从无序中发现有序——2021年诺贝尔物理学奖简介

　　2021年诺贝尔物理学奖授予了3位科学家：美籍日裔科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）和意大利科学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。3位获奖者的工作是在看似无序的情况下发现有序，帮助解释和预测复杂的自然力量。真锅淑郎和哈塞尔曼的相关研究为我们了解地球气候以及人类如何影响气候奠定了坚实的基础；而帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献获奖。

　　真锅淑郎：证明二氧化碳能导致全球气候变暖

　　关于工业革命以来的气候变化，国际社会重点关注两个核心问题，其中第一个核心问题就是如何从物理上证明二氧化碳能导致全球气候变暖。真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德的工作（如果不是韦瑟尔德于2011年在75岁时去世，他应该与今年90岁的真锅淑郎一起获奖）清晰地回答了这个问题。在证明二氧化碳对气候变化的作用和复杂物理机制方面，真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德的工作是开创性的。真

　　锅淑郎目前是普林斯顿大学的高级气象学家和气候学家。他1931年出生于日本新宫，1957年在东京大学获得博士学位，随后加入美国气象局。1967年6月，真锅淑郎和理查德·韦瑟尔德合作在美国气象学会《大气科学杂志》上发表了题为“给定相对湿度分布的大气热平衡”的著名论文。基于该论文中的模型，他们进一步计算了大气中二氧化碳浓度从150ppm（指空气中含有百万分之150的二氧化碳）增加到300ppm，以及从300ppm增至600ppm时的温度变化，结果发现，二氧化碳浓度每翻一倍，全球平均温度将会变暖约2.3℃。这是最早的关于二氧化碳导致全球变暖的定量估算，非常接近今年8月公布的联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第六次科学评估报告给出的最佳估计值3.0℃。值得一提的是，真锅淑郎首次估算了未来的全球变暖幅度。他估计，从20世纪70年代到2000年，全球温度将增加约0.57℃（实际全球温度增加了0.54℃）；他还评估了20世纪的可能增暖，估算从1900年到2000年的100年里，全球温度增加幅度为0.8℃，这与实际值（0.72℃）非常接近。

　　哈塞尔曼：证明人类活动对气候变暖影响有多大

　　关于工业革命以来的气候变化，国际社会重点关注的第二个核心问题，是人类活动在工业革命以来的全球增暖中到底影响有多大。在这一问题的解答上，克劳斯·哈塞尔曼的贡献无可替代。真锅淑郎的研究展示了大气中二氧化碳含量的增加是如何导致地球表面温度升高的,而哈塞尔曼的研究则被用于证明大气温度升高，是由人类排放的二氧化碳引起的。即使没有人类活动的影响，气候也会存在不同时间尺度的冷暖振荡，这被称作“自然变率”。只有在理解自然变率这一“噪声”规律的基础上，才能找到我们关注的“信号”—人类活动影响的“指纹”，从而进一步定量估算人类活动在工业革命以来全球增暖中的贡献。同时，哈塞尔曼的工作也完美地展示了如何借助数学来解答气候变化中的物理问题。

　　克劳斯·哈塞尔曼是一位德国物理学家和海洋学家。他1931年出生于德国汉堡，1957年在德国哥廷根大学获得博士学位，随后创建了气象研究所，并担任所长直至1999年。他同时也是全球气候论坛的创始人。

　　在真锅淑郎的模型问世约10年后，也就是1977年，哈塞尔曼在快速而混乱的天气变化中找到了气候变化的规律。他也创建了一个随机模型，将天气和气候联系起来，从而回答了为什么虽然天气混沌多变，但气候模型能模拟气候变化的问题。该模型清楚地显示了加速的温室效应：自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%。温度测量表明，在过去的150年中，全球气温升高了1℃。他的研究证明了过去150年间大气温度升高主要是由人类排放的二氧化碳造成的。在建立了气候变化模型之后，哈塞尔曼又发展了识别人类对气候系统影响的方法。他发现，这些模型连同观测和理论上的考虑，包含了有关噪声和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号，这些信号可以被分离出来。哈塞尔曼因此为进一步研究气候变化扫清了道路，即利用大量独立观测结果找到了人类活动对气候产生影响的　痕迹。帕里西：揭开无序的复杂材料隐藏的秘密

　　2021年诺贝尔物理学奖的另一半授予乔治·帕里西，以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。值得一提的是，与物理学奖颁给气象学家爆了小冷门不同，拿走了一半奖金的帕里西在奖项公布前就是外界预测的大热门学者。

