Các nhà mô hình hóa khí hậu và lý thuyết về các hệ phức hợp giành giải Nobel vật lý

Ba nhà nghiên cứu thắng giải Nobel Vật lý 2021 cho công trình miêu tả các hệ vật lý phức tạp – bao gồm nghiên cứu mang tính nền tảng tạo ra một mô hình toán học tiên phong về khí hậu trái đất và dự đoán sự gia tăng của các mức carbon dioxide trong bầu khí quyển trái đất có thể làm tăng nhiệt độ toàn cầu.

Syukuro Manabe và Klaus Hasselmann cùng chia nhau một nửa trong số tiền thưởng trị giá 10 triệu kronor Thụy Điển (tương đương 1,15 triệu USD) cho việc nghiên cứu và phát triển mô hình này. Nhà vật lý lý thuyết Giorgio Parisi tại Sapienza trường đại học Rome nhận phần còn lại của giải thưởng cho những đóng góp của ông về lý thuyết của các hệ phức hợp. Công trình của ông đã ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực khác nhau, từ khoa học thần kinh đến cách các vật liệu dạng hạt được đóng gói, Ủy ban giải thưởng Nobel cho biết trong buổi họp báo về giải thưởng vào ngày 5/10/2021.

“Đây là hai giải thưởng khác nhau nhưng có một chủ đề chung là liên quan đến sự trật tự và những thăng giáng, có thể đem lại kết quả giúp chúng ta có thể hiểu được và dự đoán được [những điều có thể diễn ra], Thors Hans Hansson, chủ tịch Ủy ban Nobel vật lý nói. “Chúng ta có thể dự đoán điều gì diễn ra với khí hậu trong tương lai nếu chúng ta biết cách mã hóa sự hỗn độn của thời tiết”.

Các mô hình khí hậu

Manabe, hiện tại làm việc ở trường đại học Princeton ở New Jersey, đã chứng minh vào những năm 1960 cách các mức gia tăng của carbon dioxide trong bầu khí quyển thế giới có thể dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ trên bề mặt, và phát triển các mô hình toán học ban đầu của khí hậu hành tinh. Khoảng một thập kỷ sau đó, Hasselmann, làm việc tại Viện nghiên cứu Khí tượng Max Planck ở Hamburg, Đức, tạo ra một mô hình liên kết thời tiết và khí hậu.

“Manabe chứng tỏ với chúng ta sự gia tăng CO2 có thể dẫn đến sự ấm lên toàn cầu như thế nào và vì sao. Hasselmann chứng tỏ rằng điều đó đang diễn ra,” nhà khoa học khí hậu Bjorn Stevens, cũng làm việc tại Viện nghiên cứu Khí tượng Max Planck, giải thích. Ông cho biết thêm là viện nghiên cứu này đang “vô cùng xúc động” vì cả hai nhà khoa học này được trao “giải Nobel đầu tiên cho khoa học đặt nền móng cho hiểu biết của chúng ta về biến đổi khí hậu”.

Jürgen Kurths tại Viện nghiên cứu Tác động của khí hậu ở Potsdam cho biết “đóng góp thiên tài” của Hasselman là sự khởi đầu về “mô hình khái niệm” cho khí hậu trái đất đầu tiên trong những năm 1970 – một tập hợp đơn giản những phương trình nắm bắt hiện tượng toàn cầu chỉ với một vài biến. Cách tiếp cận này đã đem lại những cái nhìn sâu sắc hơn vào những mô hình hoàn lưu toàn cầu, vốn đòi hỏi những tính toán chi tiết về mặt địa lý. “Thông thường anh cần một máy tính để mô phỏng các mô hình khái niệm, nó nhanh hơn và dễ thực hiện hơn nhiều”, Kurths nói.

Bất chấp tuổi tác – Hasselman đã ở tuổi 89 - ông vẫn tiếp tục theo đuổi lĩnh vực này và khuyến khích các nhà nghiên cứu cố gắng thử nghiệm các cách tiếp cận phi truyền thống, Kurths nói thêm.

Gabriele Hegerl, một nhà mô hình hóa khí hậu tại trường đại học Edinburgh, Anh và từng làm việc với Hasselman khi làm postdoc, cho biết ông là một cố vấn “thú vị” và người giám sát “tràn đầy ý tưởng và nhiệt huyết”.

