Denne artikkelen er produsert og finansiert av NTNU - les mer.

Bak kaoset kan du finne sammenhenger. For eksempel kan været, klimaet og sammenhengen mellom dem virke kaotisk. Men nobelprisvinnerne har funnet system i dette også.
Bak kaoset kan du finne sammenhenger. For eksempel kan været, klimaet og sammenhengen mellom dem virke kaotisk. Men nobelprisvinnerne har funnet system i dette også.

Tre forskere får Nobels fysikkpris for å finne orden i kaoset

De fant at verden ikke alltid er så kaotisk som vi tror.

Verden er et kaotisk sted for mange av oss. Talløse tilfeldigheter griper inn i hverandre, også i hverdagen. Få kan si at livene deres ble helt som planlagt, for alle disse tilfeldighetene grep inn.

Kaotisk er verden tilsynelatende ellers også, enten du ser på alt som rører seg i en skog eller i et fiskevann, trafikkbildet i en by, nervesystemet ditt eller været og klimaet på kloden. Kaos styrer.

Eller er det egentlig kaos vi snakker om?

Hva om det finnes et system i dette kaoset? Har disse tilsynelatende tilfeldighetene kanskje grunnleggende sammenhenger som vi bare ikke har oppdaget ennå? Hva om kaoset oppstår fra et enkelt utgangspunkt?

I noen tilfeller er det i hvert fall sånn. Det finnes skjult orden, utgangspunkt som leder til et tilsynelatende kaos. Nobelprisvinnerne i fysikk fant noen av dem.

En stærflokk. Her finnes en orden i kaoset. Vi må bare finne kjernen. Det som skaper denne ordenen.
En stærflokk. Her finnes en orden i kaoset. Vi må bare finne kjernen. Det som skaper denne ordenen.

System bak komplekse materialer

Italieneren Giorgio Parisi er én av de tre som ble tildelt nobelprisen i fysikk i år. Han har vært blant favorittene lenge.

– Parisi har fått alle de prisene du ofte får før nobelprisen, sier professor Paul Gunnar Dommersnes ved Institutt for fysikk på NTNU og Soft and Complex Matter Lab der.

For Parisi er en av pionerene. Allerede rundt 1980 utviklet han en teoretisk beskrivelse for skjulte mønstre i det som kalles komplekse materialer. Dette er stort sett stoffer som tilsynelatende er tilfeldig sammensatt, i motsetning til krystaller der atomene sitter ordnet. Parisi fant at det ikke er så tilfeldig likevel.

Fysikere snakker forresten ikke om kaos. De snakker om kompleksitet isteden.

En svarttippet revhai i en stim. I kjernen av det tilsynelatende kaoset i stimen finnes det også orden.
En svarttippet revhai i en stim. I kjernen av det tilsynelatende kaoset i stimen finnes det også orden.

Både fugl og fisk

– Folk sier at det vi fysikere jobber med verken er fugl eller fisk, men de tar feil. Det er både fugl og fisk og enda mer, sier fysikkprofessor Jon Otto Fossum. Også han er tilsatt ved NTNU og Soft Complex Matter Lab.

For en fugleflokk eller en fiskestim er eksempler på tilsynelatende kaos, men der det helt åpenbart også finnes orden. Fuglene og fiskene følger hverandre i mønstre, der ett individs bevegelser forplanter seg til det neste og det neste og det neste og så videre.

Altså finnes det et grunnleggende utgangspunkt. Noe leder til noe annet. I flokkenes tilfelle til felles bevegelsesmønstre, for covid-19 til oppstandelse, spredning og kanskje forsvinning. I andre tilfeller til tilsynelatende kaos. En sammenheng har en årsak og omvendt.

Det eneste forutsigbare er at verden er uforutsigbar.

Det eneste forutsigbare er at verden er uforutsigbar.
Det eneste forutsigbare er at verden er uforutsigbar.

Mønstre i været og klimaet

Mens Parisi var blant pionerene som gjorde orden av kaos på mikronivå, har de to andre nobelprisvinnerne funnet mønstre i noe av det mest kaotiske du og jeg kan observere, nemlig været og klimaet på kloden vår.