　　帕里西1948年出生于意大利罗马，1970年毕业于意大利罗马大学，现任意大利罗马大学教授。帕里西曾获得无数荣誉，包括1999年狄拉克奖、2002年费米奖、2005年海涅曼数学物理奖和2021年沃尔夫奖等。作为一名理论物理学家，他的工作对物理科学的各个分支产生了巨大影响，涵盖了粒子物理学、临界现象、无序系统以及优化理论和数学物理学等领域。

　　1980年左右，帕里西通过分析“自旋玻璃”对复杂系统进行研究，发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配，奠定了复杂系统理论的基石。

　　复杂系统的现代研究根植于19世纪下半叶发展起来的统计力学。统计力学是从这样一种洞察演变而来的：对于描述由大量粒子组成的系统（如气体或液体），一种新的研究方法是必要的。该方法必须考虑粒子的随机运动，因此基本思想是计算粒子的平均效应，而不是单独研究每个粒子。

　　在我们的观测中，当温度很高时，玻璃是流动的液态，随着温度降低，玻璃变成黏稠的液体，直至成为我们眼中的“固体”玻璃。事实上，玻璃从来不会结晶成为我们所认为的“固态”，它的分子在很小的范围内和很短的时间内能像晶体一样做规则排列，但在较大范围内则是无序的，属于非晶态的一员。与其相似，在乔治·帕里西的研究中，如果将铁原子散乱地放在金块的表面上，对于自由的单个铁原子来讲，它就像一个陀螺一样在金的基底上旋转，这就是自旋。由于铁是磁性材料，自旋会产生磁场，这就导致每个铁原子都会受磁场影响产生自旋。值得注意的是，每个铁原子的平衡位置各不相同，取决于它拥有的能量，即它的温度。如果不断降低温度，它又会不断改变方向，由一个平衡位置调整为另一个平衡位置，与玻璃相似，没有一种最终的平衡状态。在普通磁铁中，所有“自旋”都指向同一个方向，而在“自旋玻璃”中，它们会“受挫”，有些“自旋”试图指向同一个方向，而另一些则完全指向相反的方向。那么它们是如何找到最佳方向的？帕里西在这些看似随机的变化中，找到了规律。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一，使人们理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能。这不仅局限于物理学，也包括数学、生物学、神经科学等许多其他领域。

　　帕里西还研究了许多其他现象，如冰河时代为什么会周期性地重复出现？是否有更一般的关于混沌和湍流系统的数学描述？成千上万只椋鸟的喃喃声中究竟有怎样的规律？这些问题似乎与“自旋玻璃”相去甚远，然而帕里西说,他的大部分研究都涉及简单的行为如何产生复杂的集体行为，这对于“自旋玻璃”和椋鸟而言同样适用。

　　三位科学家的贡献：从无序中找到有序

　　我们知道，人类很难预测未来的天气，今年获奖的两位科学家为何能预测未来气候变暖？

　　20世纪60年代，美国气象学家爱德华·洛伦兹提出了混沌理论及“蝴蝶效应”：“一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。”其原因就是蝴蝶扇动翅膀的运动，导致其身边的空气系统发生变化，并产生微弱的气流，而微弱的气流的产生又会引起四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起一个连锁反应，最终导致其他系统的极大变化。因此，长期准确预测天气是不可能的。

　　复杂系统具有随机性和无序性，而天气系统正是属于这一类复杂系统。在实践中，我们不可能做到足够精确—说明大气中每个点的气温、压力、湿度或风况。此外，控制大气运动的动力方程是非线性的:初始值的微小偏差可以让天气系统以完全不同的方式演变。

　　既然天气系统是混沌无序的，那是不是说更大尺度的气候特征就更加无序和不可预测呢？今年诺贝尔物理学奖的两位得主真锅淑郎、哈塞尔曼的工作给出否定的结论。他们发现，当我们从更大尺度去考虑全球气候这样更大系统的时候，我们不仅能够预测全球气候系统的宏观行为，甚至还可以评估人类的碳排放如何对全球气候造成影响。即使在微观尺度混沌效应的确存在，但当我们考虑全球气候变暖这样更大尺度的问题时，混沌效应所产生的混乱、不确定性就可以被视为噪声而忽略掉，从而得到确定性的结论。今年诺贝尔物理学奖两位得主的成果，正是发现了全球气候系统无序中的有序现象。

　　而今年的另一位诺贝尔物理学奖获奖者乔治·帕里西则发现了无序的复杂材料之中隐藏的有序模式。在现实生活和科学中，混沌是无处不在的。今天的世界仍存在太多无法预测的情况，混沌这个问题也必将成为全人类关注的问题。3位诺贝尔物理学奖获奖者在混沌科学的研究中取得了重要的成果，他们从自然界的无序中发现了有序，使我们能够更深入地了解复杂物理系统的特性和演变。

　　【责任编辑】蒲 晖

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