Fizik-Kimya-Matematik
Dr. Mahir E. Ocak
05/10/2021 - 17:49

2021 Nobel Fizik Ödülü Sahiplerini Buldu

2021 yılı Nobel Fizik Ödülü'nü Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann ve Giorgio Parisi kazandı.

Syukuro Manabe (solda), Klaus Hasselmann (ortada) ve Giorgio Parisi (sağda)

2021 Nobel Fizik Ödülü’nün bu yılki sahipleri Syukuro Manabe, Klaus Hasselmann ve Giorgio Parisi oldu. İsveç Kraliyet Bilimler Akademisinden yapılan açıklamada Manabe ve Hasselmann’ın geliştirdikleri iklim modelleri ve insanların Dünya’nın iklimine etkileri ile ilgili çalışmaları nedeniyle, Parisi’ninse düzensiz karmaşık malzemelerle ilgili kuramlara katkısı nedeniyle ödüle layık görüldükleri açıklandı.

Karmaşık sistemler birbiriyle etkileşim hâlinde olan çok sayıda alt sistemden oluşur. Bu sistemleri matematik diliyle ifade etmek zordur. Ayrıca karmaşık sistemler kaotik olabilir; başlangıç koşullarındaki ufak farklar, sistemin zaman içindeki gelişiminde çok büyük değişikliklerin ortaya çıkmasına neden olur. Bu yüzden karmaşık sistemlerle ilgili hassas tahminler yapmak zordur. Bu yıl Nobel Fizik Ödülü’nü kazanan araştırmacıların her üçü de karmaşık sistemler ve bu sistemlerin zamanla gelişimi hakkındaki bilgi birikimine önemli katkılar yaptılar.

İklim Modelleri

Karmaşık sistemlerin örneklerinden biri atmosferdir. Sistem o kadar kaotiktir ki bir kelebeğin kanat çırpmasının bir fırtınayı tetikleyebileceği söylenir.

Atmosferin, Dünya’nın iklimi üzerindeki önemli rolünü ilk kavrayan kişi Joseph Fourier’di. Fransız fizikçi, iki yüz yıl önce yerküreden yayılan ısının atmosfer tarafından soğurulduğunu fark etmişti. Atmosfer tıpkı kışın bitkileri büyütmek için kullanılan seralar gibi davranıyor, yerküreden yayılan ısının hızla uzaya yayılmasını engelleyerek Dünya’nın ısınmasına katkıda bulunuyordu.

Atmosferin neden olduğu sera etkisi, Dünya’nın yaşanabilir bir gezegen olması için hayati önemdedir. Sera etkisi olmasaydı Dünya’nın ortalama yüzey sıcaklığı -18 °C civarında olurdu. Bugün yerkürenin ortalama yüzey sıcaklığının 15 °C civarında olmasını sağlayan etken, yerküreden yayılan ısıyı önce soğurup sonra yeniden yayan sera gazlarıdır.

Su buharı, karbondioksit ve metan; atmosferde bulunan sera gazlarından bazılarıdır. Atmosferin neredeyse %99’unu oluşturan oksijen ve azot gazları ise sera etkisine katkıda bulunmaz. 

Atmosferde bulunan en güçlü sera gazı, su buharıdır. Ancak atmosferdeki su buharı miktarının insanlar tarafından kontrol edilmesi kolay değildir. Bugün atmosferin yaklaşık %0,04’ünü oluşturan karbondioksidin miktarındaysa, insan etkinlikleri sonucunda, görece kısa zaman dilimlerinde büyük değişiklikler görülebilir. Örneğin enerji elde etmek için fosil yakıtların kullanılması, atmosfere karbondioksit salınmasıyla sonuçlanır.

İsveçli kimyacı Svante Arrhenius, 19. yüzyılın sonunda Dünya’nın neden zaman zaman buzul çağlarına girdiğini anlamaya çalışırken karbondioksidin iklim açısından önemini fark etmişti. Nobel ödüllü araştırmacı, atmosferdeki karbondioksit miktarı yarıya düşerse yeni bir buzul çağının başlayacağını, atmosferdeki karbondioksit miktarının iki katına çıkması hâlinde ise Dünya’nın ortalama yüzey sıcaklığının 5 °C - 6 °C artacağını tahmin etti. Arrhenius’un tahmini, güncel tahminlere şaşırtıcı derecede yakındır.

Arrhenius’tan yaklaşık 70 yıl sonra Syukuro Manabe, karbondioksit ile iklim arasındaki ilişkiyi incelemeye başladı. Japon fizikçi, 1960’larda yaptığı çalışmalarda havadaki konveksiyon hareketlerine ve su buharındaki gizli ısıya odaklandı.

Manabe, hesapları kolaylaştırmak için bir boyutlu bir model oluşturmuştu. Atmosferin 40 kilometre yüksekliğinde bir sütun olarak alındığı bu model her ne kadar hayli basit olsa da o zamanların teknolojisiyle hesaplar yapmak saatler sürüyordu.

Manabe, oksijen ve azotun Dünya’nın ortalama yüzey sıcaklığı üzerinde önemli bir etkisi olmadığını, havadaki karbondioksit miktarının iki katına çıkması hâlindeyse küresel sıcaklıkların 2 °C artacağını hesaplamıştı. Manabe’nin hesaplarının önemli bir sonucu, atmosferdeki karbondioksit artışının ortalama yüzey sıcaklığını artırırken atmosferin üst katmanlarını soğutacağını göstermesiydi.

