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Autor
Miguel Ángel Fernández Sanjuán. Catedrático de Física. Director del Grupo de Dinámica No Lineal, Teoría del Caos y Sistemas Complejos. Universidad Rey Juan Carlos

Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann y Giorgio Parisi: Premio Nobel de Física 2021

Con la concesión del Premio Nobel de Física de 2021, la Real Academia de Ciencias de Suecia ha reconocido por primera vez investigaciones sobre sistemas complejos. Por un lado, a Syukuro Manabe y a Klaus Hasselmann por haber establecido los fundamentos sobre los modelos de predicción del clima de la tierra. Por otro lado, a Giorgio Parisi por sus revolucionarias contribuciones a la teoría de los fenómenos desordenados y aleatorios

Al contrario de lo que ha podido ocurrir en anteriores ocasiones donde el motivo de la concesión del premio se basaba en temas muy concretos, tales como haber encontrado exoplanetas (Premios Nobel 2019), o agujeros negros (Premios Nobel 2020), en este año la Real Academia de Ciencias de Suecia ha subrayado específicamente como motivo del galardón las “contribuciones innovadoras a nuestra comprensión de sistemas físicos complejos”.

No es en general sencillo definir qué entendemos por un sistema complejo, pero existen algunas características que nos ayudan a reconocerlos. Los sistemas complejos pueden de hecho tener un gran número de componentes que interactúan entre sí, o incluso ser gobernados por el azar. También pueden ser caóticos, como el clima, donde pequeñas variaciones en los valores iniciales pueden resultar en diferencias enormes en un tiempo posterior. La propia Academia Sueca ha resaltado que este tipo de sistemas vienen siendo estudiados por los físicos desde hace un par de siglos y pueden ser difíciles de describir matemáticamente. Sin duda se está refiriendo no a los estudios recientes sobre sistemas complejos y que se han difundido en numerosas disciplinas, sino genéricamente a la física estadística cuyos pioneros fueron James Clerk Maxwell, Ludwig Boltzmann y Josiah Willard Gibbs.

Una cuestión clave radica en la realidad física de que la variabilidad en los procesos básicos, desde la dinámica climática hasta los materiales frustrados, conduce a la emergencia de múltiples escalas de duración y tiempo y, por lo tanto, es fundamental para la interpretación de la teoría, la experimentación y la observación. “El todo es mayor que la suma de las partes”, como ya había apuntado Aristóteles, es el enunciado bajo el que descansa la emergencia. Algunas de las ideas y conceptos básicos a resaltar en esta metodología y forma de pensar que caracterizan gran parte del trabajo reconocido este año, son el desorden, la aleatoriedad o el ruido, así como la predictibilidad de los sistemas físicos. Y esto es aplicable ya sea a los vidrios de spin como a cualquier otro sistema estocástico complejo multiescala, como el clima. De hecho, es esencial entender que el ruido y el desorden influyen en todos los sistemas y puede determinar por completo el destino de algunos sistemas dinámicos no lineales. Por lo tanto, el concepto de predictibilidad es engañoso cuando se ignoran las causas subyacentes de la variabilidad inducida por el ruido.

Cuando exploramos los orígenes de los estudios sobre los sistemas complejos, nos encontramos a personajes como Warren McCulloch, que fue uno de los organizadores de las Conferencias Macy (1946-1953) de Nueva York. Estas fueron organizadas para comprender los mecanismos de feedback en los sistemas biológicos, tecnológicos y sociales, y constituyó uno de los primeros foros para promover la interdisciplinariedad.


Los Premios Nobel de Física 2021 nos enseñan por un lado que la física es más grande que lo que algunos podrían pensar, y este reconocimiento supone un verdadero impulso a esta parte de la física…

Warren McCulloch junto con Walter Pitts establecieron uno de los primeros modelos matemáticos neuronales, que el propio John von Neumann adaptó para el diseño lógico de los ordenadores. Ninguno de los desarrollos de los sistemas complejos tal y como los conocemos a día de hoy se habrían podido llevar a cabo sin el trabajo previo de Alan Turing y John von Neumann que condujeron al advenimiento de los ordenadores y a todo su impacto en la ciencia que conocemos. No podemos olvidar en esta pequeña reseña la enorme influencia que ejerció Edward Lorenz y su bien conocido sistema de Lorenz, uno de los ejemplos paradigmáticos del comportamiento caótico. Decisivas fueron también las contribuciones de Robert May, Tien-Yien Li y James Yorke en desarrollar la teoría del caos. De especial relevancia es asimismo la influencia de Phil W. Anderson, Premio Nobel de Física de 1977.

