Nobelpris for å finne orden i kaoset

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.

Er det egentlig kaos? Hva om det finnes et system i dette kaoset? 

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 hvert fall i noen tilfeller er det 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. Foto: Albert Beukhof, Shutterstock, NTB VIS MER

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 ved NTNU.

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. Foto: Shutterstock, NTB VIS MER

Både fugl og fisk

Å være fysiker må også være frustrerende innimellom, for ofte vet nesten ingen hva du snakker om, kanskje med unntak av folk på nabokontorene på jobben. Men på et av nabokontorene til professor Dommersnes sitter fysikkprofessor Jon Otto Fossum, og han skjønner alt.

– Folk sier at det vi jobber med verken er fugl eller fisk, men de tar feil. Det er både fugl og fisk, og enda mer, sier professor Fossum.

Det finnes et grunnleggende utgangspunkt. Noe leder til noe annet.

For en fugleflokk eller en fiskestim er eksempler på tilsynelatende kaos, men der det helt åpenbart finnes orden også. 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. Foto: Shutterstock, NTB VIS MER

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.

Hasselmann skapte en modell som lenker sammen vær og klima.

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. Unnskyld, «komplekst», mener jeg.

Været og klimaet henger sammen. Med mer kunnskap kan forskerne lage stadig bedre klimamodeller. Hva er menneskets rolle? Illustrasjon: Amanda Carden, Shutterstock, NTB VIS MER

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.

Hvordan kan vi gjøre kaos om til orden?

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?

• Les også: – Betongen er så sterk, fordi den er så svak

Fjern det overflødige

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

For å få grep om komplekse fenomener, må du forenkle og lage modeller, og for å greie det, må du finne kjerner og faste regler.

– Vi jobber med komplekse fenomener, sier professor Fossum.

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

Institutt for energiteknikk har delvis sammen med Institutt for fysikk arrangert internasjonale skoler for doktorgradsstudenter på Geilo siden 1971. Her møter studentene noen av verdens fremste fysikere. Siden 1990-tallet har disse samlingene handlet om komplekse fenomener.

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

Kan det virkelig finnes felles beskrivelser for forskjellige komplekse fenomener?

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?

Vann eller is? 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. Foto: Shutterstock, NTB VIS MER

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.

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. Foto: Shutterstock, NTB VIS MER

Fysikerne ser ofte på enda mer komplekse overganger. For eksempel magnetisme, og det er her det kan begynne å bli tilsynelatende komplisert, for 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.

• Les også: Forutså skjeve bølger – fant dem

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.

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.

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 han funnet en teori som er universell.

Men hva kan vi egentlig bruke dette til?

Når du skjønner reglene for hvordan noe går fra kaos til orden, og fra orden til kaos, har du skaffet deg et redskap.

Rent faglig er det så klart interessant, 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. Illustrasjonsfoto: Shutterstock, NTB VIS MER

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 også, 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 «animate materials». Dette er nesten som levende materialer som oppfatter og tilpasser seg endringer i omgivelsene, og selv endrer egenskaper som følge av det.

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.

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. Pavlov 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.

Ganske spennende nobelpriser, ikke sant?

Om du vil vite enda mer, kan du lese om både dette og mye annet på hjemmesidene til Soft and Complex Matter Lab, der Fossum og Dommersnes jobber.