復(fù)雜系統(tǒng)的開創(chuàng)性研究及其在氣候問題上的應(yīng)用
——2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

本刊資料室

1 2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，美國(guó)氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國(guó)氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼因“物理模擬地球氣候，量化其可變性和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”而共同分享一半獎(jiǎng)金.另一半獎(jiǎng)金由意大利物理學(xué)家喬治·帕里西獲得，表彰其“對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究”.

真鍋淑郎(Syukuro Manabe)1931年出生于日本新宮.1957年從日本東京大學(xué)獲得博士學(xué)位,目前為美國(guó)普林斯頓大學(xué)氣象學(xué)家.

克勞斯·哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)1931年出生于德國(guó)漢堡.1957年從德國(guó)哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位,目前為德國(guó)馬普氣象學(xué)研究所教授.

喬治·帕里西(Giorgio Parisi)1948年出生于意大利羅馬.1970年從意大利羅馬大學(xué)獲得博士學(xué)位,目前為羅馬大學(xué)教授.

2 何謂復(fù)雜系統(tǒng)

復(fù)雜是相對(duì)簡(jiǎn)單而言.在科學(xué)上，一般把具有單一、平衡、線性、穩(wěn)定、均勻、可積、可逆、規(guī)則、連續(xù)、周期、對(duì)稱、有序、精確等特征的事物稱為具簡(jiǎn)單性；而把具有多元、非平衡、非線性、不穩(wěn)定、不均勻、不可積、不可逆、不規(guī)則、不連續(xù)、非周期、不對(duì)稱、無序、不精確等特征的事物稱為具復(fù)雜性.復(fù)雜系統(tǒng)則是其組成元素或結(jié)構(gòu)具復(fù)雜性的事物.2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咚芯康亩际蔷哂休^多復(fù)雜性特征的系統(tǒng).所用的思想與方法則主要是物理學(xué)的.復(fù)雜系統(tǒng)雖然復(fù)雜，但并不是不可認(rèn)識(shí)的.通過艱苦深入的研究，一般都可以找到它的某些特征或規(guī)律.進(jìn)而找到處理并解決它的策略與辦法.2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)提供的正是這方面的典型事例.

3 從氣候模型的開發(fā)到預(yù)測(cè)全球變暖

地球氣候是一個(gè)與人類命運(yùn)與生活息息相關(guān)的復(fù)雜系統(tǒng).很早以來，人類就關(guān)心它、認(rèn)識(shí)它、研究它.雖然也取得了一些進(jìn)展，但總的來說，還是處于較低水平.

3.1 真鍋淑郎的研究與貢獻(xiàn)

20世紀(jì)60年代，日本大氣物理學(xué)家真鍋淑郎是東京的一位年輕有才的研究人員，他離開日本，到美國(guó)從事氣候研究.他的研究與70年前阿倫尼烏斯的研究一樣，目的是了解二氧化碳水平的增加如何導(dǎo)致溫度變化.他領(lǐng)導(dǎo)了地球氣候物理模型的開發(fā)，是第一個(gè)探索輻射平衡和氣團(tuán)垂直輸送之間相互作用的人.他的工作為當(dāng)前氣候模型的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

為了使計(jì)算易于處理，他將模型縮小到一維，一個(gè)垂直40 km的大氣層柱.即便如此，通過改變大氣中的氣體水平來測(cè)試模型還是花費(fèi)了數(shù)百個(gè)寶貴的計(jì)算小時(shí).氧氣和氮?dú)鈱?duì)地表溫度的影響可忽略不計(jì)，二氧化碳的影響則明顯：當(dāng)二氧化碳水平翻一番時(shí)，全球溫度上升超過2 ℃.

該模型證實(shí)，變暖確實(shí)是由于二氧化碳增加.因?yàn)槟Ｐ皖A(yù)測(cè)，靠近地面的溫度升高，而高層大氣變冷.如果溫度升高的原因是太陽輻射變化，那么整個(gè)大氣應(yīng)該同時(shí)加熱.

3.2 哈塞爾曼的研究與貢獻(xiàn)

大約10年后，哈塞爾曼創(chuàng)建了一個(gè)將天氣和氣候聯(lián)系在一起的模型，從而回答了為什么氣候模型可以信賴，盡管天氣是多變和混亂的.他還開發(fā)了識(shí)別自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)在氣候中留下印記的特定信號(hào)和指紋的方法.他的方法已經(jīng)被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳.

20世紀(jì)50年代，美國(guó)氣象學(xué)家洛倫茨提出了著名的“混沌理論”，在洛倫茨的巨大影響下，氣候研究何去何從，似乎看不到什么光明前景.就在這時(shí)(70年代)，哈塞爾曼提出了他的模型，基本觀點(diǎn)是：氣候雖然是隨機(jī)的，但還是相當(dāng)線性的，其軌跡朝著平均值衰減，逐漸發(fā)展為單峰的概率密度函數(shù).雖然，這也存在不少的不確定性，但這為后來的氣候研究，包括檢測(cè)歸因、氣候模式、輻射強(qiáng)迫、氣候變化的信號(hào)分解等提供了研究基礎(chǔ)，才有了后面有關(guān)的發(fā)現(xiàn)：二氧化碳被清晰地認(rèn)定為變暖的主要因素.

