Pesquisadores das mudanças climáticas ganham Nobel de física 2021

O Prêmio Nobel de Física de 2021 reconheceu contribuições fundamentais para a compreensão dos sistemas complexos. Metade do prêmio foi dado a Syukuro Manabe e Klaus Hasselmannn  “por sua modelagem física do clima da Terra, quantificando sua variabilidade e prevendo com confiança o aquecimento global“. A outra metade ficou com Giorgio Parisi, “por sua descoberta da interação entre desordem e flutuações nos sistemas físicos, na escala atômica à planetária“.

A física do aquecimento global

A oceanógrafa física Ilana Wainer, da Universidade de São Paulo, que estuda o clima realizando experimentos com modelos numéricos de alta complexidade, explica a importância das contribuições de Manabe.

Suki Manabe, como é conhecido no meio acadêmico, foi um dos pioneiros no aprimoramento de modelos numéricos para entender a física do clima. Seus trabalhos serviram de base ao desenvolvimento dos modelos acoplados do sistema terrestre que usamos hoje no IPCC (Painel Intergovernamental sobre Mudanças Climáticas). Eles estabeleceram princípios físicos fundamentais para entender e tentar prever as mudanças do clima nesse intrincado sistema terrestre que habitamos.

Especificamente, seus modelos permitiram testar a relação entre o aumento da concentração de CO2 na atmosfera e o incremento da temperatura. Quando os níveis de CO2 sobem, a temperatura se eleva na baixa atmosfera, mas diminui na alta atmosfera. Os experimentos numéricos feitos por Manabe permitiram estabelecer já na década de 1960 a importância de se reduzirem as emissões de CO2. Isso foi fundamental para permitir o avanço no entendimento das mudanças climáticas (altamente complexas), baseado em princípios sólidos da ciência.

Já o oceanógrafo Klaus Hasselmann descobriu como incorporar nos modelos de previsão climática às mudanças aleatórias que ocorrem a todo momento em variáveis atmosféricas, explica reportagem da revista Pesquisa Fapesp. Inspirado na teoria do movimento browniano, desenvolvida por Albert Einstein em 1905, Hasselmann criou um modelo climático que levava em conta essas variações. Também desenvolveu métodos para identificar o impacto humano no sistema climático.

A física dos materiais desordenados e outros sistemas complexos

A contribuição fundamental de Giorgio Parisi pela qual lhe foi atribuído o prêmio Nobel foi compreender e descrever matematicamente como uma ordem oculta emerge em sistemas desordenados como os vidros”, afirma físico brasileiro Lucas Nicolao, da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), que de 2010 a 2012 realizou um estágio de pós-doutorado com Parisi. Nicolao explica como a matéria em forma de vidro pode ser entendida.

Líquidos são caracterizados pela sua estrutura desordenada, compostos por um número muito grande de átomos ou moléculas se agitando, colidindo entre si e se difundindo através do líquido. Uma vez resfriado, esse estado da matéria (fase) sofre uma transição para um sólido cristalino, caracterizado pela sua estrutura ordenada – os átomos ou moléculas se organizam em uma estrutura periódica no espaço. Esses estados da matéria possuem propriedades emergentes (macroscópicas) muito diferentes, como sua habilidade de se deformar e sua rigidez. Alguns líquidos, quando resfriados muito rapidamente, não conseguem formar um cristal e formam um vidro – um estado caracterizado microscopicamente pela mesma estrutura desordenada de um líquido, porém rígido, com seus átomos ou moléculas difundindo lentamente em escalas de tempo astronômicas.

Spins são momentos magnéticos intrínsecos dos átomos, que em um material magnético usual, como um ímã, tendem a se alinhar na mesma direção, produzindo uma estrutura ordenada que concede ao ímã sua propriedade magnética macroscópica. Essa propriedade é perdida em altas temperaturas, onde spins individuais se agitam apontando em qualquer direção. Um vidro de spin é um material magnético não usual onde as interações entre spins são aleatórias – um spin tende a se alinhar com um spin vizinho, mas se anti-alinhar com outro. A presença dessas interações conflitantes leva ao fenômeno da frustração, em que um spin não consegue adotar uma direção que satisfaça simultaneamente todas interações entre seus spins vizinhos.

A teoria que Parisi desenvolveu na década de 1980 mostrou que, diferente da fase desordenada em altas temperaturas, regiões distantes do vidro de spin apresentam estruturas ou estados desordenados que não são estatisticamente equivalentes entre si. Isso porque são muitos os estados desordenados estáveis e é difícil ocorrer uma transição entre eles, o que também confere a esse material uma dinâmica lenta. Mais tarde essa teoria, chamada de quebra de simetria de réplicas, foi estendida para o estudo de vidros, materiais granulares como areia, e outros materiais desordenados.

Em todos esses casos, a presença de interações bastante simples, por vezes conflitantes, entre muitos elementos (microscópicos) leva ao surgimento de propriedades coletivas emergentes (macroscópicas) imprevisíveis. Por isso, logo essa teoria se consolidou como uma ferramenta versátil para estudar diversos fenômenos aparentemente aleatórios e ofereceu um cenário paradigmático para sistemas complexos, permitindo importantes avanços na neurociência, ciência da computação, ecologia, economia, redes sociais, entre outras áreas.

Créditos: Sociedade Brasileira de Física