Globale Erwärmung: Eine detaillierte Erklärung zum Physik-Nobelpreis 2021 für komplexe stochastische Systeme

Der offiziellen Website des Nobelpreises zufolge wurde der Nobelpreis für Physik 2021 am 5. Oktober um 17:49 Uhr Pekinger Zeit für „bahnbrechende Beiträge zum Verständnis komplexer Systeme“ verliehen. Die Hälfte des Preises ging an Syukuro Manabe und Klaus Hasselmann in Anerkennung ihrer „physikalischen Modellierung des Erdklimas, der Quantifizierung der Variabilität und der zuverlässigen Vorhersage der globalen Erwärmung“, die andere Hälfte an Giorgio Parisi in Anerkennung „der Entdeckung der gegenseitigen Beeinflussung von Unordnung und Fluktuationen in physikalischen Systemen vom atomaren bis zum planetarischen Maßstab“. „

Geschrieben von | Fanpu

Am 5. Oktober 2021 um 11:45 Uhr Ortszeit in Schweden (17:45 Uhr Pekinger Zeit am 5. Oktober) wurde der Nobelpreis für Physik bekannt gegeben. Die Hälfte des Preises ging an den japanisch-amerikanischen Meteorologen Syukuro Manabe und den deutschen Ozeanographen und Klimamodellierer Klaus Hasselmann in Anerkennung ihrer „physikalischen Modellierung des Erdklimas, der Quantifizierung der Variabilität und der zuverlässigen Vorhersage der globalen Erwärmung“. Die andere Hälfte wurde dem italienischen theoretischen Physiker Giorgio Parisi in Anerkennung seiner „Entdeckung des Zusammenspiels von Unordnung und Fluktuationen in physikalischen Systemen vom atomaren bis zum planetarischen Maßstab“ verliehen.

Unter ihnen ist Parisi, geboren 1948, Professor am Fachbereich Physik der Universität Rom I „La Sapienza“. Seine Forschungsgebiete konzentrieren sich hauptsächlich auf Quantenfeldtheorie, statistische Mechanik und komplexe Systeme. Bis heute hat Parisi zahlreiche Auszeichnungen gewonnen, darunter den Dirac-Preis 1999, den Fermi-Preis 2002, den Heineman-Preis für mathematische Physik 2005 und den Wolf-Preis 2021.

Bei der Pressekonferenz zur Verleihung des Nobelpreises fragte ein Reporter Parisi, ob er damit rechne, den Nobelpreis zu gewinnen. Parisi antwortete: „Die Möglichkeit ist nicht zu vernachlässigen“, was eine sehr „statistische Physik“-Antwort ist.

Wen Xiaogang, Professor am Massachusetts Institute of Technology und Chefredakteur von Fanpu, sagte, Parisis berühmtester Beitrag in der Physik sei die Replikationsmethode, die er zusammen mit Mezard und Virasoro entwickelt habe. Ein komplexes System befindet sich oft in einer zufälligen Umgebung. Wenn beispielsweise Wasser einen Berg hinunterfließt, handelt es sich bei dem Gelände um eine sehr komplexe und zufällige Umgebung. Die magnetischen Momente magnetischer Verunreinigungen in Halbleitern weisen eine zufällige Wechselwirkung auf, da die Abstände zwischen den Verunreinigungen zufällig sind. Manchmal sind diese magnetischen Momente aufgrund von Wechselwirkungen in einem geordneten Zustand angeordnet, manchmal bilden sie einen ungeordneten Zustand (auch Spinglaszustand genannt). Um diese physikalischen Phänomene zu verstehen, müssen wir wissen, wie wir mit zufälligen Wechselwirkungen umgehen. Die Replikationstechnik ist eine Standardtechnik zum Umgang mit zufälligen Interaktionen. Eine weitere Technik zum Umgang mit zufälligen Wechselwirkungen besteht in der Anwendung etwas eingeschränkter supersymmetrischer Techniken (wobei die Supersymmetrie hier und die Supersymmetrie in der Teilchenphysik, obwohl sie denselben Namen haben, nicht dasselbe sind).