3.3 重大意義

他們建立起了人類活動(dòng)影響地球氣候系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)，這些科學(xué)工作推動(dòng)全球應(yīng)對(duì)氣候變化的策略與行動(dòng)，包括目前全球按2016年“巴黎氣候協(xié)定”進(jìn)行的“碳達(dá)峰”“碳中和”行動(dòng).

4.對(duì)復(fù)雜物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究

4.1 前人的工作

對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的現(xiàn)代研究植根于19世紀(jì)下半葉麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯發(fā)展的統(tǒng)計(jì)力學(xué).其基本觀點(diǎn)：對(duì)大量粒子組成的系統(tǒng)(如氣體或液體)的描述，必須考慮粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，主要是計(jì)算粒子的平均效應(yīng)，而非單獨(dú)研究每個(gè)粒子.例如，氣體溫度是氣體粒子能量平均值的量度.統(tǒng)計(jì)力學(xué)取得了巨大成功，對(duì)氣體和液體的宏觀行為，給出了微觀解釋.但那個(gè)時(shí)代,研究的多是簡(jiǎn)單系統(tǒng).

4.2 在對(duì)自旋玻璃研究中的發(fā)現(xiàn)

帕里西原始作品的主題是一種不同的系統(tǒng)——自旋玻璃.這是一種特殊類型的合金，例如，鐵原子隨機(jī)混入銅原子網(wǎng)格.即便只有幾個(gè)鐵原子，它們也以一種激進(jìn)且令人費(fèi)解的方式改變了材料的磁性.每個(gè)鐵原子的行為就像一個(gè)小磁鐵，受靠近它的其他鐵原子的影響.在普通磁鐵中，所有自旋指向相同，但在自旋玻璃中，它們會(huì)受挫；一些自旋指向同一個(gè)方向，而另一些則指向相反的方向.自旋玻璃及其奇異特性為復(fù)雜系統(tǒng)提供了一個(gè)模型.20世紀(jì)70年代，包括幾位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者在內(nèi)的許多物理學(xué)家都在尋找一種方法，來描述神秘的自旋玻璃.他們使用的這種方法是復(fù)型技巧，這是一種同時(shí)處理系統(tǒng)的許多復(fù)型的數(shù)學(xué)技術(shù).

1979年，帕里西取得了決定性的突破，他巧妙地利用復(fù)型技巧解決自旋玻璃的有關(guān)問題.在復(fù)型中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)隱藏結(jié)構(gòu)，并找到了數(shù)學(xué)描述方法.此后，他的方法被用于許多無序系統(tǒng)，并成為復(fù)雜系統(tǒng)理論的基石.

4.3 更廣泛的研究

帕里西還研究了許多其他現(xiàn)象，在這些現(xiàn)象中，隨機(jī)過程在結(jié)構(gòu)的創(chuàng)建和發(fā)展過程中起著決定性作用.帕里西解決諸多問題：為什么會(huì)周期性出現(xiàn)冰河期？混沌和湍流系統(tǒng)是否有更一般的數(shù)學(xué)描述？ 數(shù)千只椋鳥的咕噥聲是如何形成這種模式的？ 這些問題似乎與自旋玻璃相去甚遠(yuǎn). 然而，帕里西表示，他的大部分研究都涉及簡(jiǎn)單行為如何導(dǎo)致復(fù)雜的集體行為.

5 結(jié)束語

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予3位與氣候變化研究相關(guān)的氣象學(xué)家和物理學(xué)家，體現(xiàn)了國(guó)際科技界當(dāng)前以全球氣候變化問題以及人類賴以生存的環(huán)境系統(tǒng)為研究熱點(diǎn)之一，鼓勵(lì)和推動(dòng)在上述領(lǐng)域的創(chuàng)新研究，積極應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)峻的全球氣候變暖帶來的挑戰(zhàn)，為人類保護(hù)和建設(shè)美好安全的生存環(huán)境奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ).

研究和觀測(cè)表明，大氣中二氧化碳等溫室氣體的含量在持續(xù)增加，隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，大氣溫度升高也在加劇.因此，人類正面臨氣候環(huán)境惡劣變化的嚴(yán)峻形勢(shì)，如不及時(shí)治理，將帶來無窮的后患.為此，由聯(lián)合國(guó)主導(dǎo)并于2016年11月4日起正式實(shí)施的“巴黎氣候協(xié)定”為治理氣候變暖制定了目標(biāo)和方案，我國(guó)積極參與并率先承諾實(shí)現(xiàn)2030年“碳達(dá)峰”和2060年“碳中和”的奮斗目標(biāo).期盼科技工作者繼續(xù)在有關(guān)氣候和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域深入開展科學(xué)研究，取得更多更好的研究成果.