Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie.
Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics)
Číslo 41 – vyšlo 12. listopadu, ročník 19 (2021)
© Copyright Aldebaran Group for Astrophysics
Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno.
ISSN: 1214-1674,
Email: bulletin@aldebaran.cz

Nobelova cena za simulace složitých systémů

Petr Kulhánek

Nobelova cenaNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. je považována za nejprestižnější ocenění vůbec. Poprvé byla udělena v roce 1901, kdy první Nobelovu cenu za fyziku převzal Wilhelm Conrad Röntgen – objevitel paprsků X. Udělování má svá pravidla: Oceněna může být maximálně trojice laureátů, nominace na ceny v daném roce musí být podány v průběhu ledna a cena smí být udělena jen žijícím osobnostem. Posmrtně může být udělena jen tehdy, pokud laureát zemřel v období mezi říjnovým vyhlášením cen a jejich předáním dne 10. prosince u příležitosti výročí Nobelova úmrtí. Taková situace ale při udělování Nobelových cen za fyziku zatím nenastala. Ceny nebyly udělovány v době hluboké hospodářské krize a v obdobích válek, konkrétně v letech 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 a 1942. Za fyziku bylo do roku 2021 včetně rozděleno celkem 115 cen, z toho 47 cen jedinému nositeli, 32 cen dvojici a 36 cen trojici. Celkem tedy bylo uděleno 219 cen, oceněných fyziků ale bylo jen 218, neboť John Bardeen získal Nobelovu cenu za fyziku dvakrát – poprvé v roce 1956 za spoluobjevení tranzistorového jevu a podruhé v roce 1972 za teoretický popis supravodivosti (takzvanou BCS teoriiBCS teorie – na konci 50. let 20. století vytvořili John Bardeen, Leon Cooper a John Robert Schrieffer teorii supravodivosti založenou na myšlence párování elektronů s opačným spinem a směrem pohybu. Tyto páry elektronů (tzv. Cooperovy páry) se chovají jako bosony a mohou za nízké teploty sdílet přesně stejnou deformaci v krystalické mřížce (fonon). Díky tomu se chovají jako koherentní makroskopická kapalina. Při energiích vyšších než prahová energie je tento koherentní stav narušen teplotními excitacemi o energii kT. Za tuto teorii obdrželi v roce 1972 Nobelovu cenu za fyziku. pojmenovanou podle Bardeena, Coopera a Schrieffera). Také Marie Curieová získala dvě Nobelovy ceny, ale jen jednu za fyziku (1903). Druhou cenu si odnesla v roce 1911 za chemii. Nejmladším nositelem se stal Lawrence Bragg, ktrerý cenu převzal v roce 1915 spolu se svým otcem Williamem za výzkum krystalových struktur pomocí ohybu rentgenových paprsků. Lawrencovi Braggovi bylo při převzetí ceny pouhých 25 roků. Naopak nejstarším nositelem Nobelovy ceny se stal Arthur Ashkin – cenu převzal v roce 2018 ve svých 96 letech za vynález optické pinzetyOptická pinzeta – laserové zařízení pro manipulaci s průsvitnými mikroskopickými objekty. Fokusovaný laserový paprsek vytváří optickou past, ve které lze objekt držet jako v pinzetě. Posunováním paprsku se přemísťuje i vybraný objekt. Laserový paprsek vytváří malou sílu (obvykle v řádu piconewtonů), v závislosti na relativním indexu lomu mezi částicemi a okolním médiem. K optické levitaci dochází tehdy, pokud síla světla překoná gravitační sílu. Zachycené částice mají obvykle velikost mikronů nebo menší..

