Le prix Nobel de physique de cette année récompense les travaux sur les systèmes complexes sous-jacents au changement climatique

Du niveau atomique au niveau planétaire, ces trois scientifiques ont trié le sens du chaos.

Le prix Nobel de physique 2021 a été décerné à Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann et Giorgio Parisi pour leurs contributions à la compréhension des systèmes physiques complexes, tels que le climat terrestre, ainsi que le phénomène du changement climatique. Manabe et Hasselmann se partagent la moitié du prix et Parisi a reçu l’autre moitié.

Les systèmes de matière de l’univers semblent presque miraculeusement complexes, et encore plus étonnante que leur complexité est leur apparente simplicité. Même quelque chose d’aussi banal que le bulletin météorologique est une partie inestimable d’une série de prédictions basées sur des millions d’années de modèles. Manabe, Hasselmann et Parisi ont trié le chaos d’un environnement en constante évolution pour trouver des modèles fiables, séparant le signal du bruit et trouvant une structure dans le caractère aléatoire du niveau atomique au niveau planétaire. Manabe et Hasselmann ont remporté le prix pour leurs travaux sur la modélisation physique du climat de la Terre et la prévision fiable du réchauffement climatique ; Parisi a découvert des modèles cachés dans des systèmes désordonnés et complexes qui permettent de décrire des phénomènes apparemment aléatoires à travers ces règles.

Syukuro Manabe, météorologue et climatologue à l’Université de Princeton, a montré comment des concentrations plus élevées de dioxyde de carbone dans notre atmosphère entraînent une augmentation des températures à la surface de la Terre. En 1960, il a été le fer de lance des modèles climatiques physiques, devenant la première personne à sonder l’interaction entre le bilan radiatif (rayonnement entrant ou sortant de la planète) et le mouvement vertical des masses d’air dans l’atmosphère. En travaillant avec un modèle simplifié, Manabe a découvert que les niveaux de dioxyde de carbone augmentaient la température de surface globale de plus de 2°C, tandis que l’oxygène et l’azote n’avaient pratiquement aucun effet sur elle.

Ce modèle a vérifié que le dioxyde de carbone, par opposition au rayonnement solaire, provoquait cette augmentation de la température de surface : les températures proches du sol augmentaient tandis que les températures atmosphériques diminuaient. Si ce changement était dû au rayonnement solaire, l’atmosphère entière devrait se réchauffer simultanément. À partir de cette idée, Manabe est passé à un modèle tridimensionnel révolutionnaire, qu’il a publié en 1975.

Alors que Manabe se concentrait sur le dioxyde de carbone dans l’atmosphère, Hasselmann, professeur à l’Institut Max Planck de météorologie, fixait son regard sur le climat et la météo. Le temps fluctue énormément chaque jour, alors que le climat est la moyenne des conditions météorologiques. Parce que le temps varie si rapidement, il est difficile à calculer. Environ dix ans après Manabe, Hasselmann a créé un modèle météorologique stochastique, c’est-à-dire un modèle qui tient compte du hasard. Mais il est allé plus loin : il a également développé des méthodes pour tenir compte de l’impact humain sur le climat. Ces méthodes ont permis aux chercheurs de lier le climat, la météo et l’intervention humaine dans des modèles climatiques complexes.

Vers 1980, Giorgio Parisi, physicien théoricien à l’Université La Sapienza de Rome, a démontré un plus grand principe sous-jacent à des systèmes comme le climat, montrant que le caractère aléatoire de certains phénomènes dément un réseau de règles cachées. Parisi a exploré la nature d’un type particulier de matière appelé verre de spin. Le verre filé est un alliage, un métal composite constitué de deux ou plusieurs éléments métalliques. Par exemple, un type de verre de spin est constitué d’atomes de fer mélangés au hasard dans une grille d’atomes de cuivre. Ces quelques atomes de fer altèrent les propriétés magnétiques globales du matériau. Chaque atome se comporte comme un aimant, ou un spin, et généralement tous les spins pointent dans la même direction. Mais dans le verre de spin, le spin est frustré, ce qui signifie que certaines paires de spins veulent pointer dans une direction tandis que d’autres paires veulent pointer dans la direction opposée. Dans son livre, Parisi compare ce comportement atomique à une tragédie de Shakespeare. Pensez à Roméo et Juliette : alors qu’ils s’aiment, chacun reçoit des signaux opposés de sa famille pour mépriser l’autre. Leur attirance est contrecarrée par la famille qui les tire dans des directions différentes.

Le verre de spin est la base de nombreux modèles complexes, et en 1979 Parisi a appliqué ce qu’on appelle une astuce de réplique à un problème de modèle de verre de spin. Un tour de réplique est une technique mathématique qui traite plusieurs répliques d’un système à la fois, ce qui était impossible pour la physique. Parisi a trouvé une structure clandestine dans les répliques et l’a utilisée pour résoudre un problème de verre tournant. Ses travaux sur le verre de spin ont modifié non seulement la physique, mais aussi les mathématiques, la biologie, les neurosciences et l’apprentissage automatique. Cette recherche porte également sur le système climatique.

Le Comité Nobel a souligné que le prix de cette année reconnaît non seulement d’énormes contributions scientifiques, mais exhorte également les dirigeants mondiaux à agir rapidement pour prévenir d’autres effets du changement climatique. “Nous devons agir maintenant de manière très rapide”, a commenté Parisi lors de la conférence de presse.

Les prix Nobel sont décernés chaque année en octobre dans un certain nombre de catégories ; les principaux en science sont la médecine et la physiologie, la physique et la chimie. Le prix de physique de l’année dernière a été décerné à Roger Penrose pour sa découverte que la formation de trous noirs est une prédiction robuste de la théorie générale de la relativité, et à Reinhard Genzel et Andrea Ghez pour la découverte d’un objet compact supermassif au centre de notre galaxie.

Leave a comment