复杂系统的开创性研究及其在气候问题上的应用——2021年诺贝尔物理学奖简介

本刊资料室

1 2021年诺贝尔物理学奖揭晓

2021年诺贝尔物理学奖揭晓，美国气象学家真锅淑郎和德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼因“物理模拟地球气候，量化其可变性和可靠地预测全球变暖”而共同分享一半奖金.另一半奖金由意大利物理学家乔治·帕里西获得，表彰其“对复杂物理系统的基础研究”.

真锅淑郎(Syukuro Manabe)1931年出生于日本新宫.1957年从日本东京大学获得博士学位,目前为美国普林斯顿大学气象学家.

克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)1931年出生于德国汉堡.1957年从德国哥廷根大学获得博士学位,目前为德国马普气象学研究所教授.

乔治·帕里西(Giorgio Parisi)1948年出生于意大利罗马.1970年从意大利罗马大学获得博士学位,目前为罗马大学教授.

2 何谓复杂系统

复杂是相对简单而言.在科学上，一般把具有单一、平衡、线性、稳定、均匀、可积、可逆、规则、连续、周期、对称、有序、精确等特征的事物称为具简单性；而把具有多元、非平衡、非线性、不稳定、不均匀、不可积、不可逆、不规则、不连续、非周期、不对称、无序、不精确等特征的事物称为具复杂性.复杂系统则是其组成元素或结构具复杂性的事物.2021年诺贝尔物理学奖获奖者所研究的都是具有较多复杂性特征的系统.所用的思想与方法则主要是物理学的.复杂系统虽然复杂，但并不是不可认识的.通过艰苦深入的研究，一般都可以找到它的某些特征或规律.进而找到处理并解决它的策略与办法.2021年诺贝尔物理学奖提供的正是这方面的典型事例.

3 从气候模型的开发到预测全球变暖

地球气候是一个与人类命运与生活息息相关的复杂系统.很早以来，人类就关心它、认识它、研究它.虽然也取得了一些进展，但总的来说，还是处于较低水平.

3.1 真锅淑郎的研究与贡献

20世纪60年代，日本大气物理学家真锅淑郎是东京的一位年轻有才的研究人员，他离开日本，到美国从事气候研究.他的研究与70年前阿伦尼乌斯的研究一样，目的是了解二氧化碳水平的增加如何导致温度变化.他领导了地球气候物理模型的开发，是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人.他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础.

为了使计算易于处理，他将模型缩小到一维，一个垂直40 km的大气层柱.即便如此，通过改变大气中的气体水平来测试模型还是花费了数百个宝贵的计算小时.氧气和氮气对地表温度的影响可忽略不计，二氧化碳的影响则明显：当二氧化碳水平翻一番时，全球温度上升超过2 ℃.

该模型证实，变暖确实是由于二氧化碳增加.因为模型预测，靠近地面的温度升高，而高层大气变冷.如果温度升高的原因是太阳辐射变化，那么整个大气应该同时加热.

3.2 哈塞尔曼的研究与贡献

大约10年后，哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，从而回答了为什么气候模型可以信赖，尽管天气是多变和混乱的.他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下印记的特定信号和指纹的方法.他的方法已经被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳.

20世纪50年代，美国气象学家洛伦茨提出了著名的“混沌理论”，在洛伦茨的巨大影响下，气候研究何去何从，似乎看不到什么光明前景.就在这时(70年代)，哈塞尔曼提出了他的模型，基本观点是：气候虽然是随机的，但还是相当线性的，其轨迹朝着平均值衰减，逐渐发展为单峰的概率密度函数.虽然，这也存在不少的不确定性，但这为后来的气候研究，包括检测归因、气候模式、辐射强迫、气候变化的信号分解等提供了研究基础，才有了后面有关的发现：二氧化碳被清晰地认定为变暖的主要因素.

3.3 重大意义

他们建立起了人类活动影响地球气候系统的科学基础，这些科学工作推动全球应对气候变化的策略与行动，包括目前全球按2016年“巴黎气候协定”进行的“碳达峰”“碳中和”行动.

4.对复杂物理系统的基础研究

4.1 前人的工作

对复杂系统的现代研究植根于19世纪下半叶麦克斯韦、玻尔兹曼和吉布斯发展的统计力学.其基本观点：对大量粒子组成的系统(如气体或液体)的描述，必须考虑粒子的随机运动，主要是计算粒子的平均效应，而非单独研究每个粒子.例如，气体温度是气体粒子能量平均值的量度.统计力学取得了巨大成功，对气体和液体的宏观行为，给出了微观解释.但那个时代,研究的多是简单系统.

4.2 在对自旋玻璃研究中的发现

帕里西原始作品的主题是一种不同的系统——自旋玻璃.这是一种特殊类型的合金，例如，铁原子随机混入铜原子网格.即便只有几个铁原子，它们也以一种激进且令人费解的方式改变了材料的磁性.每个铁原子的行为就像一个小磁铁，受靠近它的其他铁原子的影响.在普通磁铁中，所有自旋指向相同，但在自旋玻璃中，它们会受挫；一些自旋指向同一个方向，而另一些则指向相反的方向.自旋玻璃及其奇异特性为复杂系统提供了一个模型.20世纪70年代，包括几位诺贝尔奖获得者在内的许多物理学家都在寻找一种方法，来描述神秘的自旋玻璃.他们使用的这种方法是复型技巧，这是一种同时处理系统的许多复型的数学技术.

1979年，帕里西取得了决定性的突破，他巧妙地利用复型技巧解决自旋玻璃的有关问题.在复型中发现了一个隐藏结构，并找到了数学描述方法.此后，他的方法被用于许多无序系统，并成为复杂系统理论的基石.

4.3 更广泛的研究

帕里西还研究了许多其他现象，在这些现象中，随机过程在结构的创建和发展过程中起着决定性作用.帕里西解决诸多问题：为什么会周期性出现冰河期？混沌和湍流系统是否有更一般的数学描述？ 数千只椋鸟的咕哝声是如何形成这种模式的？ 这些问题似乎与自旋玻璃相去甚远. 然而，帕里西表示，他的大部分研究都涉及简单行为如何导致复杂的集体行为.

5 结束语

2021年诺贝尔物理学奖授予3位与气候变化研究相关的气象学家和物理学家，体现了国际科技界当前以全球气候变化问题以及人类赖以生存的环境系统为研究热点之一，鼓励和推动在上述领域的创新研究，积极应对日趋严峻的全球气候变暖带来的挑战，为人类保护和建设美好安全的生存环境奠定了坚实的科学基础.

研究和观测表明，大气中二氧化碳等温室气体的含量在持续增加，随着工业化和城镇化的快速发展，大气温度升高也在加剧.因此，人类正面临气候环境恶劣变化的严峻形势，如不及时治理，将带来无穷的后患.为此，由联合国主导并于2016年11月4日起正式实施的“巴黎气候协定”为治理气候变暖制定了目标和方案，我国积极参与并率先承诺实现2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的奋斗目标.期盼科技工作者继续在有关气候和环境保护领域深入开展科学研究，取得更多更好的研究成果.