Die Replikationstechnik kann auf jede zufällige Interaktion angewendet werden. Warum die reproduzierbare Technik ein korrektes Ergebnis liefern kann, ist bis heute ein Rätsel. Denn die Replikationstechnik ist eine sehr merkwürdige Methode. Es repliziert ein zufälliges System in N Kopien und berechnet dann den Durchschnitt der zufälligen Interaktionen. Das physikalische Ergebnis kann jedoch nur erreicht werden, wenn N sich dem Grenzwert von 0 nähert. Auf den ersten Blick scheint dies ein fast unmöglicher Trick zu sein. Interessant ist jedoch, dass die erzielten Ergebnisse korrekt sind, wenn die komplexe Technik auf einige streng lösbare Modelle angewendet wird. Diese Technik ist heute allgemein anerkannt und wird auf eine große Vielfalt komplexer stochastischer Systeme angewendet. Sie ist zu einem Eckpfeiler dieses Fachgebiets geworden.

Nachfolgend die offizielle Einführung des Nobelpreiskomitees:

Alle komplexen Systeme bestehen aus vielen verschiedenen Teilen, die miteinander interagieren. Physiker untersuchen sie seit Jahrhunderten und sie sind mathematisch schwer zu beschreiben – sie können aus einer großen Zahl von Komponenten bestehen oder vom Zufall bestimmt werden. Es kann sich auch um chaotische Systeme handeln, wie etwa das Wetter, bei dem kleine Abweichungen der Anfangswerte später zu großen Unterschieden führen können. Alle diesjährigen Preisträger haben zu unserem vertieften Verständnis solcher Systeme und ihrer langfristigen Entwicklung beigetragen.

Das Klima der Erde ist eines von vielen Beispielen für ein komplexes System. Manabe und Hasselmann wurden für ihre Pionierarbeit bei der Entwicklung von Klimamodellen mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Parisi wurde für seine theoretischen Lösungen zu einem breiten Spektrum von Problemen der Theorie komplexer Systeme ausgezeichnet.

Manabe zeigte, wie steigende Kohlendioxidkonzentrationen in der Atmosphäre zu steigenden Temperaturen auf der Erdoberfläche führen. In den 1960er Jahren leitete er die Entwicklung physikalischer Modelle des Erdklimas und erforschte als Erster das Zusammenspiel zwischen der Strahlungsbilanz und dem vertikalen Transport von Luftmassen. Seine Arbeiten legten den Grundstein für die Entwicklung von Klimamodellen.

Etwa ein Jahrzehnt später entwickelte Klaus Hasselmann ein Modell, das Wetter und Klima miteinander verknüpfte und damit die Frage beantwortete, warum Klimamodelle trotz der Variabilität und des Chaos des Wetters zuverlässig sein können. Darüber hinaus entwickelte er Methoden zur Identifizierung der spezifischen Signale oder Fingerabdrücke, die Naturphänomene und menschliche Aktivitäten auf das Klima hinterlassen. Mit seinen Methoden konnte nachgewiesen werden, dass der Anstieg der Lufttemperatur auf die vom Menschen verursachten Kohlendioxid-Emissionen zurückzuführen ist.

Um 1980 entdeckte Giorgio Parisi verborgene Gesetze in ungeordneten, komplexen Materialien. Seine Entdeckung ist einer der wichtigsten Beiträge zur Theorie komplexer Systeme. Sie ermöglichen das Verständnis und die Beschreibung vieler verschiedener, scheinbar völlig zufälliger, komplexer Materialien und Phänomene, nicht nur in der Physik, sondern auch in ganz anderen Bereichen wie der Mathematik, Biologie, Neurowissenschaft und dem maschinellen Lernen.

Der Treibhauseffekt ist lebensnotwendig

Vor zweihundert Jahren untersuchte der französische Physiker Joseph Fourier die Energiebilanz zwischen der Absorption von Sonnenstrahlung durch die Erde und deren Emission. Er verstand die Rolle der Atmosphäre in diesem Gleichgewicht; An der Erdoberfläche wird die einfallende Sonnenstrahlung in nach außen gerichtete Strahlung – „Dunkle Wärme“ – umgewandelt, die von der Atmosphäre absorbiert wird und diese dadurch erwärmt. Die Schutzwirkung der Atmosphäre wird heute als Treibhauseffekt bezeichnet. Der Name kommt von der Ähnlichkeit mit dem Glas eines Gewächshauses, das die wärmenden Sonnenstrahlen durchlässt, die Wärme jedoch im Inneren einschließt. Allerdings sind Strahlungsprozesse in der Atmosphäre viel komplizierter.

