【解读】新晋诺贝尔物理学奖得主，为人类设定了控制气候变化的目标

北京时间10月5日17：45，2021年诺贝尔物理学奖公布，授予“对我们理解复杂系统具有开创性贡献”的三位科学家。

其中一半授予真锅淑郎（Syukuro Manabe）与克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），获奖原因是“对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠预测全球变暖”；另一半授予乔治·帕里斯（Giorgio Parisi），获奖原因是“从原子尺度到行星尺度的物理系统中，无序和波动相互作用的发现”。

图片来源：Nobel Prize

50多年前的突破性预测

 真锅淑郎与哈塞尔曼的研究，与我们今天耳熟能详的气候变化、双碳治理密切相关。其中，真锅淑郎开发了首个可行的地球气候模型。他计算出的二氧化碳排放与地球温度的关系，成为了人类控制温度上升的具体目标。

出生于日本的真锅淑郎，在获得东京大学博士学位后，去往美国气象局（后来的美国国家海洋和大气管理局，NOAA）任职，并参与了开发天气模式和长期气候趋势数学模型的早期工作。

诺奖颁奖现场 | 来源：诺奖颁奖直播

真锅淑郎开发了第一个可行的地球气候模型，称为一般循环模型（GCM）。这一模型首次考虑大气和海洋之间复杂的相互作用，包括辐射热传递的动力学和驱动全球气候的二氧化碳水平。

1967年，他发表在《大气科学杂志》（Journal of Atmospheric Sciences）上的一篇开创性论文中介绍了地球气候的简化模型，很快被公认为地球物理学和气象学的重大突破。论文指出，大气中的二氧化碳浓度提升一倍，将导致地球整体变暖约2℃，超过该阈值，气候变化风险将变得不可接受。

这一数值后来被国际社会普遍接受，并由《巴黎协定》明确为全球温度上升的控制目标——到本世纪末，全球平均气温保持在相对工业化前水平高2℃的范围内。

哈塞尔曼早年随父母迁居英国，之后回德国求学，他于1975年创办了德国马克斯普朗克气象研究所（MPIM），并曾担任德国气候计算中心的科学主任。MPIM在他的带领下致力于气候研究，迅速发展成为国际领先的气候研究机构，为政府间气候变化专门委员会的科学评估报告做出了重大贡献。他本人也为控制气候变化做出了诸多努力。他是欧洲气候论坛（现为全球气候论坛）的创始人并长年担任其副主席和董事会成员，直到2018年卸任。

气候变暖已成为越来越受关注的全球性议题 | 图：网络

研究气候模型的中国海洋大学海洋与大气学院刘福凯博士在接受WLF采访时介绍说，真锅淑郎作为开创者引领了气候模型的建立，将复杂的气候系统简化成了一个可操作的物理模型。由此，科学家可以在这个基础上研究人类活动对气候的影响，并通过修改物理参数去研究气候变化的控制机制。

对于大众而言，真锅淑郎的研究直观地指出了二氧化碳排放与全球变暖之间的关联；而在科学界，对此有个专业术语——气候敏感度。目前全球有数十个气候模型，都致力于求解这个问题，但到目前也没有一个非常明确的答案，只是进一步缩小了误差范围。

刘福凯介绍，相比真锅淑郎的早期模型，现在的气候模型考虑了更多的影响因素，如海冰、陆地植被、碳循环过程；但模型遵循的基本物理过程，如能量守恒等并没有本质的改变。因此其理念，可以说是一脉相承的。

     刘福凯还指出，真锅淑郎的模型从能量守恒的角度，将地球系统作为一个整体来考虑，能够计算出全球气候变化的趋势。尽管我们现在还无法非常精确地预报几天后的天气，但全球变暖的大趋势，得到了科学界的公认。

复杂系统背后的“隐藏规律”

 分享了今年诺贝尔物理学奖另外“二分之一”的乔治·帕里斯是意大利理论物理学家，研究领域主要集中在量子场论、统计力学以及复杂系统。他获得荣誉无数，包括1999年狄拉克奖、2002年费米奖、2021年沃尔夫物理奖等等。

帕里斯早年的工作是在QCD和粒子物理场论方面，著名的贡献有部分子密度的QCD演化方程（Altarelli-Parisi方程）。统计力学方面，他得到了自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精确解。他和Kardar，张翼成提出的KPZ（Kardar-Parisi-Zhang）方程，在统计物理、固体物理、偏微分方程等领域均有十分巨大的影响力。

