Los sistemas complejos explican el clima y los fenómenos emergentes a gran escala

El premio Nobel de Física de 2021 ha sido otorgado a tres científicos por “sus contribuciones revolucionarias en la comprensión de los sistemas físicos complejos”; una mitad del premio ha correspondido a Giorgio Parisi por el “descubrimiento de la interacción del desorden y las fluctuaciones en los sistemas físicos desde la escala atómica a la planetaria” y la otra mitad ha sido otorgado conjuntamente a Syukuro Manabe y Klaus Hasselmann “por la modelización física del clima terrestre, cuantificando la variabilidad y dando una predicción fiable del calentamiento global”. El Premio Nobel es, pues, para el estudio de la Física de los Sistemas Complejos, un campo relativamente novedoso. Desde el año 2007, el CSIC dispone de un instituto específico dedicado al estudio de estos sistemas: el Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC), centro mixto del CSIC y la Universidad de las Islas Baleares.

En un artículo de 1999, Giorgio Parisi discutía que recientemente los físicos se habían interesado en estudiar el comportamiento complejo y que el resultado ha sido una revolución conceptual. Discutía que en Física la palabra predicción tiene un papel fundamental, pero que su significado ha cambiado en el pasado y sigue cambiando. Se refiere a tres revoluciones que han modificado ese significado: i) la introducción de la mecánica estadística, 2) la mecánica cuántica y 3) el estudio de los sistemas complejos.

Parisi argumenta que en esta última revolución la palabra predicción tiene un sentido más débil, pero más general y que la consecuencia positiva de ello es que los temas objeto del estudio de la Física son ahora mucho más amplios y que las construcciones (conceptos, modelos, herramientas) tienen ahora muchas más aplicaciones. De hecho, algo importante en común a las dos partes del premio es el análisis aportado que ayuda a mejorar la comprensión de la variabilidad y las fluctuaciones en la capacidad de predicción de los modelos.

Entendemos por sistema complejo aquél compuesto por muchos elementos en interacción en los que emergen fenómenos colectivos que no pueden ser inferidos de las propiedades de sus elementos constituyentes. Emergen fenómenos a gran escala desde las interacciones a pequeña escala. Complejidad viene de plexus en latín que indica que no es separable en sus componentes. El estudio de sistemas complejos no es pues sobre elementos sino sobre procesos. El desarrollo pionero de estos conceptos se debe a Philip Anderson, también Nobel en Física en 1977. En su famoso artículo de 1972, “More is different”, Anderson afirmaba que la hipótesis reduccionista no implica de manera alguna una hipótesis construccionista y que la habilidad de reducir todo a simples leyes fundamentales no implica la habilidad de empezando de esas leyes ser capaces de reconstruir el universo.

Este problema general, el paradigma de la conexión micro-macro, tiene un largo anclaje en la Física, basta recordar los trabajos de Maxwell y Boltzmann en el siglo XIX para recuperar la termodinámica desde la hipótesis atomista. En Física surgen propiedades emergentes a muchas escalas desde el mundo cuántico, a materiales magnéticos como imanes y materiales cristalinos, la interacción atmósfera-océano y el clima, etc. Es más, los fenómenos emergentes aparecen en muchos sistemas fuera del campo habitual de estudio de la Física. Por ejemplo, como observó el propio Parisi, cuando vuelan las bandadas de estorninos dan lugar a patrones ondulatorios que provienen de la interacción entre pájaros. El cerebro está compuesto por neuronas, pero la mente y la conciencia son fenómenos emergentes de la interacción entre ellas. Y aun se puede ir más allá, los seres humanos somos individuales pero la sociedad (las normas e instituciones sociales, la cultura y la lengua o la economía) es un fenómeno emergente.