Ty tam jsou doby, kdy se fyzikální obec dělila na experimentátory a teoretiky. S rozvojem výpočetní techniky stále sílila skupina numerických simulantůPočítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů., bez nichž si dnes už fyzikální výzkum neumíme představit. A právě s touto skupinou souvisí letošní Nobelova cena za fyziku. Extrémně složité fyzikální systémy je totiž možné zkoumat pouze experimentálně a numericky. Rozsáhlé počítačové simulace využívají největších superpočítačů světa. K nejrobustnějším výpočtům vůbec patří například simulace vesmírných struktur Illustris. Letošní Nobelova cena byla udělena právě za rozsáhlé numerické simulace umožňující pochopení složitých fyzikálních systémů. Polovinu ceny získal italský teoretik Giorgio Parisi za objev důležité role neuspořádanosti a fluktuací systémů od atomárních až po planetární škály. Parisi prováděl rozsáhlé Monte CarloMonte Carlo – skupina numerických metod využívající náhodná čísla a náhodné procesy. Ke nejznámějším patří například Metropolisova metoda. simulace chování spinových skelSpinové sklo – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasické sklo. Vazbová energie sousedních magnetických momentů se mění náhodně místo od místa., velmi zvláštních magnetických materiálů, v nichž se vazba mezi sousedními spiny mění od místa k místu. Spinová skla při změně teploty procházejí několika fázovými přechody, jejichž numerické sledování umožňuje odhalit vztah mezi mikroskopickým chaosem a makroskopickými vlastnostmi. Parisi při numerických simulacích využíval mnoho replik popisovaného systému. Postupy používané v materiálové vědě lze beze změny aplikovat i v matematice, biologii, při popisu neuronových sítí a umělé inteligence. Druhá polovina ceny byla udělena dvojici fyziků za numerické simulace atmosférických jevů, konkrétní, poněkud šroubovaná formulace byla „za fyzikální modelování zemského klimatu a za kvantifikaci proměnlivosti a spolehlivosti při předpovídání globálního oteplování“. První z klimalaureátů, japonský klimatolog Syukuro Manabe (nyní pracuje v USA), vyvinul již v 60. letech dvacátého století modely popisující souvislost mezi zvyšováním obsahu CO₂ v zemské atmosféře a teplotou na povrchu Země. Studoval vzájemný vztah mezi zářivým ohřevem atmosféry a svislým transportem vzdušných mas. Jeho práce se staly základem současného klimatologického dogmatu. Druhým klimalaureátem je německý oceánolog Klaus Hasselmann, který v 70. letech modeloval vztah mezi počasím (krátkodobými atmosférickými změnami s chaotickou povahou) a klimatem (dlouhodobými změnami podnebí). Vyvinul metody identifikace zdrojů změny klimatu, jak přírodních, tak souvisejících s lidskou aktivitou.

2D model jednoduchého spinového skla. Nalevo je základní mříž, kroužky jsou jednotlivé spiny, modré spojnice představují feromagnetické vazby, červené antiferomagnetické. Napravo je potom ukázka vyhodnocení numerické simulace – zelené kroužky jsou body pomocné (duální) mříže, vzniklé domény jsou označeny šedou barvou, jejich hranice čárkovanou linií. Zdroj: MDPI Entropy, A. Hartmann a kol.

Medaile předávaná při převzetí Nobelovy ceny

Nobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela.

Počítačová simulace – napodobení skutečnosti pomocí numerického výpočtu, nezbytná součást modelování fyzikálních procesů. Dokáže na základě sofistikovaných algoritmů předpovědět jak kvantitativní, tak kvalitativní výsledky pokusů při různých počátečních podmínkách. Umožňuje omezit výběr jevů, které celý pokus ovlivňují nejvíce, a tím vysvětlit příčiny a podstatu procesů.

Spinové sklo – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasické sklo. Vazbová energie sousedních magnetických momentů se mění náhodně místo od místa.

Počasí – soubor fyzikálních veličin popisující stav atmosféry v daném místě a čase (tlak, teplota, vlhkost vzduchu, oblačnost, ...). Počasí studuje meteorologie, snaží se také o předpověď počasí, tedy na základě znalosti počasí v okolí pozorovaného místa předpovědět vývoj počasí v příštích hodinách, někdy i dnech.

Podnebí – neboli klima. Dlouhodobá chrakteristika počasí, opírá se o dlouhodobé průměry teploty (v daném ročním období), srážkové úhrny, atp. Typicky se jedná o průměrování za období několika desítek let, dělají se ale i průměry za 10 000 let. Anglické přísloví: „Podnebí je to co očekáváme, počasí to, co máme“.

Giorgio Parisi (*1948)

Italský teoretický fyzik, který se zabývá kvantovou teorií pole a statistickou fyzikou – složitými systémy jak kvantové, tak klasické povahy. Přispěl k teoretickému popisu časového vývoje v kvantové chromodynamice (teorii silné interakce), k teorii chaosu a statistickým Monte CarloMonte Carlo – skupina numerických metod využívající náhodná čísla a náhodné procesy. Ke nejznámějším patří například Metropolisova metoda. simulacím spinových skel. Právě tyto simulace, které jsou obecným algoritmem použitelným i v jiných vědních odvětvích, mu zajistily udělení Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2021. Za svůj výzkum získal polovinu této ceny, druhá polovina byla udělena za klimatický výzkum. Parisi vystudoval Univerzitu v Římě, vedoucím jeho doktorské práce byl Nicola Cabbibo, objevitel mixáže hmotových stavů kvarků. Parisi poté pracoval v řadě institucí. Profesorem teoretické fyziky se stal v roce 1981. V letech 2018 až 2021 zastával pozici prezidenta Italské akademie věd (Accademia dei Lincei). Parisi je nositelem celé řady cen a medailí, z nich k nejvýznamnějším patří Boltzmannova medaile (1992), Diracova medaile (1999), cena Enrica Fermiho (2002), Lagrangeova cena (2009), medaile Maxe Plancka (2011), Wolfova cena (2021) a samozřejmě Nobelova cena (2021).