Manabe, ilerleyen yıllarda da iklim modelleri üzerine çalışmaya devam etti. Zamanla daha karmaşık ve daha gerçekçi iklim modelleri geliştirdi. İlk üç boyutlu iklim modelini 1975’te yayımladı.

Klaus Hasselmann’ın iklim modelleri konusuna en önemli katkısı ise hava durumu ile iklimi ilişkilendirmeyi ve böylece iklim tahminleri için önemli bir sorun olan kaotik hava olaylarını iklim modellerine dâhil etmeyi başarması oldu.

İklim değişikliklerine kıyasla hava durumu değişiklikleri çok kısa sürede gerçekleşir. Örneğin bir okyanusun ortalama sıcaklığının sadece 1 °C değişmesi binlerce yıl sürer, hava sıcaklığınınsa bir saatten kısa bir sürede 1 °C değişmesi mümkündür. Peki öyleyse atmosfer gibi kaotik bir sistemle ilgili onlarca hatta yüzlerce yıla yayılan tahminler nasıl yapılabilir?

Hasselmann, kaotik hava olaylarının iklim modellerine “parazit” olarak eklenebileceğini öne sürdü. Stokastik yani olasılığa dayalı, hızlı hava olaylarına rağmen yavaş iklim değişikliklerinin tahmin edilmesine imkân veren bir model geliştirdi. 

Hasselmann, iklim değişiklikleriyle ilgili modelini tamamladıktan sonra insanların Dünya’nın iklimine etkileri üzerine çalışmaya başladı. İklim modelleri, gözlemler ve kuramsal teknikler kullanılarak Güneş’ten gelen ışıma miktarı, volkanik patlamalar sırasında atmosfere karışan parçacıklar ve atmosferdeki sera gazları miktarı gibi çeşitli etkenlerin iklim üzerindeki etkilerinin ayrı ayrı değerlendirilebileceğini gösterdi. Bu yöntem, insanların iklim üzerindeki etkilerinin incelenmesinde de kullanılabiliyor.

Düzensiz Sistemler

Bir sıvıyı soğutarak katılaştırdığımızı düşünelim. Ortaya çıkan katı genellikle kristalli yapıda olur yani içerisindeki atomlar düzenli bir yapı oluşturur. Ancak soğutma işlemi yeteri kadar hızlı yapılırsa atomlar düzenli bir yapı oluşturacak zamanı bulamaz, sonuçta ortaya düzensiz bir yapı çıkar.

Düzensiz yapıdaki malzemelerin örneklerinden biri, günlük hayatımızın her alanında karşımıza çıkan camlardır. Cam üretimi sırasında ham maddeler önce sıvılaştırılır, sonra hızla soğutulur. Böylece düzensiz yapıda bir katının ortaya çıkması sağlanır.

Giorgio Parisi’nin üzerine çalışmalar yaptığı spin camları da sıradan camlar gibi düzensiz yapıdaki malzemelerdir. Bu malzemelere örnek olarak içine demir karıştırılmış bakırı örnek verebiliriz. Demir atomları sayıca az olsa da malzemenin manyetik özelliklerinde önemli değişikliklere sebep olur. Her bir demir atomu küçük bir mıknatıs gibi davranır ve çevresindeki diğer demir atomlarıyla etkileşim hâlindedir. Sıradan bir mıknatısta tüm atomların spinleri aynı yönde hizalanma eğilimindedir. Ancak spin camlarındaki atomların spinleri düzenli bir yapı oluşturmakta zorlanır (bkz. aşağıdaki şekil).

Spin camlarındaki atomların spinleri düzenli bir yapı oluşturmakta zorlanır. Spinler aynı yönde hizalanma eğilimindedir. Ancak üçüncü atomun spini (mavi ile gösterilen) aynı anda her iki komşusunun spiniyle aynı yönde hizalanamaz.   

Spin camları, karmaşık sistemler üzerine yapılan çalışmalar için basit bir model sistem sağlar. 1970’lerden sonra aralarında Nobel ödüllü bilim insanlarının da bulunduğu pek çok fizikçi bu sistemler üzerine çalışmalar yaptı. Ancak başarılı sonuçlar elde edemediler.

Parisi, 1979’da istatistiksel mekanikte sıklıkla kullanılan bir yöntemin spin camları ile ilgili çalışmalara uyarlanabileceğini gösterdi. Parisi’nin bulduğu çözümün matematiksel olarak ispatı ise ancak yıllar sonra yapıldı. Parisi’nin yöntemi bugün karmaşık sistemlerle ilgili bilimsel çalışmalar açısından bir kilometre taşı olarak görülüyor.

Parisi, karmaşık sistemlerle ilgili başka problemler üzerine de önemli çalışmalar yaptı. “Neden periyodik olarak tekrar eden buzul çağları var?”, “Kaos ve türbülansın daha genel bir matematiksel ifadesi mümkün mü?”, “Sığırcık kuşlarının mırıldanmasında örüntüler nasıl ortaya çıkar?” gibi ilk bakışta birbiriyle pek ilgili gibi görünmeyen ancak tamamı karmaşık sistemler çatısı altında değerlendirilebilecek çeşitli konularda başarılı sonuçlar elde etti.

Kaynak: 

Fizik-Kimya-Matematik

g kuvveti terimi, bir nesnenin “birim kütlesinin” maruz kaldığı, ağırlık hissi uyandıran “mekanik” kuvveti ifade etmek için kullanılır.

Sıcaklık ve ısı kavramları benzer çağrışımlar yaptığı için günlük yaşamda sıkça ve yanlış şekilde birbirinin yerine kullanılır.