”蝴蝶效应“的背后蕴含着复杂系统的原理 | 图源：网络

复旦大学物理学系教授、理论物理专业博士生导师施郁在今年诺奖“开奖”前就准确的预测了今年帕里斯将获得诺奖。在接受WLF采访时，他表示，复杂系统是物理界的重要方向，有许多突破性成果，今年应该到了获奖的年份。

施郁介绍，帕里斯在量子色动力学的框架中提出的Altarelli-Parisi 方程，解释了深度非弹性散射的标度违反，给出了量子色动力学对部分子模型的改进。帕里斯还提出与超导磁通禁闭类似的夸克禁闭简单解释。 同时，帕里斯对无序和复杂系统做出重要贡献。他的工作横跨理论物理的若干领域，体现了极强的处理理论物理难题的能力。 他敢于突破数学的常规，在解决无序系统问题时，引进了 “半个物体” 的想法， 二十多年后，数学家同意这是正确的。

正如诺贝尔奖委员会在新闻发布中所做出的解释，帕里斯在物理领域的工作能延展到数学、生物、神经科学和机器学习等领域。对复杂系统背后隐藏规律的理解得到了大大的拓展。

 中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院粒子天体物理重点实验室主任张双南在接受WLF采访时也表示，复杂性是现代物理特别关心的问题，就像大家常听说的混沌现象”蝴蝶效应“其实是非常难的问题。如何预测气候和长期变化，理解复杂系统背后的物理机制，有学者能够做出重要贡献，是很大的进步。如果换个角度，从”审美角度“来看这个问题，人们常说混乱不美，表面上看起来混乱是没有识别出复杂现象背后的规则，用科学的眼光来看，从混乱中找到规律，从复杂中理出规则，恰恰正是”科学之美“的一种体现。

诺奖越来越贴近公众？

  近年来颁发的诺贝尔物理奖，让一大部分业内的事前预测都大跌眼镜，但评选结果似乎越来越接地气， 张双南评论到，近几年的授奖情况表明诺奖委员会愈来愈重视公众对科学成果的关注以及科学成果对人类的影响。

“过去四年里已经有三年是天文学研究领域的成果获奖，从2017年的引力波、2019年系外行星的发现，到2020年的黑洞研究，今年则授予全球气候变化背后的复杂系统原理发现。全球气候变化现象已经超越了科学的边界，变成非常具有社会关注度的事情，当然也是对人类影响非常大的事情。”

“有人评论诺奖越来越‘政治正确'，但这也恰恰反应了公众对气候变化的关注，以及气候变化与人类的活动密切相关。”张双南表示：“诺奖的颁发也能够引导公众更好地了解地球和气候变化的发展，我觉得有很积极的意义。”

附：科学家介绍

Syukuro Manabe

真锅淑郎

1931年出生于日本爱媛，于东京大学理学院获得哲学博士学位。1958年从东京大学来到美国，在美国气象局的总循环研究部门工作，即现在的地球物理流体动力学实验室 。从1997年到2001年，他在日本的全球变化前沿研究系统中担任全球变暖研究部主任。2002年，他为普林斯顿大学大气与海洋科学计划的客座研究合作伙伴而回到美国。他目前在普林斯顿大学担任高级气象学家。

Klaus Hasselmann

克劳斯·阿塞尔曼

1931年10月25日生于德国汉堡，是德国著名的海洋学家和气候建模师，德国马克斯普朗克气象研究所（MPIM）的创始所长。他开发了气候变化的哈塞尔曼模型，其中具有长记忆的系统（海洋）集成了随机强迫，将白噪声信号转换为红噪声信号，从而解释（无需特殊假设）气候中无处不在的红噪声信号。

Giorgio Parisi

乔治·帕里斯

生于1948年8月4日，意大利理论物理学家，他的研究重点是量子场论、统计力学和复杂系统。最著名的贡献是用Guido Altarelli获得的部分子密度QCD演化方程，称为Altarelli–Parisi或DGLAP方程，自旋玻璃Sherrington–Kirkpatrick模型的精确解，描述生长界面动态标度的Kardar–Parisi–Zhang方程，以及对旋转的鸟群的研究。

参考资料：

2、日本21年实现20位诺奖得主：全球变暖/大气物理获奖
3、维基：https://en.wikipedia.org/wiki/Klaus_Hasselmann

4、维基：https://en.wikipedia.org/wiki/Syukuro_Manabe

5、维基：https://en.wikipedia.org/wiki/Giorgio_Parisi

撰稿  羽 华、小文

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