氣候?qū)W家拿獎(jiǎng)，物理學(xué)家“玩兒鳥”！這屆諾獎(jiǎng)要“跑偏”

北京時(shí)間10月5日下午5點(diǎn)50分許，瑞典皇家科學(xué)院決定將2021年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美籍日裔科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他們“對我們理解復(fù)雜物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。

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不少從事物理相關(guān)研究的科研人員們大呼“實(shí)至名歸”，又深感“出乎意料”。

一方面，他們都是復(fù)雜物理系統(tǒng)領(lǐng)域奠基性的人物，“江湖”上早已聲名遠(yuǎn)播；而另一方面，大獎(jiǎng)花落氣象學(xué)家，問題直指全球變暖，既有點(diǎn)“意外”，又表明“交叉才是未來”。

《中國科學(xué)報(bào)》記者邀請多位專家對本屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)進(jìn)行科普解讀，暢聊諾獎(jiǎng)得主的科學(xué)人生。

從無序中發(fā)現(xiàn)“有序”

復(fù)雜的系統(tǒng)是隨機(jī)、紊亂，且難以理解的。

“所有復(fù)雜系統(tǒng)都由許多相互作用的不同部分組成，很難用數(shù)學(xué)來描述。物理學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了數(shù)個(gè)世紀(jì)的研究。這些復(fù)雜系統(tǒng)或受偶然支配，也可能是混沌系統(tǒng)，就像天氣一樣，初始值的小偏差會(huì)導(dǎo)致后期的巨大差異。而今年的獲獎(jiǎng)?wù)叨紴槲覀兗由顚@類系統(tǒng)及其長期演化做出了貢獻(xiàn)。”諾貝爾獎(jiǎng)官方委員會(huì)在頒獎(jiǎng)直播中介紹道。

中國科學(xué)院理論物理研究所副研究員金瑜亮曾師從帕里西作博士后。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》，在統(tǒng)計(jì)物理中，我們要研究大量微觀粒子的宏觀性質(zhì)。

但過去我們的研究，包括大學(xué)物理學(xué)的內(nèi)容大多是處于平衡態(tài)的體系，即溫度、壓強(qiáng)等宏觀的物理量跟我們的觀測時(shí)間沒有關(guān)系。

事實(shí)上，我們?nèi)粘Ｉ钪杏写罅康捏w系是非平衡態(tài)的，比如存在溫度、空氣流、風(fēng)等擾動(dòng)因素，但非平行體系的統(tǒng)計(jì)物理并沒有普適的理論。

“帕里西的主要貢獻(xiàn)就是在無序的復(fù)雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的規(guī)律，最早給出了被認(rèn)為是非平行體系中最簡單的數(shù)學(xué)模型——自旋玻璃模型中的嚴(yán)格解，這是理解復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)性工作?！苯痂ち琳f。

帕里西的工作影響深遠(yuǎn)，且應(yīng)用范圍很廣。復(fù)旦大學(xué)物理系教授施郁準(zhǔn)確預(yù)測了復(fù)雜系統(tǒng)和帕里西獲獎(jiǎng)。他告訴《中國科學(xué)報(bào)》，復(fù)雜系統(tǒng)已經(jīng)超出傳統(tǒng)物理學(xué)的范疇，可以用在計(jì)算機(jī)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域。

“帕里西研究粒子物理理論時(shí)，注意到自旋玻璃理論里的問題，并以他的能力和經(jīng)驗(yàn)加以解決，這就是復(fù)制對稱破缺，即這次獲獎(jiǎng)的主要依據(jù)。以前也有粒子物理學(xué)家威爾遜因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)物理中的相變的重正化群方法而獲得諾獎(jiǎng)。因此學(xué)科交叉合作很重要。”

地球的氣候是復(fù)雜系統(tǒng)的眾多例子之一，對人類至關(guān)重要。

真鍋淑郎在日本一直讀到博士，后任美國普林斯頓大學(xué)客座教授，于1975年加入美國籍，然后返回日本，幾年后又回到美國，成為普林斯頓大學(xué)研究員。

他的主要貢獻(xiàn)是二氧化碳水平的增加是如何導(dǎo)致氣溫升高，他花費(fèi)了無數(shù)個(gè)日夜測試模型，研究表明，當(dāng)二氧化碳水平翻倍時(shí)，全球溫度上升超過2°C。

該模型證實(shí)，這種升溫確實(shí)是由于二氧化碳的增加造成的，因?yàn)樗A(yù)測了靠近地面的溫度上升，而上層大氣變冷。

如果太陽輻射的變化是溫度升高的原因，那么整個(gè)大氣應(yīng)該在同一時(shí)間被加熱。

大約十年后，哈塞爾曼創(chuàng)建了一個(gè)將天氣和氣候聯(lián)系在一起的模型，從而回答了為什么氣候模型是可靠的。

“得知今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者中有兩位氣象學(xué)家，我感到非常驚喜。”中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員魏科告訴《中國科學(xué)報(bào)》，盡管真鍋淑郎很早就提出了理論模型，但全球變暖真正成為一個(gè)熱門研究問題，是從上世紀(jì)80年代末開始持續(xù)到現(xiàn)在，理論要比實(shí)際發(fā)現(xiàn)領(lǐng)先了20多年。

