北京時間9月5日，瑞典皇家科學院宣布，美國科學家真鍋淑郎(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·帕里西(Giorgio Parisi)榮膺2021年諾貝爾物理學獎，“以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴碗s物理系統(tǒng)所作出的開創(chuàng)性貢獻”。

其中一半獎金授予真鍋淑郎和哈塞爾曼，以表彰他們“為地球的氣候進行物理建模，量化其可變性并可靠地預測全球變暖”;另外一半獎金授予帕里西，以表彰他“發(fā)現(xiàn)從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)內(nèi)的無序和波動的相互作用”。

因揭示復雜系統(tǒng)的秘密而獲獎

所有復雜系統(tǒng)都由許多不同且相互作用的部分組成，物理學家已經(jīng)對它們展開了幾個世紀的研究，但很難用數(shù)學方法來描述它們——它們可能包含很多部分，也可能由偶然因素決定。這些復雜系統(tǒng)以隨機、無序和混沌而“臭名昭著”，比如天氣，初始值的微小偏差會導致結(jié)果迥然不同。

而今年獲獎的這三位科學家迎難而上，創(chuàng)造性地提出了很多描述它們和預測它們長期行為的新方法，從而揭示了這些復雜系統(tǒng)背后隱藏的秘密，有助于我們更好地理解此類系統(tǒng)及其長期發(fā)展趨勢。

諾獎官網(wǎng)稱：“今年獲獎的三位科學家深入研究了混沌現(xiàn)象和明顯的隨機現(xiàn)象。真鍋淑郎和哈塞爾曼的相關(guān)研究為我們了解地球氣候以及人類如何影響它奠定了堅實的基礎(chǔ);而帕里西因其對無序材料和隨機過程理論的革命性貢獻而獲獎。”

揪出全球變暖背后的“真兇”

一個對人類至關(guān)重要的復雜系統(tǒng)是地球氣候，真鍋淑郎揭示了地球大氣中二氧化碳含量的增加如何導致地球表面溫度的升高。

在20世紀60年代，他領(lǐng)導了地球氣候物理模型的開發(fā)，成為探索輻射平衡與對流引起的空氣垂直輸送以及水蒸氣的潛熱之間相互作用的第一人，他的開創(chuàng)性研究為此后氣候模型的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

二氧化碳水平的增加導致低層大氣溫度升高，而高層大氣溫度降低。真鍋淑郎證實氣溫的變化是由于二氧化碳濃度的增加，如果它是由太陽輻射引起，那么整個大氣都應該變暖。

真鍋淑郎在其工作的普林斯頓大學官網(wǎng)介紹稱：“在20世紀60年代初，我們開發(fā)了一個大氣輻射對流模型，并探索了水蒸氣、二氧化碳和臭氧等溫室氣體在維持和改變大氣熱結(jié)構(gòu)中的作用，這是科學家們對全球變暖長期研究的開始。隨后的20世紀60年代末，我和同事開始開發(fā)一個大氣-海洋-陸地耦合系統(tǒng)的大氣環(huán)流模型，該模型最終成為模擬全球變暖的一個非常強大的工具，而我也一直在從事這一方面的研究。”

六十年前，計算機的運行速度比現(xiàn)在慢數(shù)十萬倍，所以這個模型相對簡單，但關(guān)鍵功能是正確的。真鍋淑郎說：“你必須簡化，你無法與自然界的復雜性抗衡——每一滴雨滴都涉及到如此多的物理因素，因此永遠不可能計算出所有的一切”。

對一維模型的分析導致了催生了三維氣候模型，該模型于1975年面世，成為理解氣候秘密道路上的又一個里程碑。

真鍋淑郎首次探索了輻射平衡與對流造成的空氣垂直輸送之間相互作用，并考慮了水循環(huán)貢獻的熱量。

哈塞爾曼創(chuàng)建了一個將天氣和氣候聯(lián)系起來的模型，從而回答了為什么氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。他還開發(fā)出了新方法，可用來鑒別出自然現(xiàn)象和人類活動在氣候變化中留下的“蛛絲馬跡”——他發(fā)現(xiàn)，太陽輻射、火山顆?；驕厥覛怏w濃度的變化會在氣候系統(tǒng)中留下獨特的信號，這些信號可以鑒別出來，而這種識別“指紋”的方法也可以應用于人類對氣候系統(tǒng)的影響。哈塞爾曼因此為進一步研究氣候變化掃清了道路，他的方法被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

