氣象學與物理學的邊界
——從2021年諾貝爾物理學獎新聞報道用詞說起

■ 賈朋群

2021年諾貝爾物理學獎被美國、德國和意大利學者共享。日裔美國學者真鍋淑郎獲知得獎消息后發出的“可我只是個搞氣候的呀（But I’m just a climatologist）”的感嘆表明，這次2位氣象學者獲物理學獎似乎有些意外。實際上，現代氣象科學源自經典物理學，這一點不僅能從很多早期量化氣象觀測傳感器的發明出自物理學者之手、現代大學中氣象科學專業多從物理專業析出等感覺到，甚至現代氣象科學的奠基者和氣象問題的表述，都應該記在物理學家和物理學的身上。提出天氣預報是物理初值問題并就此創建了現代氣象科學的挪威學者皮葉克尼斯，他的父親C.A.皮葉克尼斯是一位一生鐘情于研究“以太”的志向遠大的物理學家。1890年，皮葉克尼斯來到當時為世界物理和數學研究中心的德國，師承大名鼎鼎的物理學家赫茲，對電的諧振進行廣泛研究。物理學家出身的皮葉克尼斯，1897年發現了著名的環流理論，該理論被認為是第一次將近代物理和數學發展的重要成果——流體力學和熱力學結合起來，應用于大氣和海洋中的大尺度運動研究。

物理學如母體孕育了氣象學，或者是氣象學作為物理學應用于地球大氣的應用領域，這一深厚的淵源在氣象科學獨立成長一個多世紀后，終于獲得諾獎物理學獎，也算是修成正果。物理獎委員會主席Thors Hans Hansson在評論今年獎項的中獎原因時更是一語中的：給混沌天氣編碼（to code the chaotic weather）。這里，天氣的本質被一個物理術語“混沌”定義就有了學科視角，而“編碼”一詞又從計算數學角度，詮釋了物理定律在氣象領域的駕馭。

Hansson在試圖串聯起本次獲獎者包含的氣候模擬和復雜系統研究兩方面的工作時進一步指出，兩類研究有共同的主題，或者說按照同樣的規則在做同樣的事情，即研究各種波動“合在一起能夠生成我們可以理解和預測的事情（fluctuations together that can give rise to something that we can understand and predict）”。這里，混沌的天氣又被一般化為波動（fluctuations），而fluctuations按照美國氣象學會術語解釋，它與氣象上更常用的variation（變化）等同，特指觀測序列連續值的升高和下降，或者是相對于穿過眾多數據點的平滑曲線數據的變化。從諾獎評委會不多的話語中，大約更加清晰地透視了氣象科學不僅是物理學應用于星球大氣層重要的應用學科，更是集中了各種復雜過程的代表，其學科內的科學問題可以穿透物理學更多的領域。

說到與本次諾獎物理學獎3位獲獎者研究密切相關的復雜過程，《自然》雜志在報道中用“隱藏的秩序（hidden order）”闡釋科學探索的意義。諾獎物理學獎評委會成員、耶魯大學地球和行星科學家John Wettlaufer指出：“我們認識到，將要出現的現象有時需要你觀察所有個別復雜的物理機制，再將它們結合在一起做出預測。”這里，“結合”這個詞是knit，原意為“編織”，換句話說，復雜過程中包含的多個物理機制共同起作用時，最終結果并非是簡單的機制相加，而是相互“編織”在一起，“編織”本身無疑也是一個復雜過程，因為編織的結果應該符合，甚至顯現出“隱藏的秩序”。

《經濟學家》雜志全面報道了本屆諾獎科學類獎項，在報道氣象學者獲得物理學獎時，以“光和熱（heat and light）”為小標題，似乎是在替物理學者找到該獎被賦予氣象學家的依據。報道中還特意提示，MIT的洛倫茨在真鍋淑郎開展研究的同時，開始將天氣作為一個混沌系統進行描述，這或許是在提醒學界：“混沌”雖然是物理學中的概念，但地球大氣的混沌本質，無論是理論形成還是計算模型的建立，都是氣象學家干的，他們獲獎當屬眾望所歸。

氣候變化相關研究獲得2021年諾獎，給2021年11月召開的世界氣候大會帶來些什么？瑞典皇家科學院秘書長在回復這一提問時指出：模擬的氣候具有堅實的物理理論基礎（modelling climate is solidly based in physical theory）。他的話無疑讓氣象科學攜對地球大氣演化規律的認識，在更高層次上回歸物理學。