這兩位科學(xué)家能獲諾獎(jiǎng)，體現(xiàn)了國際社會(huì)對于氣候變暖問題的重視，從科學(xué)上來說，整個(gè)地球氣候系統(tǒng)是非常復(fù)雜的物理系統(tǒng)，如何來理解這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)也是很重要的科學(xué)問題。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示，“今年被確認(rèn)的發(fā)現(xiàn)表明，我們對氣候的了解建立在一個(gè)堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)上，基于對觀測的嚴(yán)格分析。今年的獲獎(jiǎng)?wù)哂兄谖覀兏钊氲亓私鈴?fù)雜物理系統(tǒng)的特性和演變?！?/span>

氣候?qū)W家得了物理學(xué)獎(jiǎng)

物理學(xué)家在研究生物群

張何朋比較熟悉的是近年來帕里西從事的鳥群研究。

張何朋告訴記者，帕里西在羅馬大學(xué)的辦公室周圍有一群歐椋鳥，這種鳥一到傍晚就會(huì)成千上萬只一起飛。

后來帕里西就問了自己一個(gè)問題——這些鳥每秒能飛20-30米，它們飛的時(shí)候之間間隔大概有幾米，什么樣的機(jī)制讓歐椋鳥在高速飛行中保持同步、不撞到其他鳥？

“鳥群是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，每只鳥的位置在空間上是無序的，但鳥群整體可以呈現(xiàn)出高度有序的集體飛行。”張何朋表示，為了理解鳥群中集體飛行的產(chǎn)生機(jī)制，帕里西和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一個(gè)三維成像系統(tǒng)，積累了大量鳥群的飛行數(shù)據(jù)，從而發(fā)展了一個(gè)鳥群的相互作用模型，定量地解釋了鳥群中集體飛行的產(chǎn)生機(jī)制。

“這個(gè)簡單模型對后期研究各類生物系統(tǒng)中的集體運(yùn)動(dòng)有著深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)，帕里西這種基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)物理的模型構(gòu)造方法也成為了物理學(xué)家開展交叉學(xué)科研究的重要手段?！?/span>

關(guān)于學(xué)科交叉，“今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不僅僅包含了純粹的物理研究領(lǐng)域，實(shí)際上近年來國際上各學(xué)科互相交叉、融合的趨勢已經(jīng)比較明顯?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮深有同感。

2013年，金瑜亮在帕里西團(tuán)隊(duì)做了一年博士后，在他心中，帕里西是個(gè)天才型的物理學(xué)家，思維很跳躍，能從一個(gè)問題很自然地聯(lián)系到另一個(gè)問題。

“我有時(shí)候無法理解?！苯痂ち列χf，帕里西有著很深厚的知識(shí)積累，時(shí)刻保持好奇心，就像小孩子的那種好奇?！八d趣非常廣泛，還喜歡希臘的舞蹈。”

科學(xué)研究永無止境，科學(xué)家的探索腳步永不停止。

今年，真鍋淑郎90歲，哈塞爾曼89歲。

魏科說，真鍋淑郎一直持續(xù)關(guān)注氣候變化評估的研究，思路敏捷，很有激情和想法，對中國很友好，多次訪問中國科學(xué)院大氣物理研究所。

從2002年開始，他參與日本海洋科學(xué)廳下屬的全球氣候變化研究的地球模擬器項(xiàng)目，通過超級計(jì)算機(jī)模擬氣候變化。

現(xiàn)在這些工作是對他上世紀(jì)60年代工作的深入研究。

而哈塞爾曼是德國漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所（MPIM）的創(chuàng)始主任（1975-1999），也是歐洲氣候論壇（現(xiàn)更名為全球氣候論壇）的創(chuàng)建者之一，通過對氣候變化原因的解析，他建立起清晰的人類活動(dòng)影響地球氣候系統(tǒng)的科學(xué)基礎(chǔ)，這些科學(xué)工作推動(dòng)全球應(yīng)對氣候變化的工作，包括目前全球的“碳中和”行動(dòng)。

他最新的研究是關(guān)于全球變暖的歸因檢測，即如何將人為活動(dòng)過程和自然過程區(qū)分開來。

還有很長的路要走

一年一度的“諾獎(jiǎng)”向來備受關(guān)注，在“諾獎(jiǎng)熱”的背后，國人們都在期待中國的下一個(gè)諾獎(jiǎng)。

但，我們還有很長的路要走。

施郁說，國際上的復(fù)雜性科學(xué)大概有兩個(gè)來源，一是應(yīng)用物理，比如混沌、非線性科學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，另一個(gè)是理論物理，特別是統(tǒng)計(jì)物理，比如自旋玻璃、非平衡統(tǒng)計(jì)、自組織等等，后來發(fā)展到復(fù)雜系統(tǒng)。

在國內(nèi)，上世紀(jì)八九十年代，復(fù)雜性問題開始被廣泛關(guān)注到，我國的一些統(tǒng)計(jì)物理學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)研究者開展了相關(guān)的研究。

金瑜亮表示，國內(nèi)復(fù)雜系統(tǒng)研究隊(duì)伍有一定體量，但在傳承和積淀上有所不足。

“我們與國際水平還有一定差距，但近年來，隨著第一批研究者的積累，以及其培養(yǎng)的學(xué)生的成長，這一學(xué)科也在不斷發(fā)展?！?/span>