Нобелевскую премию по физике – 2021 вручили «за новаторский вклад в понимание сложных физических систем». Ее разделили на 3 части: по 1/4 досталось климатологам Сюкуро Манабе и Клаусу Хассельманну, а половина – теорфизику Джорджо Паризи.
О научных открытиях Паризи рассказал Александр Поволоцкий – старший научный сотрудник лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований ОИЯИ.
— За что получил премию Паризи?
Область научных интересов Паризи чрезвычайно широка: от квантовой хромодинамики до статистической физики сложных систем, от разработки алгоритмов оптимизации до изучения работы мозга, эволюции биологических молекул, турбулентности, климатических изменений, коллективного поведения животных и так далее.
Пожалуй, наиболее важные результаты получены Паризи в теории спиновых стекол — сплавов немагнитных материалов с небольшой примесью магнитных металлов, атомы которых обладают ненулевым магнитным моментом (магнитные атомы). Взаимодействие между парами магнитных атомов в таких материалах случайно, и может быть как ферромагнитным так и антиферромагнитным, соответственно направляя их магнитные моменты в одну или в противоположные стороны. Существование такого «замороженного» беспорядка при наличии конкурирующих взаимодействий приводит к фрустрации — невозможности выбрать одно, устраивающее все атомы, направление. Поэтому, в отличие от обычных магнитных материалов, поведение которых определяется свойствами единственного состояния с минимальной энергией, в спиновых стеклах система вынуждена выбирать из множества метастабильных состояний. Это приводит к совершенно новым физическим эффектам, фазовому переходу к фазе спинового стекла, при котором магнитный момент оказывается заморожен в случайном направлении, появлению магнитной вязкости и зависимости состояния системы от предшествующей истории. Паризи удалось построить математический аппарат для статистического описания магнитных систем с вмороженным беспорядком, в частности позволивший объяснить физику спиновых стекол.
— Какие еще работы Паризи известны?
Другой известный результат Паризи – соавторство уравнения Кардара – Паризи – Чжана (KPZ), которое было предложено для описания универсальных закономерностей, обнаруженных при изучении статистики случайного роста фронтов и поверхностей. Пример такой системы — тлеющий лист бумаги. Проследив за фронтом горения, можно наблюдать флуктуации его линии вокруг некоторой характерной формы. Повторив такой эксперимент много раз, можно изучать вероятностное распределение флуктуаций в каждый момент времени. Оказывается, такими же вероятностными законами описывается множество различных систем, теперь объединяемых в класс универсальности KPZ: фронты горения, высыхания, смачивания, кристаллизации, границы зоны турбулентности в жидких кристаллах, границы разделов фаз, транспортные потоки и потоки частиц, полимеры в случайных средах.
Также упомянем результаты Паризи по глубоко неупругому рассеянию в квантовой хромодинамике, построение Монте-Карло алгоритма «Имитация закалки» для глобальной оптимизации систем со сложной функцией свободной энергии, результаты по стохастическому резонансу в климатических изменениях, самоподобным структурам в развитой турбулентности и многие другие.
— Где применяются результаты Паризи?
Хотя работа по спиновым стеклам посвящена узкой физической проблеме, методы разработанные для ее решения имеют громадную область применения. Они оказываются полезны в различных задачах оптимизации, сводящихся к поиску глобального минимума сложной функции с множеством локальных минимумов. Таковы задача о наиболее комфортном разделении коллектива на группы, задача о странствующем коммивояжере, в которой тот должен объехать как можно больше городов по наиболее короткому пути, проблема сворачивания длинных молекул ДНК или белков в клубок и т. д. Один из самых ярких и популярных на сегодняшний день примеров — нейронная сеть, сложная система со случайными взаимодействиями. Обучаясь, нейронная сеть ищет глобальный минимум некоторой сложной функции, путешествуя от одного локального минимума к другому. Оказывается, математика разработанная для исследования спиновых стёкол, применима и в этих случаях. Работы Паризи открыли новые горизонты в математическом описании сложных систем.
