了解一個複雜世界——2021年諾貝爾實體學獎解讀

中原標準時間2021年10月5日17時49分，瑞典皇家科學院宣布，2021年度諾貝爾實體學獎授予美籍日裔科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學家喬治·帕裡西（Giorgio Parisi），以表彰他們“對我們了解複雜實體系統所作出的開創性貢獻”。

真鍋淑郎、克勞斯·哈塞爾曼和喬治·帕裡西（來源：諾貝爾獎官網）

真鍋淑郎1931年出生于日本新宮，1957年在日本東京大學獲得博士學位，目前在美國普林斯頓大學擔任進階氣象學家。哈塞爾曼1931年出生于德國漢堡，1957年在哥廷根大學獲得博士學位，目前在德國漢堡馬克斯普朗克氣象學研究所擔任教授。帕裡西1948年出生于意大利羅馬，1970年在羅馬第一大學獲得博士學位，目前在羅馬第一大學擔任教授。

真鍋淑郎和哈塞爾曼因為“對地球氣候的實體模組化、量化可變性并可靠地預測了全球變暖”而共同分享了總額為1000萬瑞典克朗的獎金的一半，帕裡西則因為“發現了從原子尺度到行星尺度的實體系統中的無序和擾動的互相作用”而獲得了另外500萬瑞典克朗的獎金。

三位獲獎者的研究都關注混沌、随機的現象。真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究奠定了我們對于地球氣候以及人類如何影響地球氣候的認識的基礎，而帕裡西則對無序材料和随機過程的理論作出了革命性貢獻。

所有複雜系統都由許多不同的互相作用的部分組成。幾個世紀以來，實體學家一直在研究它們，但在很長的時間裡都難以了解它們，因為它們很難用數學方法來描述——它們可能有數量巨大的組成部分，或者被随機因素所支配。它們也可能是混沌的，就像天氣一樣，初始值的微小變化就會導緻随後出現的巨大差異。今年的諾貝爾實體學獎獎勵的正是能夠描述複雜系統并且預測它們的長期行為的新方法。

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揭示地球氣候的規律

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在我們所面對的各種複雜系統中，對人類至關重要的一個複雜系統就是地球氣候，是以也成為科學家長期探索的對象。200年前，法國實體學家約瑟夫·傅裡葉（Joseph Fourier）就開始研究太陽輻射對地球的影響，并發現了我們今日稱為“溫室效應”的現象。此後，氣候學家不斷為大氣科學的知識增加細節，并根據預測天氣的模型發展了氣候模型。

作為一個被公衆熟知的科學詞彙，溫室效應與我們人類的生活息息相關。二氧化碳、甲烷、水蒸氣等氣體都是溫室氣體，其中影響最大的其實是水蒸氣。但是，我們無法控制大氣中水蒸氣的濃度，隻能努力控制二氧化碳、甲烷等其他溫室氣體的濃度。

瑞典科學家、1903年諾貝爾化學獎得主斯萬特·阿倫尼烏斯（Svante Arrhenius）第一個發現了二氧化碳對氣溫的影響。他通過研究發現，如果大氣中的二氧化碳水準減半，就足以讓地球再次進入冰河時代，而如果二氧化碳水準翻倍，地球的溫度會升高5℃~6℃。在某種程度上，這個結果與目前的估計值驚人地一緻。

20世紀50年代，真鍋淑郎在獲得博士學位後前往美國繼續研究所學生涯，他的研究方向和阿倫尼烏斯一樣，希望能夠了解大氣中二氧化碳含量的增加是如何導緻地球表面溫度升高的。20世紀60年代，他上司了地球氣候的實體模型的發展，将對流引起的氣團垂直輸運以及水蒸氣的潛熱納入其中。

為了使這些計算更加簡便，真鍋淑郎選擇将模型簡化為一根垂直的圓柱體，從地面直達40千米高的大氣層。在經過大量計算後，他發現氧氣和氮氣對地表溫度的影響可以忽略不計，而二氧化碳則具有顯著的影響：當二氧化碳濃度翻倍時，全球氣溫會上升2℃以上。而且，這個模型還證明這種升溫的确是由二氧化碳濃度增加所導緻的。因為這個模型預測，當上層大氣變冷時，靠近地面的大氣溫度會升高，而如果是太陽輻射的變化導緻了溫度升高，那麼整個大氣層應該同時被加熱。真鍋淑郎用來自一維模型的見解引出了三維空間中的氣候模型，這是我們揭示地球氣候規律過程中的裡程碑事件，并為目前氣候模型的發展奠定了基礎。

在真鍋淑郎的研究大約10年之後，哈塞爾曼找到了面對多變且混沌的天氣的辦法，成功建立了一個将天氣和氣候聯系在一起的模型，這樣就能回答一個問題，即為什麼盡管天氣是多變且混亂的，氣候模型仍然可靠。而在完成氣候變化模型之後，哈塞爾曼還發展了能夠識别自然現象和人類活動影響氣候的特定信号（“指紋”）的方法。借此，他為進一步研究氣候變化掃清了障礙。