Die Mission ist die gleiche wie die von Fourier: Sie soll das Gleichgewicht zwischen der kurzwelligen Strahlung der Sonne, die auf die Erde trifft, und der langwelligen Infrarotstrahlung, die von der Erde ausgesandt wird, untersuchen. Im Laufe der nächsten zwei Jahrhunderte haben viele Klimaforscher die Einzelheiten ergänzt. Moderne Klimamodelle sind äußerst leistungsfähige Instrumente zum Verständnis nicht nur des Klimas, sondern auch der vom Menschen verursachten globalen Erwärmung.

Diese Modelle basieren auf den Gesetzen der Physik und sind aus Modellen zur Wettervorhersage entwickelt worden. Das Wetter wird durch meteorologische Größen wie Temperatur, Niederschlag, Wind oder Wolken beschrieben und wird von den Ereignissen über dem Meer und dem Land beeinflusst. Klimamodelle basieren auf berechneten statistischen Eigenschaften des Wetters, wie Mittelwert, Standardabweichung, Maximal- und Minimalwerte usw. Sie können uns nicht sagen, wie das Wetter am 10. Dezember nächsten Jahres in Stockholm sein wird, aber wir können herausfinden, wie hoch die Durchschnittstemperatur und die Niederschlagsmenge im Dezember in Stockholm sind.

Die Rolle von Kohlendioxid

Der Treibhauseffekt ist für das Leben auf der Erde von wesentlicher Bedeutung. Es reguliert die Temperatur, weil Treibhausgase in der Atmosphäre – Kohlendioxid, Methan, Wasserdampf und andere – zunächst die Infrarotstrahlung der Erde absorbieren und dann die absorbierte Energie freisetzen, wodurch die umgebende Luft und der Boden darunter erwärmt werden.

Tatsächlich machen Treibhausgase nur einen kleinen Teil der trockenen Atmosphäre der Erde aus, die hauptsächlich aus Stickstoff und Sauerstoff besteht – sie machen 99 % des Volumens aus. Kohlendioxid macht lediglich 0,04 % des Volumens aus. Das stärkste Treibhausgas ist Wasserdampf, doch können wir die Konzentration von Wasserdampf in der Atmosphäre nicht kontrollieren, während wir die Konzentration von Kohlendioxid kontrollieren können.

Die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre hängt stark von der Temperatur ab, was zu einem Rückkopplungsmechanismus führt. Je mehr Kohlendioxid in der Atmosphäre ist, desto höher ist die Temperatur und desto mehr Wasserdampf befindet sich in der Luft, was den Treibhauseffekt verstärkt und die Temperatur weiter ansteigen lässt. Sinkt die Kohlendioxidkonzentration, kondensiert ein Teil des Wasserdampfs und die Temperatur sinkt.

Das erste wichtige Puzzleteil zur Wirkung von Kohlendioxid stammte vom schwedischen Forscher und Nobelpreisträger Svante Arrhenius. Sein Kollege, der Meteorologe Nils Ekholm, war übrigens der erste, der 1901 den Begriff „Treibhaus“ verwendete, um die Speicherung und Wiederabstrahlung von Wärme in der Atmosphäre zu beschreiben.

Arrhenius verstand die Physik des Treibhauseffekts Ende des 19. Jahrhunderts – Strahlung ist proportional zur vierten Potenz (T4) der absoluten Temperatur (T) der Strahlungsquelle. Je heißer die Strahlungsquelle, desto kürzer ist die Wellenlänge der Strahlen. Die Oberflächentemperatur der Sonne beträgt 6000 °C und sie strahlt hauptsächlich im sichtbaren Lichtspektrum. Die Oberflächentemperatur der Erde beträgt nur 15 °C und sie strahlt Infrarotstrahlung aus, die wir nicht sehen können. Würde die Atmosphäre diese Infrarotstrahlung nicht absorbieren, läge die Oberflächentemperatur nur bei -18 °C.

Arrhenius versuchte eigentlich, die Ursache des kürzlich entdeckten Eiszeitphänomens herauszufinden. Er kam zu dem Schluss, dass eine Halbierung des Kohlendioxidgehalts in der Atmosphäre ausreichen würde, um die Erde in eine neue Eiszeit zu stürzen. Auch das Gegenteil ist der Fall: Eine Verdoppelung der CO2-Menge hätte einen Temperaturanstieg von 5–6 °C zur Folge, ein Ergebnis, das mit etwas Glück überraschend nahe an den aktuellen Schätzungen liegt.

