Tento týden získali Nobelovu cenu za fyziku tři vědci „za průkopnický přínos k pochopení složitých systémů“. Dva z nich za fyzikální modelování zemského klimatu a předpověď globálního oteplování, jeden – Giorgio Parisi – získal ocenění za objev vzájemného působení neuspořádanosti a fluktuací ve fyzikálních systémech. Jakým způsobem souvisí práce tří oceněných?
Společným tématem všech tří oceněných vědců je studium komplexních systémů. Třetí oceněný Giorgio Parisi sám charakterizoval komplexní systémy tak, že to jsou takové systémy, jejichž chování zásadně závisí i na těch nejmenších detailech. Příkladem je třeba právě klima, což je téma spoluoceněných vědců. Ale jiných příkladů je celá řada, například neuronové sítě v našem mozku, ekologické sítě, v nichž se všechny organismy složit navzájem ovlivňují, ekonomika a podobně. Ve všech těchto případech nacházíme velmi analogické jevy, a obecná teorie komplexních systémů je dokáže zahrnout pod jednou střechou.
Laureáti Nobelovy ceny za fyziku pro rok 2021
Lze tedy říci, že Parisi objevil určité vzorce, které jsou společné různým komplexním systémům? Má z tohoto pohledu ještě smysl hovořit o chaosu nebo je to jen označení pro systém, kde nemáme dostatečný výpočetní výkon, abychom v něm našli nějaký řád?
Mluvit v souvislosti s komplexními systémy o chaosu není příliš výstižné. Někdy se naopak říká, že komplexní systémy leží na hranici chaosu, že tvoří mezní případ mezi uspořádaností a chaosem. Jak uspořádanost, tak chaos jsou svým způsobem „triviální“, ačkoli z praktického hlediska je často dosti obtížné je pochopit. Nicméně uspořádanost i chaos v principu umožňují „vyhmátnout“ poměrně malý počet podstatných rysů a na všechno ostatní zapomenout. Problém je jen v tom, že než se nám to „vyhmátnutí“ povede, důkladně se zapotíme.
Naproti tomu u komplexního systému neexistují žádné nepodstatné rysy. Každý drobný detail hraje roli. Klasický příklad komplexního systému je DNA v buňce a na ni navázaný celý složitý mechanismus bílkovin, enzymů atd. A každý ví, že i jediná nepatrná mutace v DNA může mít fatální důsledky. V DNA nejsou žádné nepodstatné rysy, od kterých bychom mohli odhlédnout. Parisi sám charakterizuje komplexní systémy tak, že v nich každý detail hraje roli.
RNDr. František Slanina CSc.Je absolventem matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, ve Fyzikálním ústavu AVČR se zabývá teoretickou fyzikou, zejména počítačovým modelováním komplexních systémů. Na matematicko-fyzikální fakultě UK jako externista přednáší o teorii komplexních systémů pro studenty magisterského studia  RNDr. František Slanina CSc. |
Pokud jde o výpočetní prostředky, je neoddiskutovatelné, že bez počítačů by teorie komplexních systémů nejspíš vůbec nikdy nevznikla. Nicméně na druhé straně se už dnes ví, že existuje řada problémů, které se nedají řešit hrubou počítačovou silou, prostě proto, že i kdyby se veškerá energie, která dopadá ze Slunce na Zeměkouli využila jen na běh počítačů, trvalo by řešení těch problémů stokrát déle, než činí stáří vesmíru. Tady jsme prostě s počítači v koncích. Jediný pokrok je možný na základě lidské chytrosti. A objevy, s nimiž přišel Giorgio Parisi, patří právě do této kategorie.
Jaký je, podle Vás, důvod, že Nobelu cenu za fyziku získali právě tito vědci a tyto jejich výzkumy? V čem tkví hlavní přínos jejich práce? Hraje roli i aktuální problém změny klimatu?
Myslím, že se čekalo, že k ocenění práce v oblasti komplexních systémů jednou dojde. Nikdo nepochyboval, že toto téma, které se dotýká tak širokého spektra problémů, od těch každodenních až po dosti abstraktní, je natolik důležité, že si Nobelovu cenu zaslouží. Problém byl spíše v tom, že tu bylo více jmen, která by si ocenění zasloužila, a nyní je otázka, koho zvolit. Já jsem samozřejmě rád, že cenu dostal Giorgio Parisi, kterého osobně znám a od něhož jsem se opravdu hodně naučil. Ale to neznamená, že neuznávám práci ještě řady jiných kapacit v oboru.
Udílení nobelových cen 2021
Můžete prosím popsat pozadí tohoto výzkumu? Jak dlouho se touto problematikou oceněný Parisi zabýval?
Tento výzkum je úzce spojen s rozvojem počítačů, a to jednak jako prostředku k řešení modelů komplexních systémů (bez počítačů by to nebylo vůbec myslitelné) a jednak jako objektu výzkumu. Jestliže dnes se algoritmy vyvinuté na základě teorie neuronových sítí úspěšně aplikují v našich mobilních telefonech, je to do značné míry díky teoretickému výzkumu v oblasti komplexních systémů, který se rozvinul někdy před třiceti lety.
Jak je využíváte ve své práci vy?
Když jsem ještě jako student doktorand pobýval v Parisiho skupině, zabýval jsem se teorií neuronových sítí. To je dnes již běžně používaná technologie z oblasti umělé inteligence, ale tehdy to byla dosti převratná novinka a ještě se nevědělo, co se od ní dá a co nedá čekat. Pokroky, kterých se tehdy dosáhlo, mají trvalou platnost.
Později jsem se věnoval modelům v matematické ekonomii, kde se Parisiho myšlenky uplatňují v takzvané menšinové hře, což je idealizované schéma komplexního chování ekonomických agentů.
Můžete přiblížit, jak se modely od dob, kdy s nimi Parisi přišel, rozvinuly? Respektive, v kterém oboru nyní nejvíce pokročily a kde si myslíte, že budou rozvíjeny nejrychleji.
Samozřejmě nejsem schopen sledovat všechno. Aplikace jsou opravdu různorodé. Z praktického hlediska jsou asi nejdůležitější použití v informatice a v samoopravných kódech. Mne jako fyzika ale ve skutečnosti daleko více vzrušují problémy, které vypadají napohled úplně obyčejně.
Například vezměte si hrnek na čaj a hromadu stejných skleněných kuliček. Otázka: kolik kuliček se vejde do hrnku, pokud předpokládám, že je tam budu házet náhodně, slepě? Parisi se tímto problémem zabýval přes deset let a nakonec ho vyřešil. Někdo by řekl, co je na tom komplexního? A přesto se o takových problémech píšou tlusté a pořádně těžké matematické knihy a když se do nich dostatečně zahloubáte, zjistíte najednou souvislosti s přenosem signálu ze sondy zkoumající povrch Marsu. To je právě to poučení z vědy o komplexních systémech, že spoustu odlehlých věcí spolu vnitřně souvisí a každý detail může mít veliký význam.
