今年の物理学賞は気候変動の根底にある複雑なシステムに関する研究を称える

2021年のノーベル物理学賞は、地球の気候や気候変動現象などの複雑な物理システムの理解に貢献したとして、真鍋淑郎、クラウス・ハッセルマン、ジョルジョ・パリシの3人に授与された。真鍋とハッセルマンは賞金の半分を分け合い、パリシは残りの半分を受け取った。

宇宙の物質体系は、ほとんど奇跡的なほど複雑に見えますが、その複雑さよりもさらに驚くべきは、その見かけの単純さです。天気予報のようなありふれたものでさえ、何百万年にも及ぶパターンに基づく一連の予測の、計り知れないほど複雑な部分です。マナベ、ハッセルマン、パリシは、常に進化する環境の混沌を整理して信頼できるパターンを見つけ、ノイズから信号を分離し、原子レベルから惑星レベルまでのランダム性の中に構造を見出しました。マナベとハッセルマンは、地球の気候の物理的モデリングと地球温暖化の信頼できる予測に関する研究で受賞しました。パリシは、無秩序で複雑なシステムに隠れたパターンを発見し、これらのルールを通じて一見ランダムな現象を記述できるようにしました。

プリンストン大学の気象学者で気候学者の真鍋淑郎は、大気中の二酸化炭素濃度の上昇が地球表面温度の上昇につながることを明らかにしました。1960 年、真鍋は物理気候モデルの先頭に立って、放射バランス (地球に流入する放射と地球から流出する放射) と大気中の気団の垂直移動の相互作用を初めて調査しました。単純化されたモデルを使用して、真鍋は二酸化炭素レベルが地球表面温度を 2°C 以上上昇させたのに対し、酸素と窒素は実質的に影響を及ぼさないことを発見しました。

このモデルは、地表温度の上昇の原因が太陽放射ではなく二酸化炭素であることを証明しました。つまり、地表近くの温度が上昇し、大気の温度が下がったのです。この変化が太陽放射によるものであれば、大気全体が同時に温まるはずです。この洞察から、真鍋氏は画期的な 3 次元モデルへと進み、1975 年にそれを発表しました。

[関連: 温度や触感の感じ方を解析した研究者にノーベル賞]

真鍋が大気中の二酸化炭素に注目していた一方で、マックス・プランク気象研究所の教授であるハッセルマンは気候と天気に目を向けていた。天気は毎日大きく変動するが、気候は気象条件の平均である。天気は急速に変化するため、計算が難しい。真鍋の約 10 年後、ハッセルマンは確率的気象モデル、つまり偶然を考慮したモデルを作成した。しかし、彼はさらに一歩進んで、気候に対する人間の影響を考慮する方法も開発した。これらの方法により、研究者は気候、天気、人間の介入を複雑な気候モデルに結び付けることができるようになった。

1980 年頃、ローマのラ・サピエンツァ大学の理論物理学者ジョルジョ・パリシは、気候などのシステムの根底にあるより偉大な原理を実証し、いくつかの現象のランダム性は、隠れたルールの網の目とは相容れないものであることを示した。パリシは、スピン グラスと呼ばれる特定の種類の物質の性質を研究した。スピン グラスは合金であり、2 つ以上の金属元素でできた複合金属である。たとえば、スピン グラスの 1 つのタイプは、銅原子のグリッドに鉄原子がランダムに混ぜられたものである。これらの少数の鉄原子が、物質の全体的な磁気特性を変える。各原子は磁石、つまりスピンのように動作し、通常、すべてのスピンは同じ方向を向いている。しかし、スピン グラスでは、スピンはフラストレーション状態にあり、一部のスピン ペアは 1 つの方向を向こうとし、他のペアは反対方向を向こうとする。パリシは著書の中で、この原子の振る舞いをシェークスピアの悲劇に例えている。ロミオとジュリエットを考えてみよう。2 人は愛し合っているが、家族からは相手を軽蔑するようにという相反する信号を受け取っている。彼らの魅力は、家族が彼らを別々の方向に引っ張ることで妨げられています。

スピン グラスは多くの複雑なモデルの基礎であり、1979 年にパリシはレプリカ トリックと呼ばれるものをスピン グラス モデルの問題に適用しました。レプリカ トリックとは、システムの多数のレプリカを一度に処理する数学的手法で、物理学では不可能でした。パリシはレプリカに秘密の構造を発見し、それを使用してスピン グラスの問題を解決しました。彼のスピン グラスに関する研究は、物理学だけでなく、数学、生物学、神経科学、機械学習にも変化をもたらしました。この研究は、気候システムにも関連しています。

ノーベル委員会は、今年の賞は科学界の多大な貢献を認めるだけでなく、気候変動のさらなる影響を防ぐために世界の指導者に早急な行動を求めるものであると強調した。「我々は今、非常に迅速に行動しなければならない」とパリシ氏は記者会見で述べた。

ノーベル賞は毎年 10 月にさまざまな部門で授与されます。科学部門の主な賞は、医学・生理学、物理学、化学です。昨年の物理学賞は、ブラックホールの形成が一般相対性理論の確実な予測であることを発見したロジャー・ペンローズ氏と、銀河系の中心にある超大質量コンパクト天体の発見でラインハルト・ゲンツェル氏とアンドレア・ゲズ氏に贈られました。