Nobel de Física a científicos que permitieron entender sistemas complejos, como el clima terrestre

Cuando, muy temprano esta mañana, Syukuro Manabe recibió una llamada desde Estocolmo anunciándole que había ganado el Nobel de Física 2021, no podía salir de su asombro: “Pero –atinó a decir– soy solo un climatólogo. (…) Nadie recibió el premio de física por mi tipo de trabajo. Estoy muy sorprendido”.

Manabe, meteorólogo y climatólogo japonés que actualmente trabaja en la Universidad de Princeton, es uno de los tres laureados de este año “por sus contribuciones a la descripción y la predicción de largo plazo del comportamiento de los sistemas complejos, caracterizados por la aleatoriedad y el desorden”. Los otros dos son Klaus Hasselman, del Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo, Alemania, y Giorgio Parisi, de la Universidad Sapienza, en Roma, actual presidente de la Accademia dei Lincei (la Academia Nacional de Ciencias de Italia).

Manabe y Hasselman, ambos nacidos en 1931, abrieron el camino para desarrollar simulaciones del clima global y mostraron que se estaba produciendo un calentamiento de origen antropogénico. Ellos “sentaron las bases para nuestro conocimiento del clima terrestre y la comprensión de cómo está influyendo la humanidad”.

Parisi, de 73 años y fuertes vínculos con dos generaciones de físicos argentinos, es reconocido “por sus contribuciones revolucionarias a la teoría de los fenómenos desordenados y aleatorios”. Los dos primeros comparten la mitad del premio. 

Qué son los sistemas complejos

Por definición, los sistemas complejos están compuestos por una multitud de componentes que interactúan entre sí y son muy difíciles de describir desde el punto de vista matemático. De los comportamientos individuales de cada una de sus partes pueden emerger fenómenos imprevisibles, caóticos y azarosos. El clima terrestre es uno de ellos: pequeñas desviaciones en los valores iniciales pueden dar lugar  más tarde a diferencias enormes. 

Manabe y Hasselman fueron pioneros en el desarrollo de modelos climáticos que permitieron probar de forma inequívoca que los gases de efecto invernadero se están acumulando en la atmósfera, que la Tierra se está calentando y que esto no se puede explicar por razones naturales, sino que es causado por la actividad humana. 

“Es un reconocimiento tardío, pero reconocimiento al fin –dice Carolina Vera, hasta hace pocos días jefa de gabinete del Ministerio de Ciencia y actual coordinadora ejecutiva del Programa Pampa Azul y del Programa para la Transición Sostenible–. Ellos hicieron posible uno de los logros más notables que alcanzó esta disciplina, que es la capacidad de representar con programas de computadora lo que ocurre en el clima con toda su complejidad”. 

En los años sesenta, cuando recién empezaban a aparecer las computadoras y eran cientos de miles de veces menos potentes que las actuales, Manabe fue el primero en usar esos equipos para generar modelos numéricos del tiempo y el clima. “Trabajaba en el Laboratorio Geofísico de Dinámica de Fluidos de la Agencia Nacional Oceánica y Atmosférica de los Estados Unidos. Su logro es no solo haber avanzado en el modelado, sino haber hecho las primeras simulaciones que confirmaron que un calentamiento global era posible. Son las que se presentaron hacia mediados de los ochenta a las Naciones Unidas y dieron lugar al actual Panel Intergubernamental de Cambio Climático –cuenta Vera, que es vicepresidenta del Grupo de Trabajo I de este organismo internacional– y a la Convención Marco de las Naciones Unidas. No solo representó un avance en el conocimiento, sino que dio lugar a una aplicación importantísima”. 

Pero si Manabe pudo cuantificar el impacto de los gases atmosféricos y su aporte al calentamiento global (demostró, por ejemplo, que si el contenido de dióxido de carbono se duplica, la temperatura global aumenta dos grados), diez años más tarde, Hasselman, oceanógrafo de origen, desarrolló métodos para identificar las huellas de la humanidad en la temperatura global, distinguiendo las “huellas digitales” de los cambios en la radiación solar, las partículas volcánicas o los niveles de gases de invernadero.

“Lo que los une es el estudio de la dinámica de los fluidos geofísicos, esta posibilidad que tienen la atmósfera y los océanos, de poder generar su propia variabilidad a través de inestabilidades –explica Vera–. Son caóticos, pero al mismo tiempo se organizan siguiendo leyes, como la termodinámica, la mecánica…”

La sorpresa de los investigadores de este campo porque en general los premios van a la física cuántica (que explora el submundo de los átomos). “La que usamos nosotros es la teoría clásica –destaca la científica–: por ejemplo, la ecuación que describe la evolución del viento es la segunda ley de Newton. La hazaña de Manabe y Hasselman fue poder combinar numéricamente la naturaleza caótica del clima, de la atmósfera, con las leyes de la naturaleza para pronosticar, predecir, proyectar”. Y comenta: “Es muy emocionante. Hay un argentino que trabajaba codo a codo con Manabe, Isidoro Orlansky, que se concentró más en el modelado numérico del tiempo, las tormentas y otros fenómenos de más corto plazo”. 