Además de la emergencia, otro concepto fundamental en los sistemas complejos, que aparece en las dos partes del premio Nobel de este año, son los fenómenos multiescala y de invariancia de escala. El acoplamiento de las interacciones a distintas escalas es fundamental en el estudio del clima, por ejemplo. En la presentación del comité del premio se planteaban preguntas como: ¿cuánto detalle se necesita para explicar las observaciones?, ¿Debemos seguir cada molécula de agua para explicar el océano?, ¿Qué escalas son importantes para ver qué fenómenos emergen? La invariancia de escala es la propiedad esencial de los fenómenos críticos en las transiciones de fase y ello aparece en muchos fenómenos complejos.

Yendo más en detalle, Giorgio Parisi ha desarrollado su carrera en la Universidad de Roma La Sapienza. Ha trabajado en muchos aspectos de la Física de los Sistemas Complejos, por mencionar algunos están las transiciones de fase, las interfaces para las que propuso junto con otros colegas la ecuación KPZ, aún hoy un paradigma en el área, sus estudios en resonancia estocástica y, sobre todo, la solución con ruptura de simetría entre réplicas para las ecuaciones de los sistemas de vidrio. Estos últimos constituyen como demuestra su solución una nueva fase de la materia en que la evolución sucede a cámara lenta, ejemplos son los vidrios de las ventanas o los glaciares, que en realidad son líquidos y continúan fluyendo. Un concepto fundamental en estos estudios de sistemas desordenados, vidrios de spin y materiales granulares, es el de frustración asociado a la no existencia de un estado fundamental bien definido. Sus implicaciones sobre la rotura de ergodicidad (réplicas) han influenciado la investigación en muchos ámbitos de los sistemas complejos. La otra mitad del premio se ha otorgado a la modelación física del clima y al desarrollo de los primeros modelos climáticos. Syukuro Manabe nació en Japón y ha trabajado sobre todo en los Estados Unidos. Manabe protagonizó el desarrollo de los primeros modelos climáticos a finales de los 60 y su uso pionero en cambio climático, proyectando la respuesta del clima a las concentraciones de CO2 atmosférico.

Esta parte del premio ha sido compartida con Klaus Hasselmann, alemán de nacimiento y que ha desarrollado su carrera en Hamburgo donde fundó el Instituto Max Planck de Meteorología. Hasselmann contribuyó a dar solidez a los modelos climáticos analizando la interacción multiescala entre la atmósfera y el océano desde la perspectiva de la Física Estadística, avanzando en la comprensión de su capacidad predictiva. Ambos han contribuido a establecer las bases físicas del sistema climático y han sido pioneros en el desarrollo de los modelos climáticos que se usan en la actualidad en grandes colaboraciones internacionales para elaborar proyecciones del clima en distintos escenarios de cambio climático. Estas proyecciones son la base del reciente informe del Panel Intergubernamental sobre Cambio Climático (IPCC, según sus siglas en inglés), grupo de Trabajo I (bases físicas del cambio climático. Con este premio la Academia contribuye a reforzar la solidez científica de este informe en vísperas de la celebración de la decisiva COP-26.

Finalmente, algo importante a resaltar de este premio Nobel es su reconocimiento al trabajo interdisciplinar de pioneros de los sistemas complejos con contribuciones de gran impacto más allá de la Física tradicional. Se reconoce el uso de metodologías comunes para fenómenos con causas comunes en sistemas muy distintos y a escalas muy variadas. Con la contribución de Manabe y Hasselmann se pasa de variables locales en el mar o la atmósfera a la evolución del clima de todo el planeta y, como indica la propia Academia sueca, las contribuciones de Parisi permiten entender y describir muchos fenómenos aparentemente diferentes entre sí, no sólo en Física, sino también en muchas otras áreas distintas como las Matemáticas, Biología, Neurociencia e Inteligencia Artificial.

José Javier Ramasco Sukia y Maxi San Miguel Ruibal son investigadores del Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos (IFISC-CSIC-UIB), José Manuel Gutiérrez Llorente es investigador del Instituto de Física de Cantabria (IFCA-CSIC-UC).

Este análisis se puede publicar y distribuir libremente siempre que se cite la autoría y se incluya un enlace a www.csic.es.