理解一个复杂世界——2021年诺贝尔物理学奖解读

北京时间2021年10月5日17时49分，瑞典皇家科学院宣布，2021年度诺贝尔物理学奖授予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所作出的开创性贡献”。

真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西（来源：诺贝尔奖官网）

真锅淑郎1931年出生于日本新宫，1957年在日本东京大学获得博士学位，目前在美国普林斯顿大学担任高级气象学家。哈塞尔曼1931年出生于德国汉堡，1957年在哥廷根大学获得博士学位，目前在德国汉堡马克斯普朗克气象学研究所担任教授。帕里西1948年出生于意大利罗马，1970年在罗马第一大学获得博士学位，目前在罗马第一大学担任教授。

真锅淑郎和哈塞尔曼因为“对地球气候的物理建模、量化可变性并可靠地预测了全球变暖”而共同分享了总额为1000万瑞典克朗的奖金的一半，帕里西则因为“发现了从原子尺度到行星尺度的物理系统中的无序和扰动的相互作用”而获得了另外500万瑞典克朗的奖金。

三位获奖者的研究都关注混沌、随机的现象。真锅淑郎和哈塞尔曼的研究奠定了我们对于地球气候以及人类如何影响地球气候的认识的基础，而帕里西则对无序材料和随机过程的理论作出了革命性贡献。

所有复杂系统都由许多不同的相互作用的部分组成。几个世纪以来，物理学家一直在研究它们，但在很长的时间里都难以理解它们，因为它们很难用数学方法来描述——它们可能有数量巨大的组成部分，或者被随机因素所支配。它们也可能是混沌的，就像天气一样，初始值的微小变化就会导致随后出现的巨大差异。今年的诺贝尔物理学奖奖励的正是能够描述复杂系统并且预测它们的长期行为的新方法。

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揭示地球气候的规律

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在我们所面对的各种复杂系统中，对人类至关重要的一个复杂系统就是地球气候，因此也成为科学家长期探索的对象。200年前，法国物理学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）就开始研究太阳辐射对地球的影响，并发现了我们今日称为“温室效应”的现象。此后，气候学家不断为大气科学的知识增加细节，并根据预测天气的模型发展了气候模型。

作为一个被公众熟知的科学词汇，温室效应与我们人类的生活息息相关。二氧化碳、甲烷、水蒸气等气体都是温室气体，其中影响最大的其实是水蒸气。但是，我们无法控制大气中水蒸气的浓度，只能努力控制二氧化碳、甲烷等其他温室气体的浓度。

瑞典科学家、1903年诺贝尔化学奖得主斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）第一个发现了二氧化碳对气温的影响。他通过研究发现，如果大气中的二氧化碳水平减半，就足以让地球再次进入冰河时代，而如果二氧化碳水平翻倍，地球的温度会升高5℃~6℃。在某种程度上，这个结果与目前的估计值惊人地一致。

20世纪50年代，真锅淑郎在获得博士学位后前往美国继续研究生涯，他的研究方向和阿伦尼乌斯一样，希望能够理解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。20世纪60年代，他领导了地球气候的物理模型的发展，将对流引起的气团垂直输运以及水蒸气的潜热纳入其中。

为了使这些计算更加简便，真锅淑郎选择将模型简化为一根垂直的圆柱体，从地面直达40千米高的大气层。在经过大量计算后，他发现氧气和氮气对地表温度的影响可以忽略不计，而二氧化碳则具有显著的影响：当二氧化碳浓度翻倍时，全球气温会上升2℃以上。而且，这个模型还证实这种升温的确是由二氧化碳浓度增加所导致的。因为这个模型预测，当上层大气变冷时，靠近地面的大气温度会升高，而如果是太阳辐射的变化导致了温度升高，那么整个大气层应该同时被加热。真锅淑郎用来自一维模型的见解引出了三维空间中的气候模型，这是我们揭示地球气候规律过程中的里程碑事件，并为当前气候模型的发展奠定了基础。

在真锅淑郎的研究大约10年之后，哈塞尔曼找到了面对多变且混沌的天气的办法，成功创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，这样就能回答一个问题，即为什么尽管天气是多变且混乱的，气候模型仍然可靠。而在完成气候变化模型之后，哈塞尔曼还发展了能够识别自然现象和人类活动影响气候的特定信号（“指纹”）的方法。借此，他为进一步研究气候变化扫清了障碍。