Giorgio Parisi (*1948)

Syukuro Manabe (*1931)

Japonsko-americký klimatolog a meteorolog. Je průkopníkem ve využití numerických simulací při studiu globálních klimatických změn. První modely vyvinul již v šedesátých letech dvacátého století. Zabývá se především vztahem mezi obsahem CO₂ v zemské atmosféře a oteplováním Země. Vystudoval v Japonsku na Tokijské univerzitě. Po získání doktorátu se přestěhoval do Spojených států, kde pracoval v U. S. Weather Bureau (dnes součást NOAANOAA – National Oceanic and Atmospheric Administration. Americká federální organizace pro sledování oceánů a atmosféry. Její kořeny sahají až do roku 1807. Dnes má za úkol nejenom sledování počasí a klimatických změn, ale i výzkum kosmického počasí, vztahu Země a Slunce a výzkum oceánů. K tomu využívá NOAA velké množství družic.). V letech 1997 až 2001 pracoval v Japonsku jako ředitel Divize pro výzkum globálního oteplování. V roce 2002 se vrátil do USA, kde v Princetonu pracuje dodnes. Za svou práci získal řadu ocenění, je například prvním nositelem ceny Modrá planeta (1995) nebo Crawfordovy ceny za geofyziku (2018). V roce 2021 získal spolu s Klausem Hasselmannem polovinu Nobelovy ceny za fyziku, a to za klimatologické simulace. Druhá polovina byla udělena Giorgio Parisimu za výzkum složitých neuspořádaných systémů, zejména spinových skelSpinové sklo – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasické sklo. Vazbová energie sousedních magnetických momentů se mění náhodně místo od místa..

Syukuro Manabe (*1931)

Klaus Hasselmann (*1931)

Německý oceánolog a specialista na numerické modelování. V numerických simulacích ukázal, jak se chaotické procesy spojené s náhodnými změnami počasíPočasí – soubor fyzikálních veličin popisující stav atmosféry v daném místě a čase (tlak, teplota, vlhkost vzduchu, oblačnost, ...). Počasí studuje meteorologie, snaží se také o předpověď počasí, tedy na základě znalosti počasí v okolí pozorovaného místa předpovědět vývoj počasí v příštích hodinách, někdy i dnech. odrazí na dlouhodobých změnách klimatuPodnebí – neboli klima. Dlouhodobá chrakteristika počasí, opírá se o dlouhodobé průměry teploty (v daném ročním období), srážkové úhrny, atp. Typicky se jedná o průměrování za období několika desítek let, dělají se ale i průměry za 10 000 let. Anglické přísloví: „Podnebí je to co očekáváme, počasí to, co máme“.. Při popisu náhodných polí v klasické fyzice využil techniku Feynmanových diagramů z kvantové teorie pole. Hasselmann vystudoval na Hamburské univerzitě, kde obhájil diplomovou práci věnovanou turbulencím. Doktorát získal na Göttingenské univerzitě ve spolupráci s Institutem Maxe Plancka pro tekutinovou dynamiku. V letech 1961 až 1964 pracoval na Kalifornské univerzitě ve Spojených státech. V roce 1966 se stal profesorem na Hamburské univerzitě. Byl prvním ředitelem Meteorologického ústavu Institutu Maxe Plancka (1975 až 1999). Zastává řadu významných funkcí v klimatologických organizacích. Za svou práci získal řadu medailí a ocenění, například Svedrupovu medaili Americké meteorologické společnosti (1971), Symonsovu medaili Královské meteorologické společnosti (1997) nebo medaili Wilhelma Bjerknese Evropské geofyzikální společnosti (2002). Nejvýznamnějším oceněním je polovina Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2021, kterou získal spolu s Syukuro Manabem za klimatologické simulace. Druhá polovina byla udělena Giorgio Parisimu za výzkum složitých neuspořádaných systémů, zejména spinových skelSpinové sklo – magnetický materiál, který má za nízkých teplot chaotickou orientaci magnetických momentů. Jejich uspořádání připomíná klasické sklo. Vazbová energie sousedních magnetických momentů se mění náhodně místo od místa..

Klaus Hasselmann (*1931)

Odkazy