哈塞爾曼的方法被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放二氧化碳。完善的氣候模型清楚地顯示了加速的溫室效應：自19世紀中葉以來，大氣中的二氧化碳的含量增加了40%。在過去數十萬年間，地球的大氣層從未有過如此之多的二氧化碳。溫度測量則表明在過去的150年中，全球溫度升高了1℃。這看似幅度不高的升溫，除了帶來直接可見的冰川融化、海平面上升的結果外，已經對很多生态系統造成了緻命的影響。諾貝爾獎委員會在官網上用四個簡明的問答來凸顯真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究的重要意義，這是氣候模型明确告訴我們的結論。

-地球在升溫嗎？

-是的。

-是因為大氣中溫室氣體含量的增加嗎？

-這可以僅用自然因素來解釋嗎？

-不能。

-人類的排放是溫度升高的原因嗎？

<h3>發現無序系統的秘密</h3>

大約在1980年，帕裡西在無序的複雜材料中發現了隐藏的模式。他的發現是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。他的發現使我們能夠了解和描述很多不同的、完全随機的材料和現象，這些應用不隻是在實體學領域内，同樣也在其他一些非常不同的領域内，包括數學、生物學、神經科學和機器學習等。

複雜系統的研究始于19世紀後半葉，麥克斯韋（James C. Maxwell）、玻爾茲曼（Ludwig Boltzmann）和吉布斯（J. Willard Gibbs）等人發展的統計力學使我們擁有了描述和研究由大量粒子構成的系統的方法。這種方法必須考慮粒子的随機運動，是以基本思想是計算粒子的平均效應而非單獨研究每個粒子。由于為氣體和液體的宏觀性質（如溫度和壓強）提供了微觀解釋，統計力學獲得了巨大的成功。

氣體中的粒子可以被視為小球，當溫度下降或者壓力升高時，小球構成的系統首先變為液體，接着變為固體——通常是晶體，小球在其中以規則的方式排列。但如果這一變化發生得非常迅速，小球則會形成一種不規則的排列。如果重複這一迅速的過程，盡管系統經曆的變化完全相同，小球卻會呈現出一種新的排列。

為什麼會産生不同的結果？帕裡西在研究另一種稱為自旋玻璃（spin glass）的系統時了解了其中的複雜性并且發現了無序系統的秘密。這種系統是一種特殊的金屬合金，例如向銅原子網絡中随機混入鐵原子所得的合金。盡管隻包含少量的鐵原子，它卻能以一種令人困惑的方式改變磁性。每個鐵原子的行為就像一個小磁鐵（或者說自旋），會被周圍的其他鐵原子影響。在普通磁鐵中，所有自旋指向相同的方向；但在自旋玻璃中，自旋狀态會受到阻挫（frustration）：一些自旋對想要指向相同的方向，而另一些自旋對卻相反，那麼它們是如何找到最佳指向的呢？

自旋玻璃及其奇特的性質為複雜系統提供了一個模型。1979年，帕裡西取得了決定性的突破，展示了解決自旋玻璃問題的方法。他的解決辦法在數學上的正确性在多年之後才得到證明。從那時起，他的方法在許多無序系統中被廣泛使用，成為複雜系統理論的基石。

帕裡西還研究了許多其他現象，在這些現象中，随機過程在結構的形成和發展中起着決定性作用。比如，數千隻椋鳥的咕哝聲如何形成特定的模式。這個問題看似與自旋玻璃相去甚遠，但是在帕裡西看來，他的大部分研究都關注簡單行為如何導緻複雜的整體行為，這對自旋玻璃和椋鳥群同樣适用。

諾貝爾實體學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示：“今年獲獎的發現表明，我們關于氣候的了解建立在堅實的科學基礎之上，基于對觀測的嚴謹的分析。今年的獲獎者為我們更加深入了解複雜實體系統的特性和演化都作出了貢獻。”

從現實的角度考慮，碳達峰、碳中和已經被納入我國生态文明建設的整體布局，我國已經提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目标，而世界上其他一些國家也在提出減排應對氣候變化的各項措施。真鍋淑郎和哈塞爾曼的先驅性研究堪稱科學研究改變人類生活的代表性案例，影響了今天的政策制定和未來的行動規劃。而在這樣一個人類發展的關鍵時期，面對日益複雜的世界和不斷出現的問題，帕裡西對複雜系統的研究在事關我們生活的很多方面産生了深遠影響。

阿爾弗雷德·諾貝爾（Alfred Nobel）在遺囑中設立諾貝爾獎，意在獎勵“對人類作出最大貢獻”的人士，比照這個标準，真鍋淑郎、哈塞爾曼和帕裡西獲得2021年諾貝爾實體學獎可謂實至名歸。

南方周末特約撰稿 鞠強