Los sistemas complejos están compuestos por muchas partes que interactúan entre sí. Estos vínculos brindan información adicional y, en definitiva, trascienden la suma de sus partes, es decir, conocer como funciona cada parte no es suficiente para entender el sistema y, de hecho, existen variables ocultas.

Por eso se dice que los sistemas complejos son aleatorios, desordenados e incluso caóticos, porque “pequeñas desviaciones en los valores iniciales dan lugar a enormes diferencias en una etapa posterior”.

Entenderlos requiere no solo saber cómo funcionan sus partes sino también como funciona el sistema como un todo.

De allí se desprende la relevancia de la investigación desarrollada por Syukuro Manabe (Japón) y Klaus Hasselmann (Alemania) así como a Giorgio Parisi (Italia), quienes aportaron nuevos métodos no solo para describir los sistemas complejos sino también propusieron modelos para tratar de comprenderlos.

Por ello, la Real Academia de las Ciencias de Suecia les otorgó hoy el Premio Nobel de Física 2021. “Por sus innovadoras contribuciones a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos”, justificó el jurado.

En específico, a Manabe y Hasselmann se les reconoce “por la modelización física del clima de la Tierra, la cuantificación de la variabilidad y la predicción fiable del calentamiento global”, mientras que a Giorgio Parisi se le premia “por el descubrimiento de la interacción entre el desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica hasta la planetaria”.

Syukuro Manabe, Premio Nobel de Física 2021

(Créditos: AFP)

El sistema complejo del clima

De hecho, las investigaciones de Manabe y Hasselmann están relacionadas al entendimiento de uno de los sistemas complejos con el que convivimos diariamente: el clima. Ellos no solo sentaron las bases que permiten conocerlo sino que también describieron cómo la humanidad está influyendo en él.

“Los descubrimientos reconocidos este año demuestran que nuestros conocimientos sobre el clima se apoyan en una sólida base científica, basada en un riguroso análisis de las observaciones”, destacó Thors Hans Hansson, presidente del Comité Nobel de Física.

Manabe demostró, en la década de 1960, que el incremento en los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera causaban también un incremento en la temperatura de la superficie del planeta. Fue el primero en estudiar la interacción entre la radiación solar y el transporte vertical de las masas de aire.

El físico japonés probó su primer modelo variando los niveles de gases en la atmósfera. Observó que el oxígeno y el nitrógeno tuvieron efectos insignificantes en la temperatura de la superficie, más no el dióxido de carbono. Cuando el nivel de dióxido de carbono se duplicó, la temperatura global aumento más de 2°C.

“El modelo confirmó que este calentamiento se debía realmente al aumento del dióxido de carbono, ya que preveía un aumento de las temperaturas más cerca del suelo mientras la atmósfera superior se enfriaba. Si las variaciones de la radiación solar fueran las responsables del aumento de la temperatura, toda la atmósfera debería haberse calentado al mismo tiempo”, se explica en uno de los documentos divulgados por la Real Academia de las Ciencias de Suecia.

Lo aprendido con ese primer modelo llevó a Manabe a desarrollar otro en tres dimensiones, el cual publicó en 1975 y sentó las bases para el desarrollo de los modelos climáticos actuales.

Klaus Hasselmann, Premio Nobel de Física 2021.

(Créditos: AFP)

Por su parte, Hasselmann creó un modelo que relaciona el tiempo y el clima, “respondiendo así a la pregunta de por qué los modelos climáticos pueden ser fiables a pesar de que el tiempo sea cambiante y caótico”.

El físico alemán se inspiró en la teoría del movimiento browniano de Albert Einstein para incorporar el azar en su modelo climático estocástico. Utilizando esta teoría del Einstein, Hasselmann demostró que la atmósfera, que cambia rápidamente, puede provocar variaciones lentas en el océano.

Asimismo, sus modelos confirman la aportación de dióxido de carbono a la atmósfera por parte del ser humano. Para ello, el físico identificó señales específicas que las actividades humanas imprimen en el clima.

De esta forma, Hasselman abrió “el camino a otros estudios sobre el cambio climático, que han demostrado las huellas del impacto humano en el clima mediante un gran número de observaciones independientes”.

“Los modelos climáticos se han ido perfeccionando a medida que los procesos incluidos en las complicadas interacciones del clima se van cartografiando más a fondo, sobre todo gracias a las mediciones por satélite y las observaciones meteorológicas”, se detalla en la documentación aportada por la Real Academia de las Ciencias de Suecia.

Los modelos muestran claramente una aceleración del efecto invernadero; desde mediados del siglo XIX, los niveles de dióxido de carbono en la atmósfera han aumentado un 40%. La atmósfera de la Tierra no contenía tanto dióxido de carbono desde hace cientos de miles de años. En consecuencia, las mediciones de temperatura muestran que el mundo se ha calentado 1°C en los últimos 150 años”.

Giorgio Parisi, Premio Nobel de Física 2021.

(Créditos: )

Los patrones ocultos de Parisi

Manabe y Hasselmann comparten una de las mitades del premio. La otra mitad se le concedió a Giorgio Parisi “por sus contribuciones a la teoría de los materiales desordenados y los procesos aleatorios”.

Hace 40 años, el físico italiano observó patrones ocultos en materiales complejos desordenados. Por ello, su trabajo ha sido clave en la teoría de los sistemas complejos porque “permite entender y describir muchos materiales y fenómenos diferentes y aparentemente totalmente aleatorios, no solo en física sino también en otros ámbitos muy diferentes, como las matemáticas, la biología, la neurociencia y el aprendizaje automático”.

Aunque la investigación de Parisi pareciera no tener relación con el clima, lo cierto es que sí la tiene, ya que el clima es un sistema complejo. De hecho, tras anunciarse que ganó el Nobel, el físico italiano recordó un estudio en que participó, el cual trataba de las resonancias estocásticas en cambio climático.

“Se constata una amplificación de las perturbaciones aleatorias por la interacción de las no linealidades internas del sistema climático con el forzamiento orbital externo”, se lee en el resumen o abstract del artículo científico y este continúa: “es concebible que este nuevo tipo de resonancia pueda desempeñar un papel en la explicación del pico de 105 años en el espectro de potencia de los registros paleoclimáticos”.

Asimismo, el físico italiano aprovechó al atención mediática derivada por el Nobel de Física 2021 para dar su mensaje: “está claro que, para la futura generación, tenemos que actuar ahora de forma muy rápida”.

La Real Academia de las Ciencias de Suecia tampoco dejó pasar la oportunidad:

“Ya no podemos decir que no lo sabíamos: los modelos climáticos son inequívocos. ¿Se está calentando la Tierra? Sí. ¿La causa es el aumento de la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera? Sí. ¿Puede explicarse únicamente por factores naturales? No. ¿Son las emisiones de la humanidad la razón del aumento de la temperatura? Sí”.