Den japanskfødte amerikaneren Syukuro Manabe studerte hvordan større konsentrasjon av karbon i atmosfæren kan påvirke økte temperaturer på Jorda. Altså det vi forbinder mest med global oppvarming. Allerede i 1960-årene utviklet han enklere modeller som har lagt grunnlaget for klimamodellene i dag.

Tyske Klaus Hasselmann utviklet en sammenheng mellom været og klimaet. Været er det vi har rundt oss hele tida, mens klimaet er det langsiktige, der gjennomsnittlige endringer skjer over lang tid.

Hasselmann skapte en modell som lenker sammen vær og klima, selv om været fra dag til dag og år til år tilsynelatende kan være helt kaotisk.

Været og klimaet henger sammen. Med mer kunnskap kan forskerne lage stadig bedre klimamodeller. Hva er menneskets rolle?
Været og klimaet henger sammen. Med mer kunnskap kan forskerne lage stadig bedre klimamodeller. Hva er menneskets rolle?

Er det komplekst eller komplisert?

Komplekst og komplisert er forresten ikke det samme. At noe er komplekst, betyr at noe er sammensatt av mange deler, mens komplisert er mer eller mindre det samme som vanskelig.

Et menneske er for eksempel komplekst, men å lage et er verken komplekst eller komplisert så lenge du kjenner fremgangsmåten og de rette forutsetningene er til stede.

Så hvordan kan fysikere gjøre noe svært komplekst til noe som er enkelt nok til at vi kan forstå det og kanskje til og med bruke det til noe interessant eller nyttig?

Hvordan kan vi gjøre kaos om til orden?

Fjern det overflødige

Alt dette jobber professorene Fossum og Dommersnes med både natt og dag, for dette er også deres fagfelt.

– Vi jobber med komplekse fenomener, sier professor Fossum.

Men for å få grep om dette må du forenkle og lage modeller og for å greie det, må du finne kjerner og faste regler. Fagfeltet har vokst siden 1990-årene.

– Dette handler om å fjerne det overflødige, sier Fossum.

Været og klimaet er komplekst og komplisert nok. Men fysikk omfatter egentlig alt i hele verden, fra det aller minste på nanonivå og under, helt opp til universet selv.

Kan det virkelig finnes felles beskrivelser for forskjellige komplekse fenomener?

Ett eksempel på komplekse systemer er det som kalles faseoverganger, der stoffer går fra én fase til en annen. Som is til vann til vanndamp.
Ett eksempel på komplekse systemer er det som kalles faseoverganger, der stoffer går fra én fase til en annen. Som is til vann til vanndamp.

Bare en overgang

Ett eksempel på komplekse systemer er det som kalles faseoverganger, der stoffer går fra én fase til en annen.

– Eksempler på faseoverganger er vann til is og vann til vanndamp, forklarer Fossum.

Fysikere har jobbet med å forstå faseoverganger i rundt 150 år, og i de fleste av dem er det akkurat slike ting de har sett på. Hvorfor stoffer går fra fast form til flytende til gass og tilbake igjen og sublimering der faste stoffer går direkte til gass og alskens. De lager modeller og teorier for hvordan verden fungerer som den gjør.

Dette kan fort bli for vanskelig å få oversikt over. Men kjernen bak faseovergangene kan være enkel nok.

Molekylene i vann har forskjellig tetthet fra vanndamp og is. Tettheten beskriver hvorfor vannet er i den ene eller andre fasen.

Fysikerne ser ofte på enda mer komplekse overganger. For eksempel magnetisme, og det er her det kan begynne å bli tilsynelatende komplisert. Det handler om partiklenes spinn i atomer, hvordan atomer med ulikt spinn er organisert i magnetiske materialer, hvordan atomer påvirker hverandre og hvordan vi kan påvirke dem.

Men også her gjelder det å bli kvitt de forstyrrende elementene som står i veien for kjernen. Som gjør at vi skjønner prinsippene bak.

I dag ser fysikerne ofte på enda mer komplekse overganger. For eksempel magnetisme. Da kan det bli skikkelig komplisert. Her en magnet og litt jernspon.
I dag ser fysikerne ofte på enda mer komplekse overganger. For eksempel magnetisme. Da kan det bli skikkelig komplisert. Her en magnet og litt jernspon.

