Het werk van Giorgio Parisi heeft ons geholpen om voorspelbare patronen te onderscheiden van complexiteit. Sapienza Università di Roma/flickr, CC BY-NC-SA
De Nobelprijs voor natuurkunde voor 2021 is gezamenlijk toegekend aan de Italiaanse Giorgio Parisi, de Japanse Syukuro Manabe en de Duitse Klaus Hasselmann voor hun “baanbrekende bijdragen aan ons begrip van complexe systemen”.
Toen ik het nieuws hoorde, kon ik het bijna niet geloven. Ik studeerde voor mijn masterscriptie en mijn doctoraat in de theoretische natuurkunde bij professor Parisi aan de Sapienza Universiteit in Rome.
Als ik zeg dat ik ongelovig was, begrijp me dan niet verkeerd. Van alle mensen die ik ooit heb ontmoet tijdens mijn onderzoekservaring – misschien in mijn leven – is hij zonder twijfel de meest vindingrijke. Ik was dus niet verbaasd over het besluit van het Nobelprijscomité om hem tot laureaat te benoemen. Het was eerder hun beslissing om zijn “bijdragen aan ons begrip van complexe systemen” te erkennen die mijn interesse wekte.
Deze prijs voor professor Parisi, gedeeld satisfied de baanbrekende meteorologen professor Manabe en professor Hasselmann, is een verbazingwekkende erkenning van een heel onderzoeksgebied – misschien iets minder glamoureus dan de algemene relativiteitstheorie of snaartheorie – dat probeert te begrijpen en te modelleren wat wij in de natuurkunde noemen “complexe systemen”.
Deze omvatten zaken als klimaatecosystemen, financiële systemen en biologische fenomenen, om er maar een paar te noemen. De enorme verscheidenheid aan complexe systemen – vertegenwoordigd in fluctuerende markten en massaal spreeuwen – maakt het erg moeilijk om enige vorm van universele regels voor hen af te leiden. Dankzij het werk van Parisi hebben we ongekende conclusies kunnen trekken around systemen die er op het eerste gezicht willekeurig, onvoorspelbaar en theoretisch onmogelijk uit te zien zijn.
In tegenstelling tot sommige andere natuurkundige modellen, zijn complexe systemen geen verzameling identieke deeltjes, die regelmatig op een consistente en voorspelbare manier op elkaar inwerken. In plaats daarvan zijn complexe systemen systemen van elementen, mogelijk verschillend van elkaar, die op verschillende en schijnbaar onvoorspelbare manieren op elkaar inwerken terwijl ze worden blootgesteld aan wisselende externe omstandigheden.
Een opstapje voor het modelleren van complexe systemen is de theorie van ‘ontregelde systemen’. Dit zijn in wezen systemen waarin verschillende paren elementen verschillende, potentieel tegenstrijdige krachten ervaren die ertoe kunnen leiden dat de elementen “gefrustreerd” raken.
Een manier om dit te illustreren is om je een feest (een gesloten sociaal systeem) voor te stellen, waar Alice misschien met Bob wil chatten en Bob misschien satisfied Charlie wil chatten, maar Charlie wil misschien niet met Alice chatten. Er is frustratie hier – dus wat moeten ze doen?
In dit voorbeeld is een hoek van de driehoek gefrustreerd.
Johan Jarnestad/De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, CC BY-NC
Het onderzoek van professor Parisi verduidelijkte wat er gebeurt als frustratie optreedt in ongeordende en complexe systemen. Hij stelde large dat complexe systemen in staat zijn hun trajecten in de loop van de tijd te onthouden en lange tijd in suboptimale toestanden kunnen blijven steken.
Stel je in ons feestvoorbeeld voor dat Alice, Bob, Charlie en andere gasten onregelmatig van gespreksgroep en partners wisselen, in de hoop de beste groep mensen te vinden om mee te chatten, maar ze mogelijk nooit te vinden. Dat is de suboptimale toestand waarin complexe systemen kunnen blijven steken.
Patronen van wanorde
Een van de vele theoretische hulpmiddelen die professor Parisi heeft gebruikt om zijn theorie broad te stellen, is de zogenaamde “duplicate-truc” – een wiskundige methode die een ongeordend systeem gebruikt, het meerdere keren repliceert en vergelijkt hoe verschillende replica’s van het systeem zich gedragen. U kunt dit bijvoorbeeld doen doorway knikkers samen te persen in een doos, die elke keer dat u de compressie uitvoert, een andere configuratie zal vormen. Door veel herhalingen, wist Parisi, zouden er veelzeggende patronen kunnen ontstaan.
De replicatruc kan worden uitgevoerd door ballen in een doos te comprimeren.
Johan Jarnestad/De Koninklijke Zweedse Academie van Wetenschappen, CC BY-NC
Deze methode is nu een van de weinige theoretische pijlers voor de ontwikkeling van de hele theorie van complexe systemen zoals we die nu kennen. Het is aangetoond dat de theorie van professor Parisi betrouwbare voorspellingen geeft over de statistische eigenschappen van complexe systemen, variërend van onderkoelde vloeistoffen (vloeistoffen onder hun stoltemperatuur), bevroren vloeistoffen, amorfe vaste stoffen zoals glas en zelfs zwermen spreeuwen.
De theorie van wanordelijke systemen stelt ons in staat om de prachtige opkomst van coherente vluchtpatronen binnen dichte zwermen vogels te begrijpen – die erin slagen bij elkaar te blijven en ondanks ongunstige omstandigheden enorme groepen te vormen.
Parisi heeft onderzocht hoe spreeuwenzwermen zich gedragen onder predatie doorway slechtvalken.
Hetzelfde raamwerk is gebruikt om het klimaat op aarde te begrijpen. De meteorologen die de Nobelprijs delen achieved professor Parisi zullen hebben vertrouwd op doorbraken in de theoretische natuurkunde om de modellen te produceren die we nu gebruiken om de opwarming van de aarde betrouwbaar aan te tonen.
Lees meer: Nobelprijs: waarom klimaatmodelleurs de natuurkundeprijs verdienden – ze hebben keer op keer gelijk gekregen
Ik experienced de kans om deze onderwerpen te bespreken achieved professor Parisi in Rome, terwijl zijn experimenten achieved zwermen vogels plaatsvonden en tijdens zijn computersimulaties around het gedrag van glas. Omdat ik een beetje van zijn geest weet, verbaast het me helemaal niet dat hij de Nobelprijs voor natuurkunde heeft gekregen.
Maar ik ben aangenaam verrast dat het gebied van complexe systemen, dat stilletjes de grens van theoretisch onderzoek in de natuurkunde verdringt, deze blootstelling heeft gekregen. Deze Nobelprijs heeft nieuwe legitimiteit – en hopelijk nieuwe geesten – gegeven aan dit fascinerende gebied van de hedendaagse natuurkunde.
Paolo Barucca werkt niet voor, raadpleegt, bezit geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat zou hebben bij dit artikel, en heeft geen relevante voorkeuren bekendgemaakt buiten hun academische aanstelling.