Bahnbrechendes Modell der Kohlendioxid-Auswirkungen

In den 1950er Jahren verließ der japanische Atmosphärenphysiker Tokuro Manabe als einer der klugen jungen Wissenschaftler Tokios das vom Krieg zerrüttete Japan, um seine Karriere in den Vereinigten Staaten fortzusetzen. Das Ziel von Manabes Forschung besteht, wie auch bei Arrhenius etwa 70 Jahre zuvor, darin, zu verstehen, wie steigende Kohlendioxidwerte zu steigenden Temperaturen führen. Während sich Arrhenius auf die Strahlungsbilanz konzentrierte, leitete Manabe in den 1960er Jahren die Entwicklung physikalischer Modelle, die den vertikalen Transport von Luftmassen aufgrund von Konvektion und der latenten Wärme von Wasserdampf berücksichtigten.

Um diese Berechnungen zugänglich zu machen, reduzierte er das Modell auf eine Dimension – einen vertikalen Zylinder, der 40 Kilometer in die Atmosphäre hineinragt. Trotzdem wurden Hunderte wertvoller Rechenstunden darauf verwendet, das Modell durch Variation der Gaskonzentrationen in der Atmosphäre zu testen. Während Sauerstoff und Stickstoff einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Oberflächentemperaturen haben, ist der Einfluss von Kohlendioxid erheblich: Wenn sich der Kohlendioxidgehalt verdoppelt, steigt die globale Temperatur um mehr als 2 °C.

Atmosphärische Wärmebilanz für eine gegebene relative Luftfeuchtigkeitsverteilung. Quelle: Journal of the Atmospheric Sciences, Bd. 24, Nr. 3, Mai.

Das Modell bestätigte, dass diese Erwärmung tatsächlich auf den Anstieg des Kohlendioxidgehalts zurückzuführen war, da es steigende Temperaturen in Bodennähe und eine Abkühlung in der oberen Atmosphäre vorhersagte. Wären Veränderungen der Sonneneinstrahlung für den Temperaturanstieg verantwortlich, müsste sich gleichzeitig die gesamte Atmosphäre erwärmen.

Vor sechzig Jahren waren Computer hunderttausendmal langsamer als heute, daher war das Modell relativ einfach, aber Manabe hat die wichtigsten Merkmale richtig dargestellt. Er sagte, man müsse immer vereinfachen. Mit der Komplexität der Natur kann man nicht mithalten. In jedem Regentropfen steckt so viel Physik, dass es unmöglich ist, alles vollständig zu berechnen. Erkenntnisse aus dem eindimensionalen Modell führten zu einem dreidimensionalen Klimamodell, das Manabe 1975 veröffentlichte – ein weiterer Meilenstein auf dem Weg zum Verständnis der Geheimnisse des Klimas.

Das Wetter ist chaotisch

Etwa ein Jahrzehnt nach Manabes Ergebnissen gelang es Klaus Hasselmann, Wetter und Klima miteinander zu verknüpfen, indem er einen Weg fand, die schnellen und chaotischen Wetteränderungen zu berücksichtigen, deren Berechnung sehr schwierig war. Da die Sonneneinstrahlung geografisch und zeitlich äußerst ungleichmäßig verteilt ist, schwankt das Wetter auf unserem Planeten enorm. Da die Erde rund ist, erreichen weniger Sonnenstrahlen hohe Breitengrade als niedrigere Breitengrade in Äquatornähe. Darüber hinaus ist die Erdachse geneigt, was zu jahreszeitlichen Unterschieden in der einfallenden Strahlung führt. Dichteunterschiede zwischen warmen und kalten Luftmassen führen zu enormen Wärmeübertragungen zwischen verschiedenen Breitengraden, zwischen Ozean und Land sowie zwischen höheren und niedrigeren Luftmassen, die das Wetter auf unserem Planeten bestimmen.

Es ist bekanntermaßen eine Herausforderung, zuverlässige Wettervorhersagen für die nächsten zehn Tage zu erstellen. Vor zweihundert Jahren sagte der berühmte französische Wissenschaftler Laplace, wenn wir die Position und Geschwindigkeit aller Teilchen im Universum kennen würden, könnten wir berechnen, was in unserer Welt passiert ist und was passieren wird. Im Prinzip sollte dies zutreffen, und Newtons dreihundert Jahre alte Bewegungsgesetze, die auch den Transport von Luft in der Atmosphäre beschreiben, sind völlig deterministisch – sie werden nicht durch Zufall bestimmt.

