2021 Nobel Fizik Ödülü: Giorgio Parisi

Sığırcık sürüsü (Fotoğraf: Fraser Morrison, Flickr, CC BY-NC-ND 2.0)

2021 Nobel Fizik Ödülü’nü alan 1948 doğumlu Giorgio Parisi bizim kuşağımızın her halde en enteresan, en “çok yanlı” ve en yaratıcı fizikçilerinden biridir.

Yıl 1973, Korsika’nın Cargese köyünde her yaz geleneksel olarak yapılan ve bu kez istatistiksel fizikte çığır açan rorenormalizasyon teorisinin “perde alacağı” fizik yaz okulundayız. Ken Wilson, renormalizasyon grubunu tanıtıyor.  Mürekkepli kalemle almışım notları. Leo Kadanoff ölçeklenme davranışı ve evrenselliği anlatıyor, Bert Schroer, Edouard Brezin, Jean Zinn-Justin korelasyon fonksiyonları, hal denklemlerini, Ivan Todorov konformal envaryant kuantum alan teorilerini, Elliot Lieb kesin modelleri… ve hep biraz utangaç, önüne bakarak konuşan, ama dinleyici kitlesinin çıt çıkartmadan dinlediği, o sırada 25 yaşında olan Giorgio Parisi, bir hafta arka arkaya, 2 ve 3 boyutlu uzaylarda hal değişimleri ve kritik üstellerin hesaplanması üzerine ders veriyor.  

Georgia Parisi (Wikimedia Commons)

Giorgio Parisi 1973’te Carges’e gelene kadar 34 makale yazmış bile, tek başına veya başka fizikçilerle beraber. Makalelerden biri de yaklaşık 1950’lerden beri tartışılmakta olan kuantum kromodinamiği (Quantum Chromodynamics – QCD) üzerine.[1]Parisi, G. (1973) “Deep Inelastic Scattering in a Field Theory with Computable Large-Momenta Behaviour,” Lettere al Nuovo Cimento 7, 84.  Kuantum “renk” dinamiği, proton, nötron, pion gibi hadronların oluşumunu ve birbirleri ile etkileşimlerini sağlayan, bugün “standart model” kapsamında anlaşılan kuarklar, gluonlar gibi temel parçacıkların etkileşimlerini inceliyor.

Parisi şimdi de, hiç hız kesmeden, doğada ve hatta ekonomik ilişkiler gibi insan yapısı sistemlerde zuhur eden etkileşimleri ortaya çıkaran, farklı alanlarda uygulamaları olan yeni fikirler, yaklaşımlar, kavramlar üreten bir fizikçi. Sık sık beraber çalıştığı Mark Mezard, Enzo Marinari, Nicholas Sourlas gibi fizikçilerle ve bir yandan da çok sayıda genç fizikçi ile yeni üretim alanları açmaya devam ediyor.

Belki de doğa sevgisinin en çarpıcı örneği, sığırcık sürülerinin kuşluk vakti sergiledikleri “danslarının” dinamiğini incelemesi.[2]Cavagna, A., Cimarelli, A., Giardina, I., Parisi, G., Santagati, R., Stefanini, F., & Viale, M. (2010). Scale-free correlations in starling flocks. In Proceedings of the National Academy of … Devamı Sonuç: Küçük grupların ortalama yön ve hızları tek tek kuşlarınkinden çıkartıldığında, kuşların yönleri ve hızları arasında yüksek ilişkililik (korelasyon) bulunuyor ve bu korelasyon, yaklaşık sabit sayılı kuştan oluşan grubun hacminden bağımsız!  Gruplar arasındaki korelasyon uzunluğu, yani korelasyonun geçerli olduğu uzunluk, sürünün büyüklüğüne göre artıyor. Sistem böylece, tıpkı bir kritik noktada olduğu gibi, sonsuz uzunlukta korelasyonlara sahip!

Dışarıdan, yoğun sürüler gibi algıladığımız bu görüntülerde, sığırcıkların aslında yerel olarak bir zar formasyonunda, yani üç boyutlu uzayda içi boş bir torba biçiminde uçtukları anlaşılıyor. Olağanüstü manevra kabiliyetlerini de herhalde bundan alıyorlar.

