独特的研究探索

揭秘复杂系统

2021年诺贝尔物理学奖颁给了美国科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼和意大利科学家乔治·帕里西，以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献。所有的复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成，物理学家进行了几个世纪的研究，却很难用数学来描述它们。它们可能有大量的组成部分，或者受偶然支配。就像天气一样，也可能是混沌系统，初始值的小偏差会导致后期的巨大差异。这三位科学家迎难而上，创造性地提出了很多描述和预测复杂系统长期行为的新方法，揭示了它们背后隐藏的秘密，有助于人们更好地理解此类系统及其长期发展趋势。

2021年诺贝尔物理奖的一半奖金授予普林斯顿大学的真锅淑郎和马克斯·普朗克气象研究所的哈塞尔曼，以表彰他们“为地球的气候进行物理建模，量化其可变性并可靠地预测全球变暖”。他们的研究表明，尽管天气变化无常，然而计算机模型可以对地球大气中不断上升的二氧化碳的变暖效应做出具体的预测。模型清楚地显示了温室效应在加速，并指出人类活动是罪魁祸首。自19世纪中叶以来，大气中二氧化碳的浓度增加了40%。几十万年来，地球大气中从没有过这么多的二氧化碳，而且温度测量表明，过去150年全球变暖1°C。

诺贝尔物理奖的另外一半奖金授予罗马大学的帕里西，以表彰他“发现从原子到行星尺度的物理系统内的无序和波动的相互作用”。他发明了一种方法来理解某些磁性合金中的混沌原子运动，这被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一，其影响广泛，甚至能帮助解释数千只椋鸟的咕哝声是如何协同行动的。

诺贝尔物理学奖委员会主席、瑞典皇家科学院院士、斯德哥尔摩大学理论物理学教授托尔斯·汉斯·汉森在一份声明中说：“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，……气候模型基于对观测的严谨分析，是建立在爱因斯坦关于布朗运动理论的坚实基础上的，有助于我们更深入地了解复杂物理系统的性质和演化。”关于气候物理科学的研究价值得到了广泛的关注和认可。

世界气象组织秘书长佩特里·塔拉斯在日内瓦指出，2021年诺贝尔物理学奖显示“气候科学高度受到重视，且理应受到高度重视”。 巴黎索邦大学、法国国家科学研究中心的气候科学家桑德琳·博尼称：“气候是物理学学科的一部分，这是一个了不起的认识，早就应该研究了。”汉堡大学校长迪特尔·伦森盛赞哈塞尔曼这位在汉堡大学学习而开始走向世界顶级物理学之路的科学家。“他担任汉堡大学地球物理研究所所长，可以被认为是汉堡大学气候研究的先驱。在他的带领下，我们学校已成为国际气候研究中心。”

走上物理研究之路

1931年10月25日，哈塞尔曼出生在德国汉堡市。父亲是一名经济学家、记者和出版商。他们虽不是犹太人，但全家生活在一个主要由犹太德国移民组成的社区。为了逃避纳粹的迫害，哈塞尔曼快3岁的时候，与父母和姐姐一起移民到了英国。在英国，全家一直住在伦敦以北30公里的漂亮小镇韦林花园城。哈塞尔曼就读于韦林花园城小学和文法学校，在那里通过了A级考试（当时称为高中证书）。哈塞尔曼很喜欢英国，他曾说：“我在英国感到很开心，英语实际上是我的第一语言。”

哈塞尔曼自述，在英国生活期间的一次事点燃了他对物理学的兴趣。当时哈塞尔曼13岁，用2先令6便士从同学那儿购入一个晶体检波器，在当时差不多是一张电影票的价格。晶体检波器是20世纪早期无线电接收器中使用的一种电子元件，接上合适的电路就是一台简易的收音机。令他不可思议的是，竟然可以通过耳机听到美妙的音乐。为了弄明白晶体检波器的工作原理，哈塞尔曼忙着跑图书馆，从书本中寻找答案。

“这对我来说是一段令人兴奋的经历，我的物理‘启蒙老师’是一个晶体探测器，完全独立于学校所获得的物理知识。我认为，这种个人学习和发现的经验非常重要。” 哈塞尔曼坦言，“我的物理成绩很好，但在老师眼里是一个不守规矩的学生，经常放学被处罚不许回家。几十年过去了，‘哈塞尔曼，四点钟留堂’这句话今天仍然在我耳边回响。”