Wenn es jedoch ums Wetter geht, könnte nichts schlimmer sein. Das liegt unter anderem daran, dass es praktisch unmöglich ist, die Lufttemperatur, den Druck, die Luftfeuchtigkeit oder die Windverhältnisse an jedem Punkt der Atmosphäre mit ausreichender Genauigkeit zu beschreiben. Die Gleichungen sind nichtlinear und kleine Abweichungen der Anfangswerte können dazu führen, dass sich das Wettersystem völlig anders entwickelt. Ob ein Schmetterling, der in Brasilien mit den Flügeln schlägt, in Texas einen Tornado auslösen kann – dieses Phänomen nennt man Schmetterlingseffekt. In der Praxis bedeutet dies, dass es unmöglich ist, langfristige Wettervorhersagen zu erstellen – das Wetter ist chaotisch; Eine Entdeckung des amerikanischen Meteorologen Edward Lorenz aus den 1960er Jahren, der damit den Grundstein für die heutige Chaostheorie legte.

Verrauschte Daten verstehen

Auch wenn das Wetter ein klassisches Beispiel für ein chaotisches System ist, wie können wir zuverlässige Klimamodelle für Jahrzehnte oder Jahrhunderte in der Zukunft erstellen? Um 1980 zeigte Klaus Hasselmann, wie sich chaotisch verändernde Wetterphänomene als sich rasch veränderndes Rauschen beschreiben lassen, und legte damit eine solide wissenschaftliche Grundlage für langfristige Klimaprognosen. Darüber hinaus entwickelte er eine Methode zur Bestimmung des menschlichen Einflusses auf die beobachteten globalen Temperaturen.

Als junger Physik-Doktorand forschte Hasselmann in den 1950er Jahren in Hamburg im Bereich der Strömungsmechanik und begann anschließend mit der Entwicklung von Beobachtungs- und Theoriemodellen für Wellen und Strömungen. Anschließend zog er nach Kalifornien, wo er seine ozeanografischen Forschungen fortsetzte und Forscherkollegen wie Charles David Keeling traf, mit dem die Hasselmanns einen Karnevalschor gründeten. Keelings Legende beruht auf der Tatsache, dass er bereits 1958 am Mauna-Loa-Observatorium auf Hawaii mit der bis dahin längsten atmosphärischen Kohlendioxidmessung begann. Hasselmann wusste nicht, dass er in seinen späteren Arbeiten häufig die Keeling-Kurve verwenden würde, die Änderungen des Kohlendioxidgehalts zeigt.

Die Erstellung von Klimamodellen aus verrauschten Wetterdaten lässt sich am Beispiel eines Spaziergangs mit dem Hund veranschaulichen: Der Hund ist ungehorsam und rennt hin und her, links und rechts, um Ihre Beine herum. Wie können Sie anhand der Spuren eines Hundes erkennen, ob Sie gegangen sind oder stillgestanden haben? Oder gehen Sie schnell oder langsam? Die Spuren des Hundes stellen die Wetterveränderungen dar, während Ihre Spaziergänge das berechnete Klima darstellen. Ist es möglich, aus unübersichtlichen und verrauschten Wetterdaten Rückschlüsse auf langfristige Klimatrends zu ziehen?

Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Schwankungen, die das Klima beeinflussen, im Laufe der Zeit sehr unterschiedlich sind. Sie können schnell erfolgen, wie etwa die Windgeschwindigkeit oder die Lufttemperatur, oder sehr langsam, wie etwa das Schmelzen von Eis und die Erwärmung der Ozeane. Beispielsweise könnte ein gleichmäßiger Temperaturanstieg von einem Grad im Ozean tausend Jahre dauern, in der Atmosphäre jedoch nur wenige Wochen. Der entscheidende Kniff bestand darin, schnelle Wetteränderungen als Rauschen in die Berechnungen einzubeziehen und aufzuzeigen, wie sich dieses Rauschen auf das Klima auswirkt.

