朗讀氣候學家拿獎，物理學家「玩兒鳥」！這屆諾獎要「跑偏」第氣候學家拿獎，物理學家「玩兒鳥」！這屆諾獎要「跑偏」

2021年10月06日 13:41
中國科學報
作者 | 韓揚眉 倪思潔 張雙虎
北京時間10月5日下午5點50分許，瑞典皇家科學院決定將2021年的諾貝爾物理學獎授予美籍日裔科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學家喬治·帕裏西（Giorgio Parisi），以表彰他們「對我們理解複雜物理系統的開創性貢獻」。 
不少從事物理相關研究的科研人員們大呼「實至名歸」，又深感「出乎意料」。 
一方面，他們都是複雜物理系統領域奠基性的人物，「江湖」上早已聲名遠播；而另一方面，大獎花落氣象學家，問題直指全球變暖，既有點「意外」，又表明「交叉才是未來」。 
《中國科學報》記者邀請多位專家對本屆諾貝爾物理學獎進行科普解讀，暢聊諾獎得主的科學人生。 
從無序中發現「有序」
　　今年的諾貝爾物理學獎一半為表彰真鍋淑郎和哈塞爾曼，原因為「用於地球氣候的物理建模，量化變異性和可靠預測全球變暖」；另一半頒發給帕裏西，原因為「發現從原子到行星尺度的物理系統紊亂和波動的相互作用」。 
複雜的系統是隨機、紊亂，且難以理解的。 
「所有複雜系統都由許多相互作用的不同部分組成，很難用數學來描述。 物理學家們已經進行了數個世紀的研究。 這些複雜系統或受偶然支配，也可能是混沌系統，就像天氣一樣，初始值的小偏差會導致後期的巨大差異。 而今年的獲獎者都為我們加深對這類系統及其長期演化做出了貢獻。 」諾貝爾獎官方委員會在頒獎直播中介紹道。 
中國科學院理論物理研究所副研究員金瑜亮曾師從帕裏西作博士後。 他告訴《中國科學報》，在統計物理中，我們要研究大量微觀粒子的宏觀性質。 
但過去我們的研究，包括大學物理學的內容大多是處於平衡態的體系，即溫度、壓強等宏觀的物理量跟我們的觀測時間沒有關系。 
事實上，我們日常生活中有大量的體系是非平衡態的，比如存在溫度、空氣流、風等擾動因素，但非平行體系的統計物理並沒有普適的理論。 
「帕裏西的主要貢獻就是在無序的複雜材料中發現了隱藏的規律，最早給出了被認為是非平行體系中最簡單的數學模型——自旋玻璃模型中的嚴格解，這是理解複雜系統的基礎性工作。 」金瑜亮說。 
帕裏西的工作影響深遠，且應用範圍很廣。 複旦大學物理系教授施鬱准確預測了複雜系統和帕裏西獲獎。 他告訴《中國科學報》，複雜系統已經超出傳統物理學的範疇，可以用在計算機科學、機器學習等領域。 
「帕裏西研究粒子物理理論時，注意到自旋玻璃理論裏的問題，並以他的能力和經驗加以解決，這就是複制對稱破缺，即這次獲獎的主要依據。 以前也有粒子物理學家威爾遜因為統計物理中的相變的重正化群方法而獲得諾獎。 因此學科交叉合作很重要。 」
地球的氣候是複雜系統的眾多例子之一，對人類至關重要。 
真鍋淑郎在日本一直讀到博士，後任美國普林斯頓大學客座教授，於1975年加入美國籍，然後返回日本，幾年後又回到美國，成為普林斯頓大學研究員。 
他的主要貢獻是二氧化碳水平的增加是如何導致氣溫升高，他花費了無數個日夜測試模型，研究表明，當二氧化碳水平翻倍時，全球溫度上升超過2°C。 
該模型證實，這種升溫確實是由於二氧化碳的增加造成的，因為它預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，那麼整個大氣應該在同一時間被加熱。 
大約十年後，哈塞爾曼創建了一個將天氣和氣候聯系在一起的模型，從而回答了為什麼氣候模型是可靠的。 
「得知今年諾貝爾物理學獎獲得者中有兩位氣象學家，我感到非常驚喜。 」中國科學院大氣物理研究所副研究員魏科告訴《中國科學報》，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熱門研究問題，是從上世紀80年代末開始持續到現在，理論要比實際發現領先了20多年。 
這兩位科學家能獲諾獎，體現了國際社會對於氣候變暖問題的重視，從科學上來說，整個地球氣候系統是非常複雜的物理系統，如何來理解這個複雜系統也是很重要的科學問題。 
諾貝爾物理學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示，「今年被確認的發現表明，我們對氣候的了解建立在一個堅實的科學基礎上，基於對觀測的嚴格分析。 今年的獲獎者有助於我們更深入地了解複雜物理系統的特性和演變。 」
