復雜系統的開創性研究及其在氣候問題上的應用
——2021年諾貝爾物理學獎簡介

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

復雜是相對簡單而言.在科學上，一般把具有單一、平衡、線性、穩定、均勻、可積、可逆、規則、連續、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、不穩定、不均勻、不可積、不可逆、不規則、不連續、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.所用的思想與方法則主要是物理學的.復雜系統雖然復雜，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.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，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，哈塞爾曼創建了一個將天氣和氣候聯系在一起的模型，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.他還開發了識別自然現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，逐漸發展為單峰的概率密度函數.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現：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“巴黎氣候協定”進行的“碳達峰”“碳中和”行動.

4.對復雜物理系統的基礎研究

4.1 前人的工作

對復雜系統的現代研究植根于19世紀下半葉麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯發展的統計力學.其基本觀點：對大量粒子組成的系統(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.

4.2 在對自旋玻璃研究中的發現

帕里西原始作品的主題是一種不同的系統——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的許多復型的數學技術.

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.在復型中發現了一個隱藏結構，并找到了數學描述方法.此后，他的方法被用于許多無序系統，并成為復雜系統理論的基石.

4.3 更廣泛的研究

帕里西還研究了許多其他現象，在這些現象中，隨機過程在結構的創建和發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冰河期？混沌和湍流系統是否有更一般的數學描述？ 數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境系統為研究熱點之一，鼓勵和推動在上述領域的創新研究，積極應對日趨嚴峻的全球氣候變暖帶來的挑戰，為人類保護和建設美好安全的生存環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增加，隨著工業化和城鎮化的快速發展，大氣溫度升高也在加劇.因此，人類正面臨氣候環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，由聯合國主導并于2016年11月4日起正式實施的“巴黎氣候協定”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在有關氣候和環境保護領域深入開展科學研究，取得更多更好的研究成果.