“复杂系统”拉响气候危机的警报——解读2021年诺贝尔物理学奖

河北 玄友珍

2021 年接近尾声，回首过去的一年，有太多的记忆留存在我们的脑海，然而极端天气所造成的影响应该是为数不多的深刻印象之一。2021 年10 月，我国应急管理部曾发布信息称，今年前三季度，我国自然灾害形势复杂严峻，极端天气事件多发。自然灾害以洪涝、冰雹、干旱、台风、地震和地质灾害为主，低温冷冻和雪灾、沙尘暴、森林草原火灾和海洋灾害等也有不同程度发生。7 月，郑州连降暴雨，接着殃及河南省；10 月，山西省也因强降雨引发洪涝灾害等。其实，不仅我国极端天气增多，放眼全球，也是如此。

今年夏季，美国西部绝大部分地区都处于热浪笼罩之下。热浪让空气和地面变得极度干旱，引发了加州史上最大的火灾。根据加州消防局的记录，该州史上最严重的10 起火灾中，有6 起发生在2020 年和2021 年。这表明，极端天气正让灾害发生频率越来越高，危害也越来越大。在欧洲，致命洪水刚刚退去，野火又开始肆虐。30年来最严重的热浪席卷了希腊，45°C 的高温，让希腊人引以为豪的珍稀原始森林变成了易燃易爆的“火药桶”。就连常年被寒冷笼罩的一些地区也在承受热浪侵袭。据英国《卫报》报道，西伯利亚东部的雅库特是俄罗斯最寒冷的地区之一，延续数周的野火已让该地区340 万公顷的冻土层化为焦土。

2021年10月5日，瑞典皇家科学院宣布将2021 年诺贝尔物理学奖授予真锅淑郎（Syukuro Manabe）、克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）和乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他们对混乱和明显随机现象的研究，对我们理解复杂物理系统的开创性贡献。

为什么将极端天气和2021 年诺贝尔物理学奖放在一起呢？二者有紧密联系。今年的诺贝尔物理学奖获奖项目是描述和预测复杂系统长期行为的新方法。而造成极端天气的大气系统正是复杂系统的一种。正是由于这些科学家们长期、严谨、坚持不懈地研究，才得以通过科学、系统的方法对全球气候变化做出预警。而近些年的实际情况也不断验证了科学家这一理论体系的正确。

对于人类活动与气候变化的关联，严谨的科学家们往往使用保守措辞。但在联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）8月9 日发布的第六次气候变化评估报告中，数百名顶级科学家史无前例地一致指出，人类活动与气候危机之间有着“毫无疑问”的联系。全球气候正在发生广泛而快速的变化，其中有些变化是不可逆的。

这份报告是多国科学家近十年的研究成果。报告指出，人类活动已导致全球气温比前工业时代上升了1°C，现在正迅速逼近1.5°C——这是《巴黎气候协议》制定的气候警戒线。即便全球碳排放量从今天开始大幅下降，气温增幅仍然会一路突破1.5°C 大关，过段时间才会停止攀升，掉头下行。

气候数值的细微波动，对全世界造成的影响也是重大的。自20 世纪50 年代以来，热浪和暴雨变得越来越频繁，强度也不断突破极值，影响了欧洲、北美、非洲和亚洲大部分地区；过去每10 年发生一次的干旱，现在增加了70%；飓风发生的次数增加了66%。未来还会更糟。以热浪为例，过去每50 年发生一次的极端热浪，如今每10年就会发生一次；如果气温增幅达1.5°C，10 年的周期会缩短为5 年；如果气温增幅超过4°C，那么，人类每15 个月就会经历一次过去一辈子才经历一两次的气候噩梦。气候变化造成的影响远不止热浪——它让冰川加速融化，抬高了海平面，降低了海水的酸碱值和含氧量；它加剧了区域内水循环，带来更猛烈的降雨和更严重的干旱。

IPCC 强而有力的结论并非空中楼阁，而是基于一场伴随着无数质疑的科学接力。IPCC 是一个有着四千多名共同作者、评审专家、组织人员的科学机构。该机构的核心——全球范围内的顶尖科学家们，负责评审和评估海量的气候变化研究，形成一份关于气候变化的庞大报告。IPCC 让越来越多的人共同认识到人类活动和全球变暖之间的关联。20 世纪80 年代，全球变暖似乎只是一个有趣的假设。而20 世纪90 年代，IPCC 的一系列科学报告则提供了更为有力的证据支持。

距第一次IPCC 报告发布，已过去多年，而霍顿等科学家们也已向人类社会呐喊、预警多年——气候变化会改变并威胁地球上绝大多数人的生活，加剧资源竞争，激化国家内部和国家之间的矛盾，造成更多的暴力冲突甚至战争。他们的依据，来自于科学共同体在气象观测、物理机制、模式模拟等方面所做的巨大努力。

大气物理学家真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼就是因为“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”，为我们了解地球气候以及人类如何影响地球气候奠定了基础而共同获得2021 年诺贝尔物理学奖的一半。乔治·帕里西则因发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互作用，对无序材料和随机过程理论做出的革命性贡献而得到2021 年诺贝尔物理学奖的另一半。

复杂系统是一种普遍的存在，但具有随机性和紊乱的特点，因而非常难以理解。比如地震预测、癌症治疗等与我们息息相关的难题，科学家也经常“束手无策”，为什么？很大程度上是因为它们都属于复杂系统。还有，比如空气，在大尺度上就成了天气，而天气非常富于变化。流动的水和其他液体也属于复杂系统，很难去具体、详细地描述。这次奖项的创新之处就是获奖人成功地将复杂系统纳入到物理学的框架中，能够用物理方法来描述正在发生的事，以及这些事如何随着时间的推移而发展。

早在20 世纪60 年代，真锅淑郎就跟合作者们共同开发了有史以来第一个气候的物理模型。他们预测，如果空气中的二氧化碳含量翻倍，那么全球气温就要升高。这也是我们最近一百年来看到的情况。哈塞尔曼则考虑了更多细节，把一些不确定因素加进来，以保证模拟结果是正确的，在科学上是可信的。后者还开发了可以直接观察的“指纹”，比如由人为原因导致的二氧化碳排放。他们的工作让我们在最近十年里确信，关于全球变暖的预测在科学上是正确的。

“今年获奖的研究表明，我们关于气候的知识，是基于对观测的严格分析，建立在坚实的科学基础之上的。”诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森（Thors Hans Hansson）说。

真锅淑郎的研究表面看起来是研究气候变暖，但其内核也和复杂系统相关。乔治·帕里西的工作涉及量子场论和复杂系统等物理前沿理论。他在无序材料和随机现象理论中的相关发现，对深入理解复杂系统的特性和演化均具有革命性贡献。这位著名的意大利理论物理学家在统计物理无序系统领域和粒子物理领域中都做出了突出的贡献。帕里西此前已经获得了除诺贝尔奖之外几乎所有重要的理论物理大奖。20 世纪80 年代，在无序的复杂材料中，乔治·帕里西发现了隐藏模式，这一发现是复杂系统理论最重要的贡献之一。这使人类理解和描述不同的、表面看起来完全随机的材料和现象成为可能，其贡献不仅在物理学上，也体现在数学、生物学、神经科学和机器学习上，并且和气候模型相关。

“为了我们的后代，我们现在必须快速行动起来！”这句话来自2021 年诺贝尔物理学奖得主乔治·帕里西。