Spin camları ve rasgele alanlar

Malzeme biliminde, örneğin demir ya da bazı başka metallerin atomlarının, yeterince düşük sıcaklıkta düzgün biçimde sıralanıp, kristal parçacıkları oluşturduklarını ve atomlarının en dışındaki elektronların, atomların etrafında aynı hep yönde dönmeleri ile bir mıknatıslanma olgusuna yol açtıklarını biliriz. 1975’lerden sonra örneğin cam gibi malzemelerin bileşenlerinin düzensiz biçimde dağıldıkları yapılar, ilgi çekmeye başlamışlardı. Mikroskopik mıknatısçıkların konumlarının ve etkileşimlerinin düzensiz, rastgele olduğu sistemler “spin camları” adı altında çalışılmaya başlamıştı.  Araştırmacılar, bu tür sistemleri matematiksel olarak modelleyebilmek için, malzemenin rastgele oluşturulmuş çok sayıda örneğinin (“replica”sının) bir tür ortalamasını almayı öneriyorlardı.

Parisi’nin katkısı, spin camları gibi sistemlerde bizatihi düzen parametresinin (“order parameter,” ortalama alınarak elde edilen bir büyüklük), bir olasılık dağılımına tabi olduğu, yani varsayılan replikalar arasındaki simetrinin kırıldığını göstermek oldu.[3]Parisi, G. (1980) Phys. Rev. Lett. 43, 1754 (1979), J. Phys. A. 13, L117, 1101, 1887 Bu kırılma “RSB – Replica Symmetry Breaking” tabir edildi. Düzen parametresinin dağılımının, termodinamik limitte, yani sonsuz büyük sistemlerde bile, sistem içi etkileşimlere bağlı olduğu anlaşılıyordu.

Parisi, yine aynı sıralarda, bu dağılımların çoğu kez hayal ettiğimiz gibi üç boyutlu metrik bir uzayda değil, parçacık kümelerinin ağaçsı yapılara benzer biçimde, üzüm salkımları gibi ilişkilendiklerini tespit etmişti. Bu tür etkileşim ya da benzerlik silsileleri “ultrametricity” denilen bir yakınlık-uzaklık kavramına denk geliyorlardı. Parisi, replika simetrisi kuramına göre, sonsuz büyüklükte spin camı örneklerinin bile, tekdüze olarak değil, ultrametrik biçimde kümelendiklerini ortaya koydu.[4]Mezard, G. Parisi, N. Sourlas, G. Toulouse, M. Virasoro, (1984)  “Replica symmetry breaking and the nature of the spin glass phase,” J. Physique 45, 843-854.[5]Parisi, G. (2002) “The physical Meaning of Replica Symmetry Breaking,” arXiv:cond-mat/0205387v1

Parisi sadece “kalem kağıtla” yapılan teorik çalışmalarda değil, Avrupa Araştırma Konseyi (European Research Council) gibi büyük fonlardan alabildiği milyon dolarlık projeler sayesinde, “süper bilgisayar”larla çok büyük hesaplar yaparak, kesin ispatları olmayan bazı noktaları neredeyse sıfır hata ile yeniden sayısal olarak elde etmeyi başardı.[6]ERC grantee Giorgio Parisi wins 2021 Nobel Prize in Physics, https://erc.europa.eu/news/erc-grantee-giorgio-parisi-wins-2021-nobel-prize-physics

“Karmaşıklık”

Parisi’nin eğildiği konulardan biri de, “doğrusal olmayan” (nonlinear) sistemler, kestirilemezlik ve karmaşıklık. Kestirilemezlik, “çok sayıda, birbirinden farklı başlangıç koşullarına sıkıca bağımlılık” diye de söylenebilir. Edward Lorenz’in isimlendirdiği “kelebek etkisi” tabiri, çok küçük sapışların, hava koşulları gibi kararlı olmayan sistemlerde yaratabileceği çok büyük değişikliklere göndermede bulunmaktadır.