哈塞尔曼的方法被用来证明大气温度的升高是由于人类排放二氧化碳。完善的气候模型清楚地显示了加速的温室效应：自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳的含量增加了40%。在过去数十万年间，地球的大气层从未有过如此之多的二氧化碳。温度测量则表明在过去的150年中，全球温度升高了1℃。这看似幅度不高的升温，除了带来直接可见的冰川融化、海平面上升的结果外，已经对很多生态系统造成了致命的影响。诺贝尔奖委员会在官网上用四个简明的问答来凸显真锅淑郎和哈塞尔曼的研究的重要意义，这是气候模型明确告诉我们的结论。

-地球在升温吗？

-是的。

-是因为大气中温室气体含量的增加吗？

-这可以仅用自然因素来解释吗？

-不能。

-人类的排放是温度升高的原因吗？

<h3>发现无序系统的秘密</h3>

大约在1980年，帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。他的发现使我们能够理解和描述很多不同的、完全随机的材料和现象，这些应用不只是在物理学领域内，同样也在其他一些非常不同的领域内，包括数学、生物学、神经科学和机器学习等。

复杂系统的研究始于19世纪后半叶，麦克斯韦（James C. Maxwell）、玻尔兹曼（Ludwig Boltzmann）和吉布斯（J. Willard Gibbs）等人发展的统计力学使我们拥有了描述和研究由大量粒子构成的系统的方法。这种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非单独研究每个粒子。由于为气体和液体的宏观性质（如温度和压强）提供了微观解释，统计力学获得了巨大的成功。

气体中的粒子可以被视为小球，当温度下降或者压力升高时，小球构成的系统首先变为液体，接着变为固体——通常是晶体，小球在其中以规则的方式排列。但如果这一变化发生得非常迅速，小球则会形成一种不规则的排列。如果重复这一迅速的过程，尽管系统经历的变化完全相同，小球却会呈现出一种新的排列。

为什么会产生不同的结果？帕里西在研究另一种称为自旋玻璃（spin glass）的系统时理解了其中的复杂性并且发现了无序系统的秘密。这种系统是一种特殊的金属合金，例如向铜原子网络中随机混入铁原子所得的合金。尽管只包含少量的铁原子，它却能以一种令人困惑的方式改变磁性。每个铁原子的行为就像一个小磁铁（或者说自旋），会被周围的其他铁原子影响。在普通磁铁中，所有自旋指向相同的方向；但在自旋玻璃中，自旋状态会受到阻挫（frustration）：一些自旋对想要指向相同的方向，而另一些自旋对却相反，那么它们是如何找到最佳指向的呢？

自旋玻璃及其奇特的性质为复杂系统提供了一个模型。1979年，帕里西取得了决定性的突破，展示了解决自旋玻璃问题的方法。他的解决办法在数学上的正确性在多年之后才得到证明。从那时起，他的方法在许多无序系统中被广泛使用，成为复杂系统理论的基石。

帕里西还研究了许多其他现象，在这些现象中，随机过程在结构的形成和发展中起着决定性作用。比如，数千只椋鸟的咕哝声如何形成特定的模式。这个问题看似与自旋玻璃相去甚远，但是在帕里西看来，他的大部分研究都关注简单行为如何导致复杂的整体行为，这对自旋玻璃和椋鸟群同样适用。

诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森（Thors Hans Hansson）表示：“今年获奖的发现表明，我们关于气候的了解建立在坚实的科学基础之上，基于对观测的严谨的分析。今年的获奖者为我们更加深入了解复杂物理系统的特性和演化都作出了贡献。”

从现实的角度考虑，碳达峰、碳中和已经被纳入我国生态文明建设的整体布局，我国已经提出2030年前碳达峰、2060年前碳中和的目标，而世界上其他一些国家也在提出减排应对气候变化的各项措施。真锅淑郎和哈塞尔曼的先驱性研究堪称科学研究改变人类生活的代表性案例，影响了今天的政策制定和未来的行动规划。而在这样一个人类发展的关键时期，面对日益复杂的世界和不断出现的问题，帕里西对复杂系统的研究在事关我们生活的很多方面产生了深远影响。

阿尔弗雷德·诺贝尔（Alfred Nobel）在遗嘱中设立诺贝尔奖，意在奖励“对人类作出最大贡献”的人士，比照这个标准，真锅淑郎、哈塞尔曼和帕里西获得2021年诺贝尔物理学奖可谓实至名归。

南方周末特约撰稿 鞠强