诺贝尔物理学奖第一次颁给大气与海洋科学领域

北京时间2021年10月5日17时45分，2021年诺贝尔物理奖揭晓，三位科学家分享这一奖项。

今年的诺奖，一半授予日裔美籍科学家，90岁的真锅淑郎（Syukuro Manabe）和同样90岁德国科学家克劳斯·哈塞尔曼因（Klaus Hasselmann），获奖理由是“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”，他们的成果为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定了基础；另一半授予意大利科学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)，他是三位获奖者中最年轻的，也已73岁，他的获奖理由是 “发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动之间的相互作用”， 因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。

这个世界展现出结构的美妙之处：有时候是有序且精细，但大多数时候，它却看似无序。

那么，从原子到星球，需要科学家精细到什么程度才能做出更好的解释？从大气到海洋，需要科学家追踪到每一个分子，才能解释并预言其变化吗？

其实，复杂系统的特点就是随机性和无序性，让人难以理解。2021年的诺贝尔物理学奖的获奖成果用一句话概括：那就是在复杂系统的看似无序中，寻找到描述它们和预测它们长期行为的新方法。

用诺贝尔物理学委员会主席托尔斯汉斯汉森的话来说，“今年获得认可的发现表明，我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上，基于对观测的严格分析。今年的获奖者，为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化做出了贡献”。

他们找到了预测气候长期变化的模型，验证了二氧化碳对全球变暖的影响

几乎每个人都听说过“蝴蝶效应”：一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。这是上世纪60年代的气象学家提出的混沌理论。

“这实际上意味着，长期气候预测在科学层面一度是非常困难的，而真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的获奖成果，在某种程度上解决了这一难题。”复旦大学大气与海洋科学系青年学者袁嘉灿在接受文汇报记者采访时说，这是诺贝尔物理学奖第一次颁给大气与海洋科学领域。

对人类而言，地球气候是一个至关重要的复杂系统。真锅秀郎从上世纪50年代就开始研究二氧化碳水平的增加如何导致温度升高。他通过模型证明，氧气和氮气对于地表温度的影响可忽略不计，而二氧化碳则有明显影响，当二氧化碳水平翻倍时，全球温度升高了2度以上。

据诺奖委员会介绍，真锅淑郎的成果大约在上世纪60年代完成，当时的计算机速度比现在慢了几十万倍，他却通过构建一个简单而有效的模型，解答了二氧化碳和气候变化之间的关系，并于1975年发表了该成果，被认为是“解密气候变化的里程碑之一”。他也被认为是世界上最知名的气象学家之一。

大约10年后，克劳斯·哈塞尔曼因在快速而混乱的天气变化中找到了气候变化的规律。他也创建了一个模型，将天气和气候联系起来，从而为长期气候变化的预测奠定了坚实的基础。

同时，哈塞尔曼因还发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化在大气变化中留下的独特信号可以分离出来，并且，他的这些方法已被用来证明人类活动对气候的影响。同时，他还创建了一个随机气候模型，证明快速变化的大气实际上会导致海洋的缓慢变化。

袁嘉灿曾参加过真锅淑郎组织的学术研讨会。“已经90高龄的真锅淑郎可说是气候模式的奠基人。他的成果发表在上世纪，当时在科学界，并没有很多人意识到二氧化碳和气候变化之间的关系。其后经历了很长时间，才让科学界和全社会都关注到，人类活动与气候变化之间的关系。这也是为什么经过了那么长时间，大气物理领域才会有了第一个诺贝尔物理学奖。”

看似无序的复杂系统中也有其规律所在

今年的诺贝尔物理学奖，另一半分给了意大利科学家乔治·帕里西，这是一位纯粹的物理学家。

1980 年左右，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。它使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能，不仅在物理学中，而且在其他非常不同的领域，如数学、生物学、神经科学和机器学习。

“乔治·帕里西获得诺贝尔物理学奖，可以说是众望所归。说真的，他已经把物理学界所有可以拿的重要奖项都拿了个遍。”上海交通大学物理与天文学院教授张何朋在接受文汇报记者采访时介绍，根据乔治·帕里西的发现，随机现象也受到隐藏规则支配。他对于自旋玻璃的研究成果，被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一，也是突破性进展，他揭示了复杂系统中无序现象所隐藏的规律。

诺奖委员会介绍称，帕里西通过旋转玻璃来对复杂系统进行研究。所谓旋转玻璃，是一种特殊类型的金属合金。例如，铁原子随机混合成铜原子网格，尽管只有几个铁原子，但是它们以一种激进且令人费解的方式改变了材料的磁性。

在普通磁铁中，所有铁原子的自旋都指向同一个方向，但是在自旋玻璃中，一些自旋指向同一个方向，而另一些则指向相反的方向，那么它们是如何找到最佳方向的？

帕里西就在这些看似随机的变化中，找到了其中的规律。而他对自旋玻璃的研究发现不仅影响了物理学，而且影响了数学、生物学、神经科学和机器学习等众多领域。

如果这些解释都太学术，那么帕里西最近参与的一项研究，则可以让大家理解得更清楚。张何朋告诉记者，在位于罗马的办公室，帕里西在研究鸟群的飞行问题。为什么欧椋鸟在空中没有指挥也能排好队？他设置了几台相机观察鸟群三维的活动情况，并构建了模型，发现每一只鸟都会观察离自己最近的六只鸟的飞行方向，然后根据平均值调整自己的飞行方向，从而保持鸟群飞翔的一致路线。

“这就是在随机中发现规律。”张何朋说，“复杂系统的研究目前仍然在进展之中。”

比如，帕里西另一项重要成果就是对界面问题的研究，这也是对复杂系统的突破性成果。简言之，就是烧一张纸再熄灭它，留下的界面看似每次都不一样，但其实却是有规律可循。

“他们之所以会共享诺贝尔物理学奖，是因为帕里西的理论用于流体、大气这一复杂系统提供了重要的理论支持！”

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信息来源：文汇APP 作者：姜澎 原题：诺贝尔物理学奖第一次颁给大气与海洋科学领域，为什么？转载请注明信息来源及海洋知圈编排

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