El clima terrestre es uno de los muchos sistemas complejos. Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann han sido galardonados por sus trabajos pioneros en desarrollar modelos climáticos y Giorgio Parisi por sus estudios teóricos en algunos sistemas complejos. Syukuro Manabe, climatólogo japonés asentado en la Universidad de Princeton, fue uno de los pioneros en establecer los modelos físicos del clima terrestre y fue el primero en explorar las interacciones entre el balance de radiación y el trasporte vertical de las masas de aire. Su trabajo establece los fundamentos del desarrollo posterior de los modelos climáticos. Klaus Hasselmann, oceanógrafo alemán del Instituto Max Planck de Meteorología de Hamburgo, creó un modelo que liga el clima y el tiempo atmosférico, dando respuesta a la cuestión de porque los modelos climáticos son fiables a pesar de la naturaleza caótica del tiempo. Además, desarrolló métodos para identificar la acción humana sobre el clima, tales como probar que el aumento de la temperatura en la atmosfera se debe a las emisiones de dióxido de carbono. Creó modelos estocásticos del clima, inspirados en el movimiento browniano que había estudiado Albert Einstein. El físico teórico italiano Giorgio Parisi, de la Universidad de la Sapienza de Roma, contribuyó a resolver numerosos problemas dentro de la teoría de sistemas complejos. Uno de los trabajos que la Comisión Nobel citó específicamente fue sobre vidrios de spin, donde su curiosidad le había llevado a esta cierta clase de aleación metálica con extrañas propiedades magnéticas. Se trata de una categoría de materiales desordenados, donde Parisi hizo el avance crucial que permitió resolver los modelos y, lo que es más importante, comprenderlos. La teoría de los vidrios de spin, y más generalmente de los sistemas desordenados, es un campo activo de investigación cuyo modelo básico se fundamenta en el modelo de Ising que habían desarrollado Sam Edwards y Phil Anderson en los años 70. Entre 1979 y 1983, Parisi desarrolló lo que haya sido probablemente su idea de mayor impacto: la rotura de la simetría de las replicas (Replica Symmetry Breaking (RSB)). De especial importancia asimismo son sus contribuciones en cuestiones relativas a la aleatoriedad, destacando las aplicaciones de la resonancia estocástica al clima, sus contribuciones a la naturaleza multifractal de la turbulencia, así como el poder de las fluctuaciones.

Sin duda, los galardonados de este año han hecho contribuciones innovadoras a nuestra comprensión de los sistemas físicos complejos en su sentido más amplio, desde lo microscópico hasta lo global, en diferentes escalas y con aplicaciones a numerosos campos de la ciencia. Este reconocimiento refleja la importancia de comprender los orígenes de la variabilidad, para poder comprender el comportamiento y la previsibilidad de un sistema. Es importante resaltar que el enfoque científico adoptado por científicos como Manabe, Hasselmann y Parisi, donde se hace imprescindible que uno abrace la incertidumbre, la variación e incluso la duda es de una profunda humildad. Una de las características fundamentales de este enfoque que aporta la física de sistemas complejos consiste precisamente en identificar los ingredientes fundamentales que realmente importan para comprender un problema y apreciar sus efectos en escalas de tiempo muy diferentes. Este enfoque choca con la idea tradicional de que para comprender un fenómeno sea necesario construir una representación fiel de todo el sistema físico que incluya tantos detalles finos como sea posible.

Los Premios Nobel de Física 2021 nos enseñan por un lado que la física es más grande que lo que algunos podrían pensar, y este reconocimiento supone un verdadero impulso a esta parte de la física, que como ya anunciaba Phil Anderson hace unas décadas está constituida por una gran fracción de físicos comprometidos en un tipo completamente diferente de investigación fundamental, trabajando en la frontera entre lo misterioso y lo entendido: la frontera de la complejidad.

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