“Tôi cảm thấy thực sự vui khi Suki và Klaus đều được xướng tên vì họ đều có đóng góp lớn lao theo nhiều cách khác nhau và cả hai đều là những người khổng lồ của khoa học khí hậu,” chị cho biết thêm. “Tôi vẫn thường dùng những hình mẫu cũ về sự hấp thụ và vật lý khí quyển từ những công trình thời kỳ đầu của Suki trong lớp học của mình, công trình của ông ấy là điều cơ bản để hiểu về khí hậu và biến đổi khí hậu.”

Manabe ngạc nhiên khi ông nghe thấy là mình đoạt giải Nobel, John Wettlaufer, một nhà khoa học trái đất và hành tinh tại trường đại học Yale ở New Haven, Connecticut và là thành viên của ủy ban Nobel vật lý, kể. “Ông ấy nói ‘nhưng tôi chỉ là một nhà khí hậu học thôi mà’”.

Trật tự bị giấu kín

Parisi bắt đầu sự nghiệp trong lĩnh vực vật lý hạt nhưng nghiên cứu của ông đã chạm đến nhiều chuyên ngành khác. Vào cuối những năm 1970, ông chuyển mối quan tâm của mình sang lý thuyế các hệ phức hợp, nơi ông khám phá ra một dạng trật tự ẩn và phản trực giác trong các tương tác của nhiều vật thể. Trong các hệ đơn giản hơn – ví dụ như các vật liệu từ - các nguyên tử có xu hướng dóng hàng song song với hàng xóm của mình, nhưng hệ phức hợp thì khó dự đoán. Tuy nhiên Parisi đã khám phá ra là chúng thu hút một dạng đối xứng, vốn chỉ được chú ý khi so sánh các nguyên tử sắp hàng theo những cấp độ khác nhau, nhà vật lý Federico Ricci-Tersenghi tại Sapienza, giải thích.

“Ông ấy đã mở ra một con đường để thấy và giải thích hiện tượng cho đến khi chúng biến mất,” Ricci-Tersenghi, một cựu sinh viên của Parisi và có thời gian nghiên cứu lâu dài cùng ông, nhận xét. Lý thuyết mà ông tìm ra hữu dụng ngay cả với các hệ mà ngay từ lúc xuất hiện đầu tiên hoàn toàn ngẫu nhiên, như cấu trúc của một thủy tinh, anh cho biết thêm.

Nghiên cứu của Parisi tìm hiểu vào sự hỗn độn bên dưới và các thăng giáng, dự đoán hành vi đột sinh, Wettlaufer nó. Mối liên hệ giữa công trình của ông, Manabe và Hasselmann là những thăng giáng là yếu tố chính cho dự đoán, anh nói. “Chúng ta đang ghi nhận là hiện tượng đột sinh thi thoảng lại đòi hỏi anh nhìn vào từng cơ chế vật lý phức tạp và kết chúng lại cùng nhau để có thể tạo ra một dự đoán”.

Kurths nói anh cảm thấy vui sướng khi Parisi nhận được ghi nhận của Ủy ban Nobel – và với anh nghiên cứu về hệ phức hợp là điều tối quan trọng để hiểu về khí hậu.

Parisi cũng thúc đẩy một “miền khí hậu vui vẻ” trong nhóm nghiên cứu của mình, Ricci-Tersenghi nói, và luôn luôn khuyến khích học trò theo đuổi sự tò mò và mối quan tâm trí tuệ của mình.

Khi nhận được tin mình đoạt giải, Parisi đã nói với các nhà báo “Tôi vô cùng hạnh phúc và tôi không thực sự chờ đợi nó”, “Nhưng tôi cũng biết là mình cũng có một vài cơ hội – vì vậy tôi giữ điện thoại cạnh mình.”

Giải thưởng đến trước thời điểm một hội nghị quan trọng về khí hậu – Hội nghị Biến đổi khí hậu Liên hợp quốc lần thứ 26 ở Glasgow, Anh vào tháng 11 tới. “Tình thế khẩn cấp khiến chúng ta cần phải đưa ra một quyết định và hành động ngay,” Parisi nói. “Với thế hệ tương lai, chúng ta phải hành động ngay từ bây giờ”.

Khi được hỏi liệu có phải Ủy ban Nobel đã gửi một thông điệp tới các nhà lãnh đạo quốc tế bằng giải thưởng này không, Göran Hansson, tổng thư ký của Viện Hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển, nói: “Những gì chúng tôi đang nói là khí hậu mô hình hóa là đặt trên cơ sở lý thuyết vật lý và vật lý chất đậm đặc. Sự ấm lên toàn cầu thuộc về khoa học chất đậm đặc. Đó là một thông điệp”.

Theo Tạp chí Tia sáng