2021年诺贝尔物理学奖的一半给了意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi），因为他"发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和起伏的相互作用"。
在他50多年的科学研究中，帕里西赢得了无数奖项，包括1999年狄拉克奖，2000年费米奖和2005年海涅曼数学物理奖。今年是帕里西的"收获年"，除了诺贝尔奖之外，他还获得了沃尔夫物理学奖。
根据沃尔夫基金会的网站，帕里西因"无序系统，粒子物理学和统计物理学的突破性发现"而被授予沃尔夫物理学奖，并特别指出，在1977年，他与Altarelli一起提出了一个进化方程，可以准确地描述夸克和胶子在质子和原子核中的分布。
帕里西教授的照片。源|最新消息
帕里西在自旋玻璃方面的工作得到了很多解释。在这里，我们从帕里西对粒子物理学的贡献开始，并描述了由他和他的同事的研究引发的关于粒子微观世界复杂性的研究浪潮。
1. 帕里西
帕里西的父亲和祖父都是建筑工人。如果他追随家人的脚步，他可能正在研究钢铁和混凝土，而不是复杂的系统。
1970年，帕里西在"当时最着名的罗马理论家"尼古拉斯·卡比博的指导下获得了罗马大学的学位。然后，他立即前往罗马附近的实验室Labi Nazionali di Frascati工作，这是一个拥有粒子加速器的实验室。
他在实验室工作了10年，然后搬到罗马第二大学担任理论物理学教授。1992年，他来到罗马第一大学，现在是罗马第一大学的量子理论教授，专注于量子场论，统计力学和复杂系统。
帕里西的职业生涯始于粒子物理学领域的独立研究员。"人们普遍认为粒子物理学是最具挑战性和最重要的事情，"帕里西回忆道。1973年，帕里西与霍夫特合作研究强相互作用理论，但由于许多因素，错过了提出量子色动力学（QCD）理论的机会。帕里西在粒子物理学方面的主要贡献是（和其他人）提出了第一个QCD演化方程，即DGLAP方程。
帕里西教授的照片。源|欧盟政治报告
2. DGLAP演化方程
在过去的半个世纪里，对质子和中子或"核"（原子核的基本成分）的理解在理论和实验上都有了很大的发展。
在高分辨率下，质子的内部结构是复杂的：有无数的胶子和夸克和反夸克的"海洋"，它们不断出现和消失。
在外部"观察者"的眼中，大量胶子存在于快速移动的质子中所需的时间随着速度的增加而增加。因此，通过加速质子，我们可以及时减缓胶子的上升和下降，然后利用探针粒子与高能质子的相互作用来"快照"质子。
物理学家普遍希望尽可能多地将任何复杂的物理结构和变化定律恢复到最基本的统一规则。为了理解质子内部的复杂结构和进化规律，通常使用QCD进化方程来描述它们。其主要原理是，目前的QCD理论不能从第一原理计算出夸克和胶子的分布，而是通过演化方程，可以从已知的初始分布（实验测量或模型预测）中获得其他情况的分布。
其中，最常用的是Parisi等人提出的DALAP方程。DGLAP方程由三组研究人员独立发现，代表了五位发现者姓氏的首字母缩写：1972年，苏联理论物理学家格里博夫和利帕托夫提出了部分亚密度的进化方程;
DGLAP方程是探针尺度分布函数的进化方程：夸克和胶子分布函数随探针尺度而变化，由辐射胶子或胶子变成正夸克或负夸克的概率决定。
自从DGLAP方程提出以来，科学家们进一步提出了更多的进化方程，如BFKL方程，BK方程和JIMWLK方程等。这些演化方程是高能粒子物理学的基石，成功地描述和解释了世界上许多高能物理实验，包括德国的DESY实验、美国的JLab实验、欧洲核中心的LHC实验等。
根据沃尔夫基金会的说法，"当使用高能散射实验以高分辨率分析物质的基本结构时，帕里西的进化方程是必不可少的。
今天，DGLAP方程与其他进化方程一起，是强相互作用理论与高能物理实验之间的重要桥梁，是该领域研究人员手中的"向日葵宝藏"。
图 各种进化方程。源|美国 EIC 白皮书
更有趣的是，在高能情况下，QCD的演化方程可以推导出优异的玻璃凝聚现象，包括彩色玻璃凝聚和胶子凝聚，这些都是粒子微观世界中的复杂现象。
3. 作为复杂系统的质子
我们对QCD进化方程的理解和应用受益于统计和数学物理的最新进展。
法国学者Munier等人已经证明，在反应扩散过程中，一些子子（夸克和胶子的通用术语）的演化与经典粒子系统的演化相似。该系统的动力学基本上由随机FKPP方程的通用类中的方程控制。FKPP方程是一种随机非线性偏微分方程，是物理学、化学、生物学、德米纳组学等学科中非常重要的数学模型。
这意味着某些亚属的进化是一个随机的过程。对于随机过程，往往会出现一些奇怪的现象，比如彩色玻璃的冷凝。
如果你试图把质子加速到接近光速，你会看到一个奇怪的现象：胶子里面的质子数量急剧增加。这是因为光速飞行的"胶水"分裂，形成一对低能胶子，进一步分裂。最后，质子内部的胶子数量会达到极限，胶子的数量不会增加，此时，质子以光速飞行的状态被称为"彩色玻璃凝聚态"，其存在是胶子本身在QCD中相互作用的直接结果。
术语"彩色玻璃凝聚"是指由于强核力而由夸克和胶子携带的电荷。术语"玻璃"借用自二氧化硅和其他无序术语，这些术语在短时间内像固体，在很长一段时间内像液体一样。
图 随着探针能量的增加，产生更多的夸克和胶子，当满足一定条件时，玻璃发生凝聚现象。
有学者深入研究了进化方程，发现在胶子色玻璃凝聚点附近也存在类似的自旋玻璃现象，即夸克和胶子层的自旋玻璃。这个方向需要进一步探索。
4. 结论
研究物质的深层结构和其相互作用的基本性质，一直是自然科学最基础和最前沿的领域。把物质和相互作用简化为简单的基本法则，并不意味着我们可以从这些规律中理解和掌握自然法则。对于多粒子复杂系统，不同的能级表现出不同的性质。
现代核物理学的一个重要目标是直接从夸克和胶子的动力学中了解质子的内部结构。由Parisi等人开创的DGLAP等进化方程，将原子核的内部结构视为一个复杂的多体相互作用系统，正确地描述了一些质子的产生和湮灭的无序和起伏，并开辟了对夸克和胶子集体行为复杂性的研究。
Parrissi等人对各种复杂系统的研究表明了数学和物理定律的普遍性。正如诺贝尔委员会所指出的那样，帕里西发现这种复杂性在微观到宏观系统中很常见 - "从原子到行星尺度的物理系统"！
作者：陈旭荣，中国科学院现代物理研究所研究员
编辑：刘芳
引用：
1. 阿尔塔雷利;帕里西， G. （1977-08-08）."帕顿语中的渐近自由"。核物理 B. 126 （2）： 298–318.
2. 俞煜Dokshitzer.Sov.Phys. JETP 46：641 （1977）.
3. V.N.格里博夫，L.N.利帕托夫。Sov.J.Nucl.Phys. 15：438 （1972）.
4. https://www.pnas.org/content/103/21/79453
5. https://wolffund.org.il/2021/02/09/giorgio-parisi/