Vidrios enigmáticos

Alrededor de 1980, Giorgio Parisi presentó sus descubrimientos de cómo fenómenos aparentemente azarosos están gobernados por reglas ocultas. De él, que recibirá la mitad del premio de este año, se puede decir que es un personaje renacentista, interesado por todos los temas y al que nada de lo humano le es ajeno.

“Giorgio es como un científico de la antigüedad", cuenta Leticia Cugliandolo, física argentina que desde hace muchos años trabaja en la École Normale Supérieure de París y, junto con su marido, Jorge Kurchan, en los años noventa, investigaron con el ahora premiado en Roma. 

Todo le interesa y realizó contribuciones en innumerables áreas, algo raro en estos tiempos en los que cada uno se especializa en un tema. Al principio de su carrera, por ejemplo, trabajó en física de partículas, en cromodinámica cuántica, y desarrolló trabajos que podrían haberle valido otro Nobel”. Y más adelante agrega: “Después, investigó en métodos numéricos; no solo hizo los algoritmos, sino que también ayudó a desarrollar una computadora. De físico teórico, había pasado casi a físico electrónico. También se ocupó de problemas de física estadística, de aplicaciones biológicas, del sistema inmunitario… ¡Hasta escribió papers!”.

Según Kurchan, también investigador en la École Normale Supérieure, Parisi hizo aportes fundacionales en por lo menos seis áreas de la física: “En teoría de campos, en geofísica… Pero tal vez su contribución más sobresaliente fue su solución del ‘vidrio de spin’ –detalla–. Es un material que no le interesa estrictamente a nadie, no tiene ningún interés desde el punto de vista práctico, pero las ideas que tuvo que desarrollar para entenderlo resultan útiles para un millón de cosas. No solo se aplican a todos los vidrios, sino que, además, los métodos que desarrolló se pueden emplear en ciencia de la computación, inteligencia artificial, aprendizaje automático.  Es el clásico ejemplo de algo sobre lo que la gente se pregunta ‘para qué le pagamos a alguien que estudie eso’ y después explota por doquier”. 

Para explicar a qué se refiere, Kurchan comenta que todo sistema físico busca su equilibrio y un estado de baja energía. Para los sistemas convencionales, esto es más o menos sencillo. El problema es que los vidrios de spin tienen muchísimas posibilidades de “arreglarse para estar contentos”. Y afirma: “De pronto, todas las ideas convencionales hubo que modificarlas para describir un conjunto enorme de sistemas de equilibrio, que tardan muchísimo en encontrar. Esa multiplicidad de posibilidades lo hace estar ligado a tantas aplicaciones”.

En un libro sobre el tema, el propio Parisi alude a lo que significa estudiar el vidrio de spin diciendo que “es como mirar las tragedias humanas en la obra de Shakespeare. Cuando uno quiere hacerse amigo al mismo tiempo de dos personas que se odian entre sí puede ser frustrante”.

Los sistemas que tienen muchos equilibrios posibles están por todos lados. “El vidrio de spin fue el primer ejemplo que encontraron –continúa Kurchan–. Se dice que también la teoría de cuerdas tendría esta particularidad. Tal vez el vidrio de spin per se es poco interesante, pero las ideas a las que dio nacimiento son innumerables”. 

Otro físico argentino e investigador del Conicet, Tomás Grigera, del Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos trabajó con Parisi a comienzos de la primera década de este siglo. Grigera lo explica así: “En los imanes que conocemos, los que dipolos tienden a alinearse y macroscópicamente tienen magnetismo. Estos otros materiales no son macroscópicamente magnéticos, porque las interacciones son tales que algunos pares de dipolos tienden a alinearse y otros a 'antialinearse'. Lo que vuelve difícil el problema es esa competencia, que aparece en muchos sistemas. La solución que encontró Parisi permitió avanzar en muchos problemas relacionados: redes neuronales, informática…”.

Grigera coincide con sus colegas en que Parisi es todo “un personaje”: muy simpático, y muy, muy especial. Casado con una historiadora y padre de dos hijos, ya puede interesarse en la neurocirugía como en el “murmullo que surge del vuelo de miles de estorninos en Roma”. Precisamente, Grigera en este momento está colaborando en un proyecto iniciado por uno de sus alumnos sobre este tema. 

Parisi también mantuvo un vínculo de cariño y admiración con el físico argentino recientemente fallecido Miguel Virasoro. En ocasión de su muerte dijo: “Trabajar con él fue un placer humano e intelectual (...) Fue un amigo maravilloso y franco.(…) Discutíamos sobre muchos temas diferentes e, incluso si al final no coincidíamos, yo aprendía mucho. Lo extraño profundamente”.