楊先碧

氣候是一個變量很多的復雜系統(tǒng)，要預測氣候變化十分困難。美國氣象學家真鍋淑郎和德國氣象學家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，解決了長期氣候預測的部分難題，他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學獎。與他們同時獲獎的還有意大利物理學家喬治·帕里西，他研究的是復雜系統(tǒng)中微觀無序和宏觀有序之間的相互作用，對推動復雜系統(tǒng)的理論研究和實際應用做出了突出的貢獻。

解決全球變暖的預測難題

早在20世紀上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐年升高，這就是全球變暖問題。后來，科學家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動造成二氧化碳排放過多引發(fā)的，因為二氧化碳是一種可導致大氣升溫的溫室氣體。

影響氣候變化的因素很多，如何證明二氧化碳是導致全球變暖的主要因素呢？

真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學的方法，證明了這個難題。他們建立了輻射對流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關系。這個模型清楚地顯示：隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會不斷上升。利用這個模型，真鍋淑郎預測了未來全球變暖的趨勢：如果大氣中二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動的。也就是說，二氧化碳排放的增加不僅使排放者遭殃，全球都會跟著倒霉。真鍋淑郎根據(jù)自己的研究模型還預測，極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的。后來對南北兩極冰川的觀測結果證實了這一預測是正確的。因此，如果不實施節(jié)能減排，人們不僅會因全球變暖而遭受更多的極端天氣，還會因海平面上升而失去沿海的生存領地。

真鍋淑郎和中國氣象學家交往密切，他多次來中國交流講學。中國科學院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人都曾經(jīng)和真鍋淑郎共事，與他結下深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士曾合作研究，并于1982年在國際期刊發(fā)表了關于土壤濕度記憶力的學術論文，推動了國際上關于青藏高原氣候影響的數(shù)值模擬研究。

人類活動對全球變暖的影響

地球歷史上發(fā)生過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類沒有出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。近一百多年來的全球變暖事件，真的是人類活動導致的嗎？曾經(jīng)有不少人對此表示懷疑，而哈塞爾曼的研究成果幫助人們消除了疑惑。

在影響氣候變化的多種因素中，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。通常短期天氣預報的準確度高于長期氣候預測，但是短期天氣變化的混亂程度也大于長期氣候變化。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規(guī)律，相當于從一團亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發(fā)現(xiàn)，太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體濃度的變化，會在氣象系統(tǒng)中留下獨特的信號，這些信號可以鑒別出來，而這種像識別指紋一樣的方法也可以應用于人類對氣象系統(tǒng)影響的研究。哈塞爾曼就利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型，創(chuàng)造性地從復雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。隨機氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動（主要是二氧化碳排放增多）導致的結果。

哈塞爾曼對物理學的興趣來自一臺收音機。13歲時，他從一個朋友那里買了一臺收音機。他說：“令我印象深刻的是，即使不用接上插座，我也可以通過耳機聽到美妙的音樂?！碑敃r，他想更好地了解這個令人困惑的現(xiàn)象，所以去圖書館學習相關物理知識。

復雜系統(tǒng)中的無序與有序

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復雜系統(tǒng)中的運行規(guī)律，而帕里西的研究讓人們了解到復雜系統(tǒng)的宏觀性質。帕里西通過研究自旋玻璃，發(fā)現(xiàn)了隨機現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復雜系統(tǒng)的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的模式。這種無序材料是自旋玻璃，它并非我們常見的玻璃，而是在特殊條件下呈現(xiàn)出玻璃狀態(tài)的銅鐵合金。雖然玻璃態(tài)物質歸類于固體，但是它的性質介于固體和液體之間。自旋玻璃中的鐵原子隨機地混合進銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉）會產生一個磁場，這使得自旋玻璃成為具有磁性的材料。自旋玻璃中的鐵原子自旋方向是無序的、隨機的，但是自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性是特定的、有序的。

通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了深奧的“復本對稱破缺”理論。簡單來說，它能讓人們理解和描述復雜系統(tǒng)隨機性背后隱藏的規(guī)律，這是帕里西對復雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻之一。這一規(guī)律不僅在物理學界如此，在其他很多看似不相關的領域，比如材料科學、生物學、神經(jīng)科學，以及機器學習領域也是如此。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，曾經(jīng)希望帕里西成為工程師，但是帕里西從小喜歡讀科普書籍，這培養(yǎng)了他對基礎科學的興趣。在大學時，他曾為選擇從事物理學研究還是數(shù)學研究而為難，最終被當時物理學所獲得的輝煌成就所吸引而選擇了物理學。

帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學、統(tǒng)計力學、流體動力學、凝聚態(tài)物理學，以及超級計算機等物理學領域做出了許多決定性貢獻，并得到了廣泛認可;他還利用物理學的方法從事生物學研究，發(fā)表過關于神經(jīng)網(wǎng)絡、免疫系統(tǒng)和動物種群運動的學術論文。

復雜系統(tǒng)研究的實際用途

三位科學家的研究表明，對于微觀上無序擾動的復雜系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計方法就可以找出宏觀上有序的性質。這樣的研究不但有理論意義，還具有實際用途。比如，我們每天收看的天氣預報，就是氣象學家對大氣運動這種無序現(xiàn)象建模之后得到的預測結果。

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究，是復雜系統(tǒng)理論和實際用途（氣象預測）充分結合的典范。面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風等氣象災害，人們也逐漸意識到氣候變化對人類生存的巨大威脅。而政府在制定相關氣候政策時，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，而是要明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應的措施。兩人的研究都表明氣候變化與二氧化碳排放之間的關系，因此近年來，各國政府及聯(lián)合國相關組織都在大力倡導“碳達峰”和“碳中和”。

諾貝爾物理學獎評選委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調說：“這三位科學家的發(fā)現(xiàn)獲得了評選委員會的認可，表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學基礎上，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)的性質和演化?！?/p>

我們相信，隨著科學技術的不斷發(fā)展，人類對氣象、材料、天文等領域的復雜系統(tǒng)的認識會越來越深入，人類趨利避害的本領將會越來越強大。

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獲獎者簡介

真鍋淑郎

1931年出生于日本，1958年從日本東京大學獲得理學博士學位，隨后到美國氣象局工作，現(xiàn)供職于美國普林斯頓大學。

克勞斯·哈塞爾曼

1931年出生于德國，1957年從德國哥廷根大學獲得博士學位，現(xiàn)任歐洲氣候論壇副主席。

喬治·帕里西

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，現(xiàn)為意大利羅馬智慧大學理論物理系教授，意大利國家核物理研究所研究員。