Hasselmann hat ein stochastisches Klimamodell entwickelt, was bedeutet, dass Zufälligkeit in das Modell eingebaut ist. Er ließ sich von Einsteins Theorie der Brownschen Bewegung, auch als Zufallsbewegung bekannt, inspirieren. Mithilfe dieser Theorie zeigte Hasselmann, dass eine sich schnell verändernde Atmosphäre tatsächlich langsame Veränderungen im Ozean verursachen kann.

Spuren menschlicher Einflüsse erkennen

Nachdem die Klimaänderungsmodelle fertiggestellt waren, entwickelte Hasselmann Methoden zur Identifizierung menschlicher Einflüsse auf das Klimasystem. Er stellte fest, dass diese Modelle zusammen mit Beobachtungen und theoretischen Überlegungen ausreichend Informationen über die Eigenschaften des Rauschens und des Signals enthielten. So hinterlassen beispielsweise Veränderungen der Sonneneinstrahlung, der vulkanischen Partikel oder der Treibhausgaskonzentrationen einzigartige Signale oder Fingerabdrücke, die isoliert werden können. Dieser Fingerprinting-Ansatz könnte auch auf den menschlichen Einfluss auf das Klimasystem angewendet werden. Hasselman machte damit den Weg frei für weitere Klimaforschung, die durch eine Vielzahl unabhängiger Beobachtungen die Spuren des menschlichen Einflusses auf das Klima nachweisen konnte.

Klimamodelle sind immer ausgefeilter geworden, da die komplexen, interagierenden Prozesse des Klimas immer genauer kartiert wurden, insbesondere durch Satellitenmessungen und Wetterbeobachtungen. Die Modelle zeigen deutlich eine Beschleunigung des Treibhauseffekts: Die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre hat seit Mitte des 19. Jahrhunderts um 40 Prozent zugenommen. So viel Kohlendioxid hat die Erdatmosphäre seit Hunderttausenden von Jahren nicht mehr enthalten. Entsprechend zeigen Temperaturmessungen, dass sich die Erde in den letzten 150 Jahren um 1°C erwärmt hat.

Manabe und Hasselmann leisteten im Geiste Alfred Nobels den größten Beitrag zur Menschheit und legten eine solide physikalische Grundlage für unser Verständnis des Erdklimas. Wir können nicht länger sagen, dass wir es nicht wissen – die Klimamodelle sind eindeutig. Erwärmt sich die Erde? Ja. Liegt es an der Zunahme der Treibhausgase in der Atmosphäre? Ja. Kann dies allein durch natürliche Faktoren erklärt werden? NEIN. Sind vom Menschen verursachte Emissionen für den Temperaturanstieg verantwortlich? Ja.

Standardmethoden für stochastische Systeme

Um 1980 präsentierte Giorgio Parisi seine Erkenntnisse darüber, wie Zufallsphänomene von verborgenen Regeln gesteuert werden können. Seine Arbeit gilt heute als einer der wichtigsten Beiträge zur Theorie komplexer Systeme.

Die moderne Untersuchung komplexer Systeme hat ihre Wurzeln in der statistischen Mechanik, die in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts von Maxwell, Boltzmann und Gibbs entwickelt wurde. Gibbs gab diesem Fachgebiet im Jahr 1884 den Namen „Statistische Mechanik“. Die statistische Mechanik entstand aus der Erkenntnis, dass man eine neue Methode brauchte, um Systeme zu beschreiben, die aus einer großen Zahl von Teilchen bestehen, wie etwa Gase oder Flüssigkeiten. Bei dieser Methode muss die zufällige Bewegung der Partikel berücksichtigt werden. Die Grundidee besteht also darin, die durchschnittliche Wirkung der Partikel zu berechnen, anstatt jedes Partikel einzeln zu untersuchen. Beispielsweise ist die Temperatur in einem Gas ein Maß für die durchschnittliche Energie der Gasteilchen. Die statistische Mechanik war ein großer Erfolg, da sie eine mikroskopische Erklärung für makroskopische Eigenschaften wie Temperatur und Druck in Gasen und Flüssigkeiten lieferte.

