Los sistemas complejos y el Premio Nobel de Física 2021
José Luis Mateos Trigos
Departamento de Sistemas Complejos, Instituto de Física/
Centro de Ciencias de la Complejidad
El pasado martes 5 de octubre se anunció, por parte de la Real Academia Sueca de Ciencias, a los ganadores del Premio Nobel de Física 2021. En esta ocasión se otorgó este importante reconocimiento “por las revolucionarias contribuciones a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos”.
La mitad del premio correspondió, por partes iguales, a dos meteorólogos: el japonés Syukuro Manabe, de la Universidad de Princeton en Estados Unidos, y el alemán Klaus Hasselmann, del Instituto Max Planck de Meteorología en Hamburgo, Alemania. La otra mitad de la distinción le fue otorgada al físico teórico italiano Giorgio Parisi, de la Universidad de la Sapienza en Roma, Italia. En el anuncio del premio se menciona que los tres galardonados han encontrado patrones ocultos en el clima y en otros fenómenos complejos.
Los sistemas complejos están constituidos por un número muy grande de partes que interaccionan entre sí y que se encuentran en un régimen fuera de equilibrio termodinámico. Dichos sistemas están caracterizados por ser no lineales, y en muchos casos presentan una dinámica caótica. Otra característica de los sistemas complejos es el hecho de que pueden dar lugar a propiedades emergentes, es decir, el todo es más que la suma de las partes. Por esta razón, no podemos descomponer el sistema en partes más simples para entender la totalidad del fenómeno.
Durante los últimos 50 años, algunos físicos empezaron a extender las ideas de la física estadística para sistemas en equilibrio al caso de los sistemas complejos fuera de equilibrio. En estos últimos, siendo no lineales, surgen fenómenos plagados de inestabilidades que pueden dar lugar a una dinámica caótica imposible de predecir con detalle; es por ello que, para su estudio, se requiere introducir conceptos probabilísticos y aleatorios. Cabe hacer notar que la teoría del caos, irónicamente, surge del intento de predecir el clima con modelos de pocas variables, pero no lineales.
Ejemplos de sistemas complejos abundan y los vemos a nuestro alrededor: el clima y los fenómenos atmosféricos, los sistemas económicos y financieros, los sistemas desordenados en la materia condensada y, desde luego, en los fenómenos biológicos: desde las células hasta los sistemas ecológicos, pasando por el cerebro humano.
Respecto al Premio Nobel a los investigadores Manabe y Hasselmann, se otorgó “por el modelaje físico del clima terrestre, la cuantificación de la variabilidad y la predicción del calentamiento global”. Syukuro Manabe mostró que el incremento de la concentración de dióxido de carbono en la atmósfera conduce a un incremento de la temperatura en la superficie de la Tierra.
En la década de los años 60 del siglo pasado lideró el desarrollo de modelos físicos del clima terrestre y fue la primera persona en explorar la interacción entre el balance radiativo y el transporte vertical de masas de aire en la atmósfera debido a la convección, tomando en cuenta también el calor aportado por el ciclo del agua. Sus modelos confirmaron que el calentamiento en la superficie se debía al incremento del dióxido de carbono y que, si se duplicaba el nivel de éste, la temperatura se incrementaría en dos grados centígrados. Su trabajo sentó las bases para el desarrollo de los modelos climáticos.
Por otro lado, 10 años después, Klaus Hasselmann ideó un modelo que relaciona el tiempo con el clima, y de esta manera pudo mostrar porqué los modelos del clima pueden ser confiables a pesar de que el tiempo es cambiante y caótico. Me refiero aquí, naturalmente, al tiempo en el sentido meteorológico. Hasselmann ideó una forma sencilla de acoplar la dinámica de la atmósfera con la dinámica de los océanos. Las fluctuaciones del clima varían en escalas de tiempo muy cortas en el caso de la atmósfera, en comparación con escalas de tiempo mucho más grandes en el caso de los océanos. Más adelante, Hasselmann desarrolló métodos para identificar señales específicas y huellas en el clima debidas a fenómenos naturales y actividades humanas. Sus métodos han sido usados para comparar el incremento de la temperatura en la atmósfera debido a las emisiones de dióxido de carbono que surgen de la actividad humana y de fenómenos naturales tales como erupciones volcánicas.
La otra mitad del Premio Nobel le correspondió al gran físico teórico Giorgio Parisi y se le otorgó “por el descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en sistemas físicos, de la escala atómica a la planetaria”.