克勞斯·哈塞爾曼開發(fā)了區(qū)分導致大氣升溫的自然和認為原因(指紋)的方法，圖為1901—1950年間的平均氣溫變化。

在上述兩位科學家研究的基礎(chǔ)上，氣候模型越來越精準。這些模型清楚地顯示了溫室效應在加速——自19世紀中葉以來，大氣中二氧化碳的濃度增加了40%。幾十萬年來，地球大氣中都沒有這么多二氧化碳。而且，溫度測量表明，過去150年全球變暖1攝氏度。

無序的復雜材料隱藏什么秘密

日歷翻到1980年左右，人們對復雜系統(tǒng)的理解愈發(fā)深入!

1980年左右，帕里西提出了他關(guān)于隨機現(xiàn)象如何受隱藏規(guī)則支配的發(fā)現(xiàn)。他的工作現(xiàn)在被認為是對復雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻之一。

他對自旋玻璃開展了深入研究。自旋玻璃是一種特殊類型的金屬合金，其中鐵原子隨機混合進銅原子網(wǎng)格。盡管只有少量鐵原子，但它們卻以一種極端而令人費解的方式改變了整個材料的磁性。每一個鐵原子的行為都像一個小磁鐵(或者說自旋)，它受到靠近它的其他鐵原子的影響。在普通磁鐵中，所有自旋都指向同一方向，但在自旋玻璃中，這些鐵原子的行為受到阻礙;一些自旋對想要指向同一方向，而另一些自旋對想要指向相反方向——那么它們?nèi)绾握业阶罴逊较蚰?

在關(guān)于自旋玻璃的書的導言中，帕里西寫道：“研究自旋玻璃就像觀看莎士比亞戲劇中的人類悲劇。如果你想同時和兩個人交朋友，但他們卻彼此憎恨，這可能會讓人沮喪。怎樣才能把悲劇降到最低水平呢?”

自旋玻璃是一種金屬合金，其中鐵原子被隨機混合成銅原子網(wǎng)格。每個鐵原子的行為(旋轉(zhuǎn))就像一個小磁鐵，會受到周圍其他磁鐵的影響。然而，在自旋玻璃中，它們會受到阻挫，難以選擇指向哪個方向。帕里西利用他對自旋玻璃的研究，開發(fā)了一種無序和隨機現(xiàn)象的理論，涵蓋了許多其他復雜的系統(tǒng)。

自旋玻璃及其奇特的性質(zhì)為復雜系統(tǒng)提供了一個模型。在這些系統(tǒng)中，各個部分必須在各種反作用力間達到平衡，它們的行為是怎樣的?最終結(jié)果如何?帕里西是回答這些問題的大師。他對自旋玻璃結(jié)構(gòu)的基本發(fā)現(xiàn)非常深刻，這些發(fā)現(xiàn)使人們能夠理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的材料和現(xiàn)象，不僅可用于物理學領(lǐng)域，而且在數(shù)學、生物學、神經(jīng)科學和機器學習等領(lǐng)域也能“大顯身手”。

諾貝爾物理學獎委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調(diào)說：“這三位科學家的發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾獎的認可，表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學基礎(chǔ)上，而且，基于對觀測的嚴謹分析。他們的發(fā)現(xiàn)有助于我們更深入地了解復雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化。”(記者 劉霞)

獲獎者簡介：

真鍋淑郎，1931年出生于日本新宮，博士，1957畢業(yè)于日本東京大學，現(xiàn)在為美國普林斯頓大學資深氣象學家。

克勞斯·哈塞爾曼，1931年生于德國漢堡，博士，1957畢業(yè)于德國哥廷根大學，現(xiàn)為德國馬克斯·普朗克氣象研究所教授。

喬治·帕里西，1948年生于意大利羅馬，博士，1970畢業(yè)于意大利羅馬大學，現(xiàn)為該校教授。

關(guān)鍵詞： 氣候 復雜系統(tǒng) 瑞典皇家科學院 真鍋淑郎 哈塞爾曼