Finnes det allmenne regler?

Noe av det mest fascinerende med arbeidet til nobelprisvinneren Parisi er at reglene hans ikke bare gjelder for komplekse materialer, men også kan overføres til matematikk, nevrovitenskap, biologi, økonomi og maskinlæring og andre komplekse områder.

– Det handler om å identifisere komplekse systemer og undersøke dem på ulike nivåer. Disse systemene kan ha felles oppførsel, lover og ligninger, forklarer Dommersnes.

Fellestrekkene kan vi altså finne innenfor tilsynelatende helt ulike felter.

– Vi er sikre på at det finnes felles lover bak komplekse systemer. Vi ser at systemer som er vidt forskjellige, har oppførsel som er veldig lik når vi undersøker dem, sier Fossum.

Parisi er altså blant dem som har lett etter en måte å beskrive kompleksitet og langt på vei har funnet en teori som er universell.

Men hva kan vi egentlig bruke dette til?

Rent faglig er det så klart interessant, ifølge fysikerne, og noen kan si at det er en slags plikt at vi mennesker setter oss inn i naturens lover så godt vi bare kan, for å skjønne verden vi lever i.

Men det er også skikkelig morsomt og nyttig.

Noe som er komplekst, oppstår av seg selv. Nanopartiklene setter seg sammen på egen hånd på grunn av grunnleggende fysiske lover. Når vi vet hvordan, kan vi påvirke dem.
Noe som er komplekst, oppstår av seg selv. Nanopartiklene setter seg sammen på egen hånd på grunn av grunnleggende fysiske lover. Når vi vet hvordan, kan vi påvirke dem.

Noe komplekst oppstår av seg selv

For når du skjønner reglene for hvordan noe går fra kaos til orden og fra orden til kaos, har du skaffet deg et redskap som du kanskje kan bruke.

– Noe som er komplekst, oppstår av seg selv, påpeker Fossum.

Som eksempel nevner han selvorganisering, at små byggesteiner på egen hånd setter seg sammen til mer komplekse materialer. På nanonivå kan vi observere hvordan partikler vekselvirker med hverandre og danner mønstre for å oppnå likevekt og redusere den frie energien i systemet.

Nanopartiklene setter seg sammen helt av seg selv på grunn av grunnleggende fysiske lover. Når vi kjenner til hvordan, kan vi påvirke hvordan de setter seg sammen og sørge for at de får de egenskapene vi vil ha.

Dette kan for eksempel få betydning for nanoelektronikk, der et mål er å bygge elektroniske komponenter som fungerer sammen på nanonivå. Eller innenfor medisin der vi kan skreddersy molekyler som kan ta med seg medisin direkte til de delene i kroppen som trenger dem.

Kompleksitet og store muligheter

Kunnskap om kompleksitet kan kanskje også brukes til å lage det som kalles «animate materials». Dette er nesten som levende materialer som oppfatter og tilpasser seg endringer i omgivelsene. De endrer også selv egenskaper som følge av det.

Egentlig er det grunnleggende enkelt. Materialene endrer seg på egen hånd på grunn av endringer i omgivelser, energinivå, materialer eller næringsstoffer rundt dem. Dette kan vi påvirke, om vi kjenner reglene.

Kanskje kan vi utvikle materialer som husker, lærer og tilpasser seg. Da er det er nesten som om fysikerne har skapt en form for liv.

– Kanskje kan vi lære opp materialer som Pavlov lærte opp sine hunder, funderer Fossum.

Ivan Pavlov fikk nobelprisen i fysiologi eller medisin i 1904. Han studerte blant annet hunder som lærte å assosiere lyden av en bjelle med mat, såkalt betinget respons. De ble altså ikke påvirket direkte av maten eller lukten av maten, men av en tilsynelatende urelatert, ytre påvirkning.

Kan vi trigge materialer til å endre oppførsel på lignende vis? Og til å huske dette til senere?

Men alt dette krever igjen at vi kjenner sammenhengene og lovene for orden og kaos.

Nobelprisen i fysikk vil bli utdelt av kong Carl Gustav i Stockholm fredag 10. desember. Les mer om utdelingen på Nobelprisenes egen nettside.

Powered by Labrador CMS