Alrededor de 1980, Parisi publicó sus descubrimientos acerca de cómo los fenómenos aleatorios están gobernados por reglas ocultas. Sus trabajos son actualmente considerados entre las contribuciones más importantes en la teoría de los sistemas complejos. Los estudios de sistemas complejos están basados en parte en la mecánica estadística desarrollada hace más de un siglo. En esta rama de la física se explican los fenómenos termodinámicos a nivel macroscópico, a partir de la dinámica de los átomos y moléculas a nivel microscópico. Por ejemplo, se explica la temperatura de un gas como la energía cinética promedio de las moléculas del mismo. Es decir, se usa la teoría de la probabilidad y la estadística y se aplica a un conjunto enorme de moléculas para extraer una propiedad fenomenológica como la temperatura. De esta manera se reconstruye toda la termodinámica a partir de elementos microscópicos.
Parisi ha estudiado sistemas de esferas duras, los cuales son muy usados en la física de materia condensada y se han empleado como modelos para estudiar líquidos, cristales, vidrios, sistemas coloidales, y medios granulados como la arena, los granos e incluso en la dinámica de vehículos. Además de estos sistemas, Parisi se ha enfocado en los llamados vidrios de espín. Estos son un tipo de aleaciones metálicas en donde los átomos de fierro, por ejemplo, se intercalan al azar en una red de átomos de cobre. Aun cuando sólo hay unos cuantos átomos de fierro, estos cambian las propiedades magnéticas de forma muy radical. Cada átomo de fierro se comporta como un pequeño imán o espín que se ve afectado por los otros átomos de fierro en su vecindad. En un imán ordinario, todos los espines a nivel microscópico apuntan en la misma dirección, dando como resultado una magnetización macroscópica, pero en un vidrio de espín los espines están frustrados. Es decir, algunos espines tienden a alinearse de la misma manera que sus vecinos, pero otros que tratan de alinearse también de esta manera, no lo pueden lograr y se frustran. Entonces, ¿cuál es la configuración que deben adoptar?
Una analogía del fenómeno de frustración es la siguiente: imaginemos que queremos invitar a una fiesta a dos amigos, pero resulta que recientemente se pelearon; si invito a uno de ellos el otro ya no querrá venir y viceversa. No hay forma de tenerlos juntos y no puedo resolver este conflicto y me frustro. Parisi ha estudiado con mucha profundidad el fenómeno de frustración en diversos sistemas físicos. Sus teorías de los vidrios de espín son tan profundas que han impactado no sólo en física, sino que han tenido un impacto en matemáticas, biología, neurociencias, aprendizaje de máquina, redes neuronales e inteligencia artificial.
Por si fuera poco, Parisi ha hecho otras importantes contribuciones a los sistemas complejos: introdujo el concepto de resonancia estocástica para explicar el cambio climático y las glaciaciones recurrentes, estudió la turbulencia usando multifractales, estudió los fenómenos colectivos en la formación de patrones de las parvadas de aves, y muchos problemas más.
Es claro que la ciencia de los sistemas complejos es una de las áreas más importantes en el mundo. Prueba de ello es, justamente, el Premio Nobel de Física 2021, otorgado este año al estudio de los sistemas complejos. El número de institutos y centros de investigación, así como el número de revistas especializadas, enfocados a los sistemas complejos sigue floreciendo en muchos países. La razón es muy clara: muchos de los grandes problemas que quisiéramos entender y resolver son problemas complejos. Un ejemplo notable es la pandemia del Covid-19 que estamos viviendo. Para resolverlos, necesitamos del concurso de muy diversas disciplinas: matemáticas, física, química, biología, ciencias de la computación, medicina, economía, ciencias sociales, etc. Los sistemas complejos tienen que abordarse desde una perspectiva interdisciplinaria y transdiciplinaria. La UNAM debe seguir apoyando su desarrollo. Ya ha dado pasos importantes en esa dirección con la formación del Departamento de Sistemas Complejos en el Instituto de Física, la creación del Centro de Ciencias de la Complejidad (C3) y más recientemente el Instituto de Ciencias de la Atmósfera y Cambio Climático. Si en verdad queremos seguir resolviendo los grandes problemas nacionales en nuestro país debemos continuar e incrementar el apoyo al estudio de los sistemas complejos. La UNAM tiene que liderar este esfuerzo para que se replique en todo el país. Al hacerlo gana México y ganamos todos.