Engebeli bir arazide topa birazcık farklı doğrultuda vurduğunuzda, ilkinden tamamen alakasız, kestirilemez, bir yere gideceği muhakkaktır. Olabilecek çok sayıda “başlangıç atışından” hasıl olan her nihai tablonun, başlangıç atışlarından yola çıkarak tarif edilebilmesi, hangi topun nereden, nasıl, nereye geldiğini bildirebilmemiz, neredeyse imkânsızdır. Ama her antrenmandan sonra araziye yayılmış topların fotoğrafının çekilmesi, bunların istatistiklerinin tutulmasına, kendi aralarında sınıflandırılmalarına, neticede sonuçların ne kadar karmaşık olduklarının anlaşılmasına imkân verebilir. Genelde çok çeşitli, çok sayıda küçük hareketin sonucunda oluşan büyük bir sistemin özellikleri, başlangıçtaki küçük itkilere nazaran çok daha karmaşık olacaktır. Tıpkı sığırcık sürülerinin danslarında olduğu gibi.[7]Dutch Starling Murmuration video, https://youtu.be/YjDYE5CUb7Q

Farklı bir alan olarak Parisi’nin biyolojiyi ele alışı da tek bir coğrafyada bile mikroskobik çeşitliliğin yarattığı organizmaların, bitki ya da hayvan biçimlerinin, davranışlarının, karmaşıklığı ve bunun yanında sınıflandırılabilmeleri ile ilişkilidir.[8]Parisi, G. (1994) “Complexity in Biology: The Point of View of a Physicist,” arXiv:cond-mat/941201v1

Parisi, istatistiksel fiziği en yaratıcı biçimde kullanmasıyla çok değişik alanlarda büyük adımlar atmıştır. Yukarıda saydıklarımın dışında latis ayar teorileri, bilgisayarlar ve nümerik simülasyon teknikleri, dinamik sistemler, türbülans, kaos, protein katlanması, replika simetrileri ve optimizasyon, immünoloji, sinir ağlarının öğrenme süreçleri gibi çok geniş bir alanda çalışmalarına devam ediyor.[9]Giorgio Parisi’nin yayınları: http://chimera.roma1.infn.it/GIORGIO/papers.html

Ayşe Erzan 
Bilim Akademisi üyesi


Creative Commons LisansıBu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.


Notlar/Kaynaklar

Notlar/Kaynaklar
1 Parisi, G. (1973) “Deep Inelastic Scattering in a Field Theory with Computable Large-Momenta Behaviour,” Lettere al Nuovo Cimento 7, 84.
2 Cavagna, A., Cimarelli, A., Giardina, I., Parisi, G., Santagati, R., Stefanini, F., & Viale, M. (2010). Scale-free correlations in starling flocks. In Proceedings of the National Academy of Sciences (Vol. 107, Issue 26, pp. 11865–11870). Proceedings of the National Academy of Sciences. https://doi.org/10.1073/pnas.1005766107
3 Parisi, G. (1980) Phys. Rev. Lett. 43, 1754 (1979), J. Phys. A. 13, L117, 1101, 1887
4 Mezard, G. Parisi, N. Sourlas, G. Toulouse, M. Virasoro, (1984)  “Replica symmetry breaking and the nature of the spin glass phase,” J. Physique 45, 843-854.
5 Parisi, G. (2002) “The physical Meaning of Replica Symmetry Breaking,” arXiv:cond-mat/0205387v1
6 ERC grantee Giorgio Parisi wins 2021 Nobel Prize in Physics, https://erc.europa.eu/news/erc-grantee-giorgio-parisi-wins-2021-nobel-prize-physics
7 Dutch Starling Murmuration video, https://youtu.be/YjDYE5CUb7Q
8 Parisi, G. (1994) “Complexity in Biology: The Point of View of a Physicist,” arXiv:cond-mat/941201v1
9 Giorgio Parisi’nin yayınları: http://chimera.roma1.infn.it/GIORGIO/papers.html