Man kann sich die Teilchen in einem Gas als kleine Kugeln vorstellen, deren Geschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Wenn die Temperatur sinkt oder der Druck steigt, kondensieren diese Kugeln zunächst zu einer Flüssigkeit und dann zu einem Feststoff. Bei solchen Festkörpern handelt es sich üblicherweise um Kristalle, in denen die Kugeln in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Wenn die Veränderung jedoch schnell erfolgt, können die Kugeln ein unregelmäßiges Muster bilden, selbst wenn die Flüssigkeit weiter abkühlt oder zusammengedrückt wird. Wird das Experiment wiederholt, zeigen die Kugeln ein neues Muster, obwohl die Veränderungen auf genau dieselbe Art und Weise erfolgen. Warum sind die Ergebnisse unterschiedlich?

Komplexität verstehen

Diese komprimierten Kugeln sind einfache Modelle aus gewöhnlichem Glas und körnigen Materialien wie Sand oder Kies. Das Thema von Parisis ursprünglicher Arbeit war jedoch ein anderes System – Spinglas. Dabei handelt es sich um eine spezielle Art von Metalllegierung, bei der beispielsweise Eisenatome zufällig in ein Gitter aus Kupferatomen eingemischt sind. Schon mit wenigen Eisenatomen verändern sie die magnetischen Eigenschaften des Materials auf rätselhafte Weise drastisch. Jedes Eisenatom wirkt wie ein winziger Magnet oder Spin und wird von anderen Eisenatomen in seiner Umgebung beeinflusst. Bei einem normalen Magneten zeigen alle Spins in die gleiche Richtung, bei Spinglas sind sie jedoch frustriert; Einige Spinpaare möchten in die gleiche Richtung zeigen, während andere in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Wie finden sie also die beste Ausrichtung?

Parisi schrieb im Vorwort zu seinem Buch über Spingläser, das Studium von Spingläsern sei wie das Betrachten einer menschlichen Tragödie in einem Shakespeare-Stück. Es kann frustrierend sein, wenn man mit zwei Menschen gleichzeitig befreundet sein möchte, diese sich aber gegenseitig hassen. Dies gilt insbesondere für klassische Tragödien, in denen emotional aufgeladene Freunde und Feinde auf der Bühne aufeinandertreffen. Wie können Sie die Spannung im Raum minimieren?

Spingläser und ihre exotischen Eigenschaften bieten ein Modell für komplexe Systeme. In den 1970er Jahren suchten viele Physiker, darunter mehrere Nobelpreisträger, nach einer Möglichkeit, dieses mysteriöse und frustrierende Spinglas zu beschreiben. Eine der von ihnen verwendeten Methoden ist der Replikationstrick, eine mathematische Technik, bei der viele Replikate eines Systems gleichzeitig verarbeitet werden. Allerdings stellten sich die ersten Berechnungen aus physikalischer Sicht als nicht durchführbar heraus.

Der entscheidende Durchbruch kam 1979, als Parisi zeigte, wie das Spinglasproblem durch geschickte Ausnutzung der Replikationstechnik gelöst werden konnte. Er entdeckte in diesen Repliken eine verborgene Struktur und fand einen mathematischen Weg, sie zu beschreiben. Es dauerte viele Jahre, bis sich die mathematische Richtigkeit von Parisis Lösung erwies. Seitdem wurde seine Methode auf viele ungeordnete Systeme angewendet und ist zum Eckpfeiler der Theorie komplexer Systeme geworden.

Spingläser und körnige Materialien sind Beispiele für ungeordnete Systeme, in denen sich die verschiedenen Komponenten auf eine Art und Weise anordnen müssen, die Kompromisse untereinander findet. Die Frage ist, welches Verhalten sie haben und welche Konsequenzen sich daraus ergeben. Parisi ist ein Meister darin, diese Fragen für viele verschiedene Materialien und Phänomene zu beantworten. Seine grundlegenden Entdeckungen über Spinglasstrukturen waren so tiefgreifend, dass sie nicht nur Auswirkungen auf die Physik, sondern auch auf die Mathematik, Biologie, Neurowissenschaften und das maschinelle Lernen haben, da es in allen diesen Bereichen Probleme gibt, die in direktem Zusammenhang mit Frustration stehen.

Parisi untersucht auch viele andere Phänomene, bei denen zufällige Prozesse eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Strukturen spielen, und geht Fragen nach wie: Warum gibt es periodische Eiszeiten? Gibt es eine allgemeinere mathematische Beschreibung chaotischer und turbulenter Systeme? Oder: Wie entstehen Muster im Schwarm Tausender Stare? Diese Frage scheint sehr weit von Spingläsern entfernt zu sein. Parisi sagte jedoch, dass sich der Großteil seiner Forschung damit befasse, wie einfache Verhaltensweisen zu komplexen kollektiven Verhaltensweisen führen können, was sowohl auf Spingläser als auch auf Stare zutreffe.

