本刊資料室

1 2021年諾貝爾物理學獎揭曉

2021年諾貝爾物理學獎揭曉，美國氣象學家真鍋淑郎和德國氣象學家克勞斯·哈塞爾曼因“物理模擬地球氣候，量化其可變性和可靠地預測全球變暖”而共同分享一半獎金.另一半獎金由意大利物理學家喬治·帕里西獲得，表彰其“對復雜物理系統(tǒng)的基礎研究”.

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

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

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獲得博士學位,目前為羅馬大學教授.

2 何謂復雜系統(tǒng)

復雜是相對簡單而言.在科學上，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、對稱、有序、精確等特征的事物稱為具簡單性；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、不對稱、無序、不精確等特征的事物稱為具復雜性.復雜系統(tǒng)則是其組成元素或結構具復雜性的事物.2021年諾貝爾物理學獎獲獎者所研究的都是具有較多復雜性特征的系統(tǒng).所用的思想與方法則主要是物理學的.復雜系統(tǒng)雖然復雜，但并不是不可認識的.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.進而找到處理并解決它的策略與辦法.2021年諾貝爾物理學獎提供的正是這方面的典型事例.

3 從氣候模型的開發(fā)到預測全球變暖

地球氣候是一個與人類命運與生活息息相關的復雜系統(tǒng).很早以來，人類就關心它、認識它、研究它.雖然也取得了一些進展，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

20世紀60年代，日本大氣物理學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致溫度變化.他領導了地球氣候物理模型的開發(fā)，是第一個探索輻射平衡和氣團垂直輸送之間相互作用的人.他的工作為當前氣候模型的發(fā)展奠定了基礎.

為了使計算易于處理，他將模型縮小到一維，一個垂直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試模型還是花費了數(shù)百個寶貴的計算小時.氧氣和氮氣對地表溫度的影響可忽略不計，二氧化碳的影響則明顯：當二氧化碳水平翻一番時，全球溫度上升超過2 ℃.

該模型證實，變暖確實是由于二氧化碳增加.因為模型預測，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，那么整個大氣應該同時加熱.

3.2 哈塞爾曼的研究與貢獻

大約10年后，哈塞爾曼創(chuàng)建了一個將天氣和氣候聯(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)了識別自然現(xiàn)象和人類活動在氣候中留下印記的特定信號和指紋的方法.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50年代，美國氣象學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(70年代)，哈塞爾曼提出了他的模型，基本觀點是：氣候雖然是隨機的，但還是相當線性的，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，包括檢測歸因、氣候模式、輻射強迫、氣候變化的信號分解等提供了研究基礎，才有了后面有關的發(fā)現(xiàn)：二氧化碳被清晰地認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影響地球氣候系統(tǒng)的科學基礎，這些科學工作推動全球應對氣候變化的策略與行動，包括目前全球按2016年“巴黎氣候協(xié)定”進行的“碳達峰”“碳中和”行動.

4.對復雜物理系統(tǒng)的基礎研究

4.1 前人的工作

對復雜系統(tǒng)的現(xiàn)代研究植根于19世紀下半葉麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯發(fā)展的統(tǒng)計力學.其基本觀點：對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運動，主要是計算粒子的平均效應，而非單獨研究每個粒子.例如，氣體溫度是氣體粒子能量平均值的量度.統(tǒng)計力學取得了巨大成功，對氣體和液體的宏觀行為，給出了微觀解釋.但那個時代,研究的多是簡單系統(tǒng).

4.2 在對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，鐵原子隨機混入銅原子網(wǎng)格.即便只有幾個鐵原子，它們也以一種激進且令人費解的方式改變了材料的磁性.每個鐵原子的行為就像一個小磁鐵，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，它們會受挫；一些自旋指向同一個方向，而另一些則指向相反的方向.自旋玻璃及其奇異特性為復雜系統(tǒng)提供了一個模型.20世紀70年代，包括幾位諾貝爾獎獲得者在內(nèi)的許多物理學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型技巧，這是一種同時處理系統(tǒng)的許多復型的數(shù)學技術.

1979年，帕里西取得了決定性的突破，他巧妙地利用復型技巧解決自旋玻璃的有關問題.在復型中發(fā)現(xiàn)了一個隱藏結構，并找到了數(shù)學描述方法.此后，他的方法被用于許多無序系統(tǒng)，并成為復雜系統(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，隨機過程在結構的創(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. 然而，帕里西表示，他的大部分研究都涉及簡單行為如何導致復雜的集體行為.

5 結束語

2021年諾貝爾物理學獎授予3位與氣候變化研究相關的氣象學家和物理學家，體現(xiàn)了國際科技界當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)為研究熱點之一，鼓勵和推動在上述領域的創(chuàng)新研究，積極應對日趨嚴峻的全球氣候變暖帶來的挑戰(zhàn)，為人類保護和建設美好安全的生存環(huán)境奠定了堅實的科學基礎.

研究和觀測表明，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)境惡劣變化的嚴峻形勢，如不及時治理，將帶來無窮的后患.為此，由聯(lián)合國主導并于2016年11月4日起正式實施的“巴黎氣候協(xié)定”為治理氣候變暖制定了目標和方案，我國積極參與并率先承諾實現(xiàn)2030年“碳達峰”和2060年“碳中和”的奮斗目標.期盼科技工作者繼續(xù)在有關氣候和環(huán)境保護領域深入開展科學研究，取得更多更好的研究成果.