氣候學家得了物理學獎
物理學家在研究生物群
　　「帕裏西是一個很有趣的人，他的思考方式經常能突破傳統視角，可以找到一些新的問題來研究。 」上海交通大學自然科學研究院、物理與天文學院教授張何朋告訴《中國科學報》。 
張何朋比較熟悉的是近年來帕裏西從事的鳥群研究。 
張何朋告訴記者，帕裏西在羅馬大學的辦公室周圍有一群歐椋鳥，這種鳥一到傍晚就會成千上萬只一起飛。 
後來帕裏西就問了自己一個問題——這些鳥每秒能飛20-30米，它們飛的時候之間間隔大概有幾米，什麼樣的機制讓歐椋鳥在高速飛行中保持同步、不撞到其他鳥？
「鳥群是一個複雜系統，每只鳥的位置在空間上是無序的，但鳥群整體可以呈現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生機制，帕裏西和他的團隊發展了一個三維成像系統，積累了大量鳥群的飛行數據，從而發展了一個鳥群的相互作用模型，定量地解釋了鳥群中集體飛行的產生機制。 
「這個簡單模型對後期研究各類生物系統中的集體運動有著深遠的影響。 同時，帕裏西這種基於實驗數據和統計物理的模型構造方法也成為了物理學家開展交叉學科研究的重要手段。 」
關於學科交叉，「今年諾貝爾物理學獎不僅僅包含了純粹的物理研究領域，實際上近年來國際上各學科互相交叉、融合的趨勢已經比較明顯。 」上海交通大學物理與天文學院教授李亮深有同感。 
2013年，金瑜亮在帕裏西團隊做了一年博士後，在他心中，帕裏西是個天才型的物理學家，思維很跳躍，能從一個問題很自然地聯系到另一個問題。 
「我有時候無法理解。 」金瑜亮笑著說，帕裏西有著很深厚的知識積累，時刻保持好奇心，就像小孩子的那種好奇。 「他興趣非常廣泛，還喜歡希臘的舞蹈。 」
科學研究永無止境，科學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，真鍋淑郎一直持續關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，多次訪問中國科學院大氣物理研究所。 
從2002年開始，他參與日本海洋科學廳下屬的全球氣候變化研究的地球模擬器項目，通過超級計算機模擬氣候變化。 
現在這些工作是對他上世紀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）的創始主任（1975-1999），也是歐洲氣候論壇（現更名為全球氣候論壇）的創建者之一，通過對氣候變化原因的解析，他建立起清晰的人類活動影響地球氣候系統的科學基礎，這些科學工作推動全球應對氣候變化的工作，包括目前全球的「碳中和」行動。 
他最新的研究是關於全球變暖的歸因檢測，即如何將人為活動過程和自然過程區分開來。 
還有很長的路要走
　　中國科學院高能物理研究所特聘青年研究員陳繕真告訴《中國科學報》，諾獎設立之初的目標之一，就是獎勵那些為人類福祉做出貢獻的人。 
今年的諾貝爾物理學獎有一半頒發給了與全球氣候變暖相關的研究，從為人類做出貢獻的角度說，該領域獲獎是當之無愧的。 
但在當今這個基礎科學研究爆炸式發展的年代，諾獎級的成果太多，諾獎每年又只能給有限的幾個人。 
所以今年諾獎超出很多人的預期，也在情理之中。 
一年一度的「諾獎」向來備受關注，在「諾獎熱」的背後，國人們都在期待中國的下一個諾獎。 
但，我們還有很長的路要走。 
施鬱說，國際上的複雜性科學大概有兩個來源，一是應用物理，比如混沌、非線性科學和神經網絡，另一個是理論物理，特別是統計物理，比如自旋玻璃、非平衡統計、自組織等等，後來發展到複雜系統。 
在國內，上世紀八十年代、九十年代，複雜性問題開始被廣泛關注到，我國的一些統計物理學和應用數學研究者開展了相關的研究。 
金瑜亮表示，國內複雜系統研究隊伍有一定體量，但在傳承和積澱上有所不足。 
「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，以及其培養的學生的成長，這一學科也在不斷發展。 」
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛

《氣候學家拿獎，物理學家「玩兒鳥」！這屆諾獎要「跑偏」》完，請繼續朗讀精采文章。
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