Giorgio Parisi (1948-)

Giorgio Parisi wurde 1948 in Italien geboren und schloss sein Studium 1970 an der Universität Rom ab. Er war Forscher am Frascati National Laboratory (1971–1981) und Gastwissenschaftler an der Columbia University, dem Institut des Hautes Études Scientifiques und der École Normale Supérieure in Paris. Derzeit ist er Professor für Quantentheorie an der Sapienza-Universität in Rom. Parisi ist Mitglied der Italienischen Akademie der Wissenschaften, ausländisches Mitglied der Französischen Akademie der Wissenschaften und ausländisches Mitglied der National Academy of Sciences der USA.

Parisi hat 1986 und 1992 den Boltzmann-Preis, 1999 den Dirac-Preis, 2002 den Enrico-Fermi-Preis, 2005 den Danny-Heinemann-Preis für mathematische Physik, 2009 den Lagrange-Preis, 2011 die Max-Planck-Medaille, 2015 den Preis für Hochenergie- und Teilchenphysik und 2016 den Lars-Onsager-Preis gewonnen.

Syukuro Manabe (1931-)

Syukuro Manabe wurde 1931 in der Präfektur Ehime in Japan geboren. Von 1953 bis 1958 erwarb er Bachelor-, Master- und Doktorgrade an der Universität Tokio in Japan. Danach kam er in die Vereinigten Staaten und arbeitete in der meteorologischen Forschung beim United States Weather Bureau und der National Oceanic and Atmospheric Administration. Von 1997 bis 2002 war er Leiter des Forschungsprojekts zur globalen Erwärmung am Japan Frontier Research Center for Global Change. Derzeit ist er leitender Forscher an der Princeton University.

In den 1960er Jahren entwickelte Tokuro Manabe ein numerisches Modell, mit dem sich das gesamte Erdklima auf der Grundlage der Gesetze der Physik am Computer reproduzieren und vorhersagen ließ. Dieses Modell demonstrierte erstmals deutlich die Auswirkungen der Kohlendioxidkonzentration in der Atmosphäre auf das Klima, lenkte die Aufmerksamkeit der internationalen Gemeinschaft auf die globale Erwärmung und führte zur Gründung des Zwischenstaatlichen Ausschusses für Klimaänderungen der Vereinten Nationen (IPCC).

Syukuro Manabe war der erste Gewinner des Blue Planet Award im Jahr 1992, des Asahi-Preises im Jahr 1995, des Volvo Environment Prize im Jahr 1997, der Benjamin Franklin-Medaille im Jahr 2015, des BBVA Just Frontier Award im Jahr 2016, des Crafoord-Preises der Königlich Schwedischen Akademie der Wissenschaften im Jahr 2018 und wurde 2009 in die Kyoto Earth Hall of Fame aufgenommen.

Klaus Hasselmann (1931-)

Klaus Hasselmann wurde 1931 in Hamburg geboren. Er studierte Physik und Mathematik an der Universität Hamburg, schloss sein Studium 1955 mit dem Diplom ab und promovierte 1957 an der Universität Göttingen und dem Max-Planck-Institut für Fluiddynamik in Physik. Von 1964 bis 1975 war er an der Universität Hamburg tätig, wo er am Institut für Geophysik eine Professur für Theoretische Geophysik innehatte. Von Februar 1975 bis November 1999 war Hasselmann Gründungsdirektor des Max-Planck-Instituts für Meteorologie. Derzeit ist Hasselmann Vizepräsident des Europäischen Klimaforums.

Hasselmann ist ein führender deutscher Ozeanograph und Klimamodellierer. Er ist vor allem für seine Arbeit zur Entwicklung des Hasselmann-Modells der Klimavariabilität bekannt, das das allgegenwärtige rote Rauschsignal im Klima erklärt. 1996 erhielt Hasselmann den International Lifetime Achievement Award in Oceanography, 2002 wurde ihm die Vilhelm-Bjerknes-Medaille der Europäischen Geophysikalischen Union verliehen, 2007 erhielt er den IMSC Achievement Award der International Conference on Statistical Climatology und 2010 den Frontiers of Knowledge Award der BBVA Foundation.