รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ 2021: การทำนายระบบไร้ระเบียบ จากอะตอมถึงภาวะโลกร้อน

HIGHLIGHTS

นักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2021 ได้แก่ ซูคุโระ มานาเบะ (Syukuro Manabe), เคลาส์ ฮัสเซลมานน์ (Klaus Hasselmann) และ จอร์จิโอ พาริซี (Giorgio Parisi) ทั้งสามท่านศึกษาสิ่งที่เหมือนจะเป็นคนละขั้ว โดยฝั่งหนึ่งระดับอะตอม อีกฝั่งหนึ่งระดับดาวเคราะห์ แต่ท้ายที่สุดแล้วทั้งสองฝั่งมีคุณลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งร่วมกันคือ ความเป็น ‘ระบบซับซ้อน’

ระบบซับซ้อน คือระบบอะไรก็ตามที่มี ‘พฤติกรรมแบบสุ่ม (Randomness) และ ‘ความไร้ระเบียบ’ (Disorder) ดังนั้น จริงๆ แล้วระบบซับซ้อนก็คือสิ่งทั่วๆ ไปที่อยู่รอบๆ ตัวเรานี่เอง ชุมชนเมืองเป็นระบบซับซ้อน สิ่งมีชีวิตเป็นระบบซับซ้อน โลกก็เป็นระบบซับซ้อนเช่นกัน ดังนั้น การพยายามหาวิธีอธิบายระบบซับซ้อน และสร้างแบบจำลองมาทำนายพฤติกรรม จึงเป็นเรื่องยากมาก

เมื่อวันที่ 5 ตุลาคมที่ผ่านมา The Royal Swedish Academy of Sciences ได้ประกาศรายชื่อนักฟิสิกส์ที่ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 2021 ได้แก่ ซูคุโระ มานาเบะ (Syukuro Manabe), เคลาส์ ฮัสเซลมานน์ (Klaus Hasselmann) และ จอร์จิโอ พาริซี (Giorgio Parisi) ทั้งสามท่านศึกษาสิ่งที่เหมือนจะเป็นคนละขั้ว โดยฝั่งหนึ่งระดับอะตอม อีกฝั่งหนึ่งระดับดาวเคราะห์ แต่ท้ายที่สุดแล้วทั้งสองฝั่งมีคุณลักษณะสำคัญอย่างหนึ่งร่วมกันคือ ความเป็น ‘ระบบซับซ้อน’

ระบบซับซ้อน คือระบบอะไรก็ตามที่มี ‘พฤติกรรมแบบสุ่ม’ Randomness) และ ‘ความไร้ระเบียบ’ (Disorder) ดังนั้น จริงๆ แล้วระบบซับซ้อนก็คือสิ่งทั่วๆ ไปที่อยู่รอบๆ ตัวเรานี่เอง ชุมชนเมืองเป็นระบบซับซ้อน สิ่งมีชีวิตเป็นระบบซับซ้อน โลกก็เป็นระบบซับซ้อนเช่นกัน

การพยายามหาวิธีอธิบายระบบซับซ้อน และสร้างแบบจำลองมาทำนายพฤติกรรม จึงเป็นเรื่องยากมาก แต่ช่วงทศวรรษ 1980 พาริซีค้นพบว่าของที่ดูไร้ระเบียบอย่าง Spin Glass จริงๆ แล้วก็มีกฎระเบียบ คือมีรูปแบบบางอย่างแอบซ่อนอยู่

Spin Glass เป็นคำรวมๆ ที่ใช้เรียกโลหะเจือบางประเภท ที่อะตอมบางส่วนที่เจืออยู่มี ‘สปิน’ (แกนแม่เหล็กเล็กๆ ที่ฝังอยู่ในอนุภาคต่างๆ) ชี้ไปชี้มามั่วซั่ว ไม่มีทิศทางแน่นอน ตัวหนึ่งชี้ทาง อีกตัวชี้ทางอย่างไร้ระเบียบ

คุณลักษณะดังกล่าวทำให้นักฟิสิกส์เรียกวัสดุแบบนี้ว่า Glass เพราะเปรียบกับอะตอมในเนื้อแก้ว ซึ่งเรียงตัวมั่วซั่วไม่เป็นระเบียบ (ถ้าเป็นระเบียบจะเรียก ผลึก)

แกนสนามแม่เหล็กของอะตอมหนึ่งๆ จะส่งผลต่อแกนสนามแม่เหล็กอื่นที่อยู่รอบๆ ถ้าอยู่ใกล้ก็ส่งผลมากหน่อย ถ้าอยู่ไกลก็ส่งผลน้อยหน่อย สมมติว่าถ้าตอนเริ่มต้นทุกตัวต่างก็ชี้ไปชี้มาคนละทาง ท้ายที่สุดแกนสนามแม่เหล็กทุกตัวในระบบนี้ก็จะต้องขยับไปขยับมาจนกว่าจะลงตัว ลงเอยที่สภาวะสมดุลบางอย่าง ซึ่งมีความเป็นไปได้หลายแบบ และทำนายได้ยากมากจะลงเอยแบบไหน

