe wurde 1931 in Shingu, Japan, geboren, erhielt seinen Ph.D. 1957 von der University of Tokyo und ging anschließend in die USA. Seit Mitte der 1960er Jahre arbeitet er als Senior Meteorologe an der Princeton University.
Klaus Hasselmann wurde ebenfalls 1931 in Hamburg, Deutschland, geboren – wuchs aber in England auf. Er promovierte 1957 in Göttingen und ist Professor am Max-Planck.Institut für Meteorologie in Hamburg.
Giorgio Parisi wurde 1948 in Rom, Italien, geboren. Er promovierte 1970 an der Sapienza Universität in Rom, wo er inzwischen Professor ist.

Die Nobelvorlesungen von Manabe, Hasselmann und Parisi werden am 8. Dezember ab 9 Uhr (CET) übertragen, beispielsweise HIER.

~~~~~~~~~~~~~~~~
Quellen & mehr Informationen:
Press release, Nobelfärsamlingen, nobelprize.org
Scientific Background, Nobelfärsamlingen, nobelprize.org
Interviews mit beiden Preisträgern kurz nach der Bekanntgabe findet man auf dem Nobelpreis – Youtube-Kanal

2 Gedanken zu „Wie funktionieren komplexe physikalische Systeme? {Physik Nobelpreis 2021}“

Ich freue mich auf deinen Kommentar!

Trage deine Daten unten ein oder klicke ein Icon um dich einzuloggen:

WordPress.com-Logo

Du kommentierst mit Deinem WordPress.com-Konto. Abmelden /  Ändern )

Twitter-Bild

Du kommentierst mit Deinem Twitter-Konto. Abmelden /  Ändern )

Facebook-Foto

Du kommentierst mit Deinem Facebook-Konto. Abmelden /  Ändern )

Verbinde mit %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.