Un Nobel de Física a los sistemas complejos
En la mañana de hoy se anunciaron los galardonados con el Premio Nobel de Física de este año, el cual será compartido entre tres científicos: Syukuro Manabe y Klauss Hasselmann, por sus contribuciones al estudio del clima de nuestro planeta y como este se ve influenciado por la actividad del hombre, así como a Giorgio Parisi por sus contribuciones a la teoría de los fenómenos aleatorios. Todos estrechamente vinculados al tema de los sistemas complejos.
Los sistemas complejos están compuestos por varias partes interconectadas o entrelazadas cuyos vínculos crean información adicional, no visible ante el observador, como resultado de las interacciones entre elementos. En ellos, a diferencia de otros sistemas donde basta con conocer las características de las partes, hace falta no solo conocer el funcionamiento de las partes, sino también el funcionamiento del sistema completo una vez relacionadas sus partes entre sí. La ciencia emplea diversos modelos matemáticos para describir estos sistemas que se encuentran en una gran cantidad de fenómenos. Sobre ellos, van los hallazgos que celebramos hoy.
El clima es algo complejo, y el efecto invernadero también
En ocasiones es común escuchar expresiones donde se emplea la palabra clima de forma incorrecta. Frases como: “el clima estará nublado mañana” hacen un mal uso de esta palabra, que no describe las características a corto plazo de una región determinada, como hace el llamado tiempo meteorológico. El clima proviene del análisis a través de un largo período de tiempo de elementos meteorológicos como: la temperatura, la presión, el viento, la humedad o las precipitaciones.
Para poder analizar el clima es de vital importancia el estudio de la atmósfera y de los fenómenos que en ella ocurren. Uno de los más importantes, y también de los más famosos, es el efecto invernadero. Este, a diferencia de lo que muchos creen, no se trata de fenómeno indeseado y negativo. La presencia de los llamados gases invernadero como son el dióxido de carbono, el metano y el vapor de agua de la atmósfera, es de vital importancia para preservar la temperatura del planeta. El problema viene cuando el nivel de estos gases sale de los niveles normales.
Quizás te sorprenda, pero el gas que más contribuye al efecto invernadero es el vapor de agua, sin embargo, la concentración de este en el aire tiene una fuerte dependencia con la temperatura y no tanto con la acción humana, a diferencia del dióxido de carbono del que sí liberamos enormes cantidades cada año. El efecto que tiene la presencia de este gas fue estudiado en los años 50 por el físico japonés Syukuro Manabe, el cual desarrolló un modelo físico que analizaba el movimiento de las masas de aire durante el proceso de convección. Así, después de muchas horas de cálculos pudo determinar que en verdad el dióxido de carbono tenía un papel fundamental en la temperatura. Tal era el caso que bastaba con que la concentración de ese gas se duplicara para que la temperatura global aumentara 2°C (Figura # 1). Estos hallazgos de Manabe al intentar modelar la complejidad que hay en estos fenómenos fueron un paso fundamental en el estudio y la comprensión del clima.
Modelando nuestra culpa
Ya habíamos hablado que el tiempo meteorológico y el clima se refieren a dos tipos distintos de análisis. Justamente, Klaus Hasselmann es uno de los científicos que se dedicó a establecer un vínculo entre estas variables, a partir del estudio del comportamiento caótico de las mismas. Bien sabemos lo impredecible que puede resultar el clima y lo impreciso que resultan los pronósticos que se realizan al respecto, lo cual puede explicarse por la naturaleza compleja que presenta.
Hasselmann observó, empleando de modelos estocásticos, que son aquellos capaces de analizar las variaciones aleatorias, cómo cambios rápidos en la atmósfera podían causar cambios a largo plazo en el océano. Esto luego le permitió poder analizar hasta qué punto estaba el calentamiento global causado por la emisión de fuentes humanas o era producto de fenómenos naturales como erupciones volcánicas. Los resultados, como podemos observar en la figura son una clara advertencia del efecto que estamos causando como civilización sobre el medio ambiente.
No es sorprendente que en un mundo movido por el dinero y el interés económico, a pesar de tanta evidencia científica acumulada y tantas advertencias por parte de la comunidad científica, exista tanto negacionismo, indiferencia e irresponsabilidad respecto al problema global que enfrentamos. Esperemos que este premio, además de reconocer la importancia de las investigaciones realizadas al respecto sirva para mostrar la urgencia de la crisis climática.
Entendiendo mejor el desorden
Giorgio Parisi encontró alguna de las reglas ocultas que rigen los fenómenos aleatorios y su trabajo está entre las contribuciones más importantes a la teoría de los sistemas complejos. Su estudio del llamado vidrio de espín, un sistema donde las propiedades magnéticas se comportan de forma muy aleatoria cuyo estudio según Parisi es como mirar una de las tragedias de Shakespeare. Esto se debe a la llamada frustración en que se encuentran los espines, la cual trae consigo que el sistema sea incapaz de hacer mínimas las interacciones que presenta.
Parisi empleando un método matemático conocido como truco de réplicas demostró como este podía servir para resolver el problema de los vidrios de espín. Aunque tomó varios años demostrar que su solución era matemáticamente correcta, su método se volvió de vital importancia en el estudio de la teoría de los sistemas complejos, aplicándose no solo al problema inicial, también a otras ramas como la biología, las neurociencias y las matemáticas. Sin dudas una herramienta fundamental para comprender el commplejo mundo en que vivimos.