แต่พาริซีค้นพบกฎทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายและทำนายพฤติกรรมของ Spin Glass ได้ แบบจำลองทางคณิตศาสตร์นี้มีความลึกซึ้งมาก จนสามารถนำไปเป็นรากฐานของการศึกษาระบบซับซ้อนของศาสตร์อื่นๆ ได้ด้วย เช่น ประสาทวิทยา และ Machine Learning

โลกของเราเองก็เช่นกัน นักวิทยาศาสตร์รู้กันมานานแล้วว่าแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์นั้นสามารถกักเก็บความร้อนได้ ฉะนั้น บรรยากาศของโลกมีแก๊สนี้เยอะขึ้น โลกก็น่าจะร้อนขึ้น แต่คำถามที่ตามมาคือ แล้วร้อนขึ้นเท่าไรล่ะ? ร้อนช้า? ร้อนเร็ว? ตอบเป็นตัวเลขแน่นอนได้หรือเปล่า?

โลกเป็นระบบซับซ้อน การเปลี่ยนแปลงปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศจะส่งผลกระทบเป็นลูกโซ่ต่อหลายสิ่งหลายปัจจัยยั้วเยี้ยไปหมด ฉะนั้น การจะทำนายภูมิอากาศเป็นเรื่องเป็นราวให้ได้อย่างน่าเชื่อถือนั้น แค่คิดก็หนาวแล้ว

งานวิจัยของ ‘ศ.สุกี้’ (ชื่อที่คนในวงการใช้เรียกมานาเบะ) ที่ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 1967 นั้นน่าทึ่งมาก เพราะท่านอธิบายเป็นหลักเป็นการด้วยตัวเลข ด้วยกราฟ ด้วยสมการเลยว่า คาร์บอนไดออกไซด์จะทำให้โลกร้อนขึ้นขนาดไหน

แล้วหลายสิบปีต่อมา โลกก็ร้อนขึ้นอย่างนั้นจริงๆ (สุดยอดมาก)

หลังจาก ศ.สุกี้ วางรากฐานไว้ไม่นาน ฮัสเซลมานน์ก็สามารถสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ ที่เชื่อมโยง ‘สภาพอากาศ’ ซึ่งแปรเปลี่ยนตลอดเวลา เข้ากับ ‘ภูมิอากาศ’ ซึ่งเปลี่ยนแปลงทีละน้อยได้ มาถึงตรงนี้บางคนอาจจะสงสัยว่า ‘ภูมิอากาศ’ (Climate) กับ ‘สภาพอากาศ’ (weather) แตกต่างกันอย่างไร?

สภาพอากาศ หมายถึง สภาวะของชั้นบรรยากาศ ณ ช่วงสั้นๆ ช่วงหนึ่ง เช่น เวลาบอกว่า ‘เช้านี้อากาศแจ่มใสจัง’ อันนี้เรากำลังคุยเรื่องสภาพอากาศ ส่วนภูมิอากาศ หมายถึง สภาพอากาศโดยเฉลี่ยรวมๆ ของพื้นที่หนึ่ง ตลอดช่วงเวลายาวๆ เช่นเวลาบอกว่า ‘ประเทศไทยอากาศร้อนชื้น’ อันนี้คือกำลังกล่าวถึงภูมิอากาศ

ผลงานของ ศ.สุกี้ และฮัสเซลมานน์ เป็นรากฐานสำคัญของการศึกษาภูมิอากาศอย่างเป็นวิทยาศาสตร์ มีคณิตศาสตร์และฟิสิกส์มารองรับ นับเป็นความสำเร็จอันยิ่งใหญ่อย่างหนึ่งของมนุษย์ในการเข้าใจโลกของเรา

จะว่าไปรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในนี้นับว่ามาถูกเวลามาก เพราะปลายเดือนนี้กำลังจะมีการประชุมระดับโลกของสหประชาชาติเรื่องการเปลี่ยนแปลงภูมิอากาศ โดยกลาสโกว์เป็นเจ้าภาพ (2021 United Nations Climate Change Conference) อีกทั้งระบบซับซ้อนเป็นวิทยาศาสตร์สาขาที่มาแรงที่สุดสาขาหนึ่งในยุคนี้ (ในประเทศไทยก็มีหน่วยวิจัยด้านระบบซับซ้อนเช่นกัน อาทิ หน่วยวิจัย Chula Intelligent & Complex Systems (chics.ai) ที่จุฬาลงกรณ์มหาวิทยาลัย) ซึ่งการทำนายและเข้าใจระบบที่ซับซ้อนนั้น กลายเป็นเครื่องมือสำคัญอย่างยิ่งที่ทำให้มนุษย์เข้าใจธรรมชาติที่เต็มไปด้วยความซับซ้อนได้อย่างแท้จริง

อ้างอิง:

nobelprize.org/prizes/physics/2021/popular-information