寻找复杂系统隐藏的规律

杨先碧

气候是一个变量很多的复杂系统，要预测气候变化十分困难。美籍日裔气象学家真锅淑郎和德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼迎难而上，解决了长期气候预测的部分难题，因此获得了2021年诺贝尔物理学奖。与他们同时获奖的还有意大利物理学家乔治·帕里西，他研究的是复杂系统中微观无序和宏观有序之间的相互作用，推动了复杂系统的理论研究和实际应用。

解决全球变暖的预测难题

早在20世纪上半叶，人们就意识到全球平均气温在逐步升高，也即全球变暖问题。后来，科学家发现，这主要是人类活动导致二氧化碳排放过多引发的。

影响气候变化的因素很多，如何证明二氧化碳是导致全球变暖的主要因素？真锅淑郎和他的同事理查德·韦瑟尔德利用物理学的方法，证明了这个难题。他们建立了辐射对流平衡模型，模拟大气成分变化与温度变化之间的关系。这个模型清楚地显示：随着大气中二氧化碳浓度的上升，全球平均气温会不断上升。利用这个模型，真锅淑郎预测了未来全球变暖的趋势：大气中二氧化碳浓度每增加一倍，全球平均气温将上升2.3℃。

真锅淑郎还发现，二氧化碳在大气中是流动的。也就是说，二氧化碳排放量的增加不仅会使排放者遭殃，而且全球都会跟着倒霉。真锅淑郎根据自己的研究模型预测，极地的变暖程度是大于其他地区的。后来，他对南北两极冰川的观测结果证实了这一预测是正确的。因此，如果不实施节能减排，人们不仅会因全球变暖而遭受更多的极端天气，还会因海平面上升而失去沿海的生存地。

人类活动对全球变暖的影响

地球历史上遇到过多次全球变暖或变冷的大事件，甚至在人类没有出现之前就发生过多起。近一百多年来的全球变暖事件，真的是人类活动导致的吗？曾经有不少人对此表示怀疑。而克劳斯·哈塞尔曼的研究成果则帮助人们消除了疑惑。

影响气候变化的因素很多，一些因素的短期影响和长期影响又不太相同。虽然短期的天气预报的准确度高于长期的气候预测，但是短期的天气变化混乱程度却大于长期的气候变化。因此，要从短期的天气变化中找到长期气候变化的规律，相当于要从一团乱麻中找到麻线的走向。

克劳斯·哈塞尔曼发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气象系统中留下独特的信号，这些信号可以被识别出来，而这种识别方法也可以应用于人类活动对气象系统的影响。克劳斯·哈塞尔曼利用这种识别方法，建立了一个随机气候模型，创新性地从复杂气象系统中找到了规律。随机气候模型表明，全球平均气温的升高不是自然事件，而是人类活动（主要是二氧化碳排放增多）导致的结果。

复杂系统中的无序与有序

真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究让人们理解气候这种复杂系统中的运行规律，而乔治·帕里西的研究则让人们了解到复杂系统的宏观性质。

1980年，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。这种无序材料是自旋玻璃，它并非我们常见的玻璃，而是在特殊条件下呈现出玻璃状态的铜铁合金。虽然玻璃态物质归类于固体，但是它的性质介于固体和液体之间。自旋玻璃中的铁原子随机地混合进铜原子的晶体网格中，铁原子的自旋会产生磁场，这使得自旋玻璃成为具有磁性的材料。铁原子的这种自旋方向是无序的、随机的，但是自旋玻璃表现出来的磁性却是特定的、有序的。

通过对自旋玻璃的研究，乔治·帕里西提出了深奥的“复本对称破缺”理论。简单来说，它能让人们理解和描述复杂系统随机性背后隐藏的规律，是乔治·帕里西对复杂系统理论最重要的贡献之一。这种理论的重要性不仅体现在物理学界，而且体现在其他很多看似不相关的领域，比如材料科学、生物学、神经科学和机器学习领域。

氣候是个复杂系统。

真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西（从左至右）

复杂系统研究的实际用途

以上3位科学家的研究表明，对于微观上无序扰动的复杂系统，用合理的统计方法，可以找出宏观上有序的性质。这样的研究并非只有理论意义，而是具有实际用途。比如，我们每天关注的天气预报，就是气象学家对大气运动这种无序现象建模后所得到的预测结果。

真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究是复杂系统理论和实际用途（气象预测）充分结合的典范。当面临越来越多的高温酷暑、暴雨洪涝、超级台风等气象灾害时，人们越来越多地意识到气候变化给人类生存带来的巨大威胁。而政府在制定相关气候政策时，不能只是依据人们的直观感受，而是要明确气候变化的根源，才能有的放矢地采取相应的措施。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究都表明气候变化与二氧化碳排放之间的关系，因此近年来，各国政府及联合国相关组织都在大力倡导“碳达峰”和“碳中和”。

诺贝尔物理学奖评奖委员会主席、瑞典皇家科学院院士托尔斯·汉斯·汉森强调道：“这3位科学家的发现获得了评奖委员会的认可，表明我们对气候的认识不仅建立在坚实的科学基础上，而且基于对观测的严谨分析。他们的发现有助于我们更深入地了解复杂物理系统的性质和演化。”

我们相信，随着科技的不断发展，人们对气象、材料、天文等领域的复杂系统的认识会越来越深入，人类趋利避害的本领将会越来越强大。

相关链接

获奖者簡介

真锅淑郎，1931年出生于日本，1958年从日本东京大学获得理学博士学位，随后到美国气象局工作，现供职于美国普林斯顿大学。

真锅淑郎和我国气象学家交往密切，多次到国内交流讲学。中国科学院大气物理研究所叶笃正、陶诗言和曾庆存等院士曾经和真锅淑郎共过事，与真锅淑郎结下了深厚的友谊。真锅淑郎和叶笃正院士还曾合作研究，于1982年在国际期刊发表了关于土壤湿度记忆力的学术论文，推动了国际上关于青藏高原气候影响的数值模拟研究。

克劳斯·哈塞尔曼，1931年出生于德国，1957年从德国哥廷根大学获得博士学位，现任欧洲气候论坛副主席。

克劳斯·哈塞尔曼对物理学的兴趣来自一个收音机。13岁时，他从一个朋友那里买了一个收音机。他说：“令我印象深刻的是，即使没有接上插座，我也可以通过耳机听到美妙的音乐。”当时他想更好地理解这个令人困惑的现象，所以去图书馆学习相关的物理知识。

乔治·帕里西，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，现为意大利罗马智慧大学理论物理系教授，意大利国家核物理研究所研究员。

乔治·帕里西的祖父和父亲都是建筑工人，曾经希望乔治·帕里西成为工程师。但是乔治·帕里西在幼年时阅读了大量的科普图书，培养了对基础科学的兴趣。在大学时，他曾为选择从事物理学研究还是数学研究而为难，最终被当时物理学所获得的辉煌成就所吸引而选择了物理学。他的研究兴趣十分广泛，在粒子物理学、统计力学、流体动力学、凝聚物、超级计算机等物理学领域作出了许多决定性贡献，并得到了广泛认可;他还利用物理学的方法从事生物学研究，发表过关于神经网络、免疫系统和动物种群运动的学术论文。