1949年，18岁的哈塞尔曼回到德国汉堡。回国后，哈塞尔曼曾在一家机械厂实习了半年，后参加大学入学考试，入汉堡大学学习，1955年获得物理学和数学的文凭。哈塞尔曼继续深造，仅仅用了不到两年时间就在马克斯·普朗克流体动力学研究所和哥廷根大学获得博士学位。他博士论文的课题是对各向同性湍流（湍流指流体的一种流动状态，各向同性湍流是一种最简单的理想化湍流）的基本动力学方程进行更流畅的推导，由于坚持认为导师建议的方法行不通，用自己独创的方法完成了研究，导师不太高兴，给哈塞尔曼的博士论文判了相当于 B级的 2分，让他毕业了。哈塞尔曼从此不走寻常路，开始了对物理的个人探索。他回到汉堡大学做了3年的博士后，继续研究湍流理论。随后在汉堡大学造船研究所进行流体动力学研究，主要是在船尾流中进行湍流实验工作。

在学生时代，哈塞尔曼受到了帕斯夸尔·乔丹的启发，后者在汉堡大学教授理论物理。哈塞尔曼说：“我和他没有私下接触，但我真的很喜欢他的讲座。”哈塞尔曼坚持自主学习，读有趣的书，像所有年轻科学家一样熟悉与自己的研究有关的文献。用他自己的话来说，“无论是学习期间还是之后的研究，我从来没有遇到真正合适的导师，主要自己辅导自己。”

1961年，哈塞尔曼应著名海洋科学家沃尔特·蒙克的邀请，携全家来到美国。哈塞尔曼在美国加州大学拉霍亚分校地球和行星物理研究所任助理教授，3年多的研究富有成果。其后，哈塞尔曼参加了蒙克组织的一场关于大海洋尺度的波浪实验，在夏威夷观测波浪，哈塞尔曼每天两次检查实验数据，兼做后勤工作。他表示，美国的工作条件非常好，但他的妻子苏珊娜不乐意，孩子们也没有在德国时那么快乐，尤其是大女儿梅克，情绪变得相当不稳定，所以最终决定全家返回德国。

回国后，哈塞尔曼从1966 年起担任汉堡大学地球物理和行星物理研究所的教授。在这期间，德国联邦科学技术部提供专门资金在汉堡大学创建了一个理论地球物理系，并且聘请哈塞尔曼为该系的主任。成为教授之后的哈塞尔曼对学生出了名的严厉，有个学生在跟了他从事研究一年后出家当牧师了。这名学生后来向哈塞尔曼致谢，说他间接地鼓励自己做出人生新决定。

1975 年至1999年，哈塞尔曼任汉堡马克斯·普朗克气象研究所所长。该所成立于1975年，迅速发展成为国际领先的气候研究机构，为联合国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。正是在这里，哈塞尔曼领导创建了气候模型。马克斯-普朗克研究所是德国的一所基础研究机构，成立于1948年。这里人才辈出，成果累累，为德国乃至全世界的科技发展做出了极大的贡献。马克斯-普朗克太空物理学研究所所长、物理学家莱因哈德·根泽尔因在银河系中央发现超大质量天体获得2020年诺贝尔物理学奖。

哈塞尔曼模型

科学家们很早就知道，地球由于太阳光线照射表面而变暖，而大气向太空发射红外光使地球表面变冷，这两种效应的平衡决定了地球的温度。由于大气中的二氧化碳吸收了部分红外光，因此降低了冷却的速率。随着平衡的扭曲，导致全球气温升高。早在19世纪90年代，瑞典物理学家斯凡特·奥古斯特·阿伦尼乌斯就曾试图预测二氧化碳上升对全球变暖的影响。因为早期认为从上一层大气到下一层的能量转移纯粹是通过辐射进行的，所以尝试的方法过于简单。

过去，研究人员习惯于从统计的角度研究气候，然后以历史数据为基础对未来状态进行推测。可气候是一个长期变化且连续的复杂系统，自身内部所产生的变化也会影响到它的未来，因此仅仅凭借统计数据无法对未来趋势做出准确的预测。建立复杂模型是一个具有非常挑战性的研究项目。

在开发气候模型方面，哈塞尔曼进行了开创性的研究。他首先使用简单的模型来展示一些关于自然气候变率的基本概念，接着构建更现实的模型，并将这些想法应用于整个气候系统，即耦合的海洋——大气环流模型。1976年，哈塞尔曼受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发，采用随机微分方程，创建了一个将短期的天气变化同长期的气候变化相关联的“哈塞尔曼模型”。它能根据一些基本的交互模式来捕捉控制整个复杂系统动力学的主要过程，将人类活动对气候的影响与自然状况下的气候变化分离开来，更好地判断人类活动究竟是如何影响气候变化的。

随机微分方程的每次积分都有不同的实现形式，决定了其构建的气候模型像真实气候环境一样，存在着不确定性。并且这种不确定性进而对气候本身产生影响，从而真实模拟出了气候在时间和空间尺度下的变化趋势。例如大气中快速的温度波动如何影响海洋温度的长期变化，再如大气中二氧化碳浓度增加与全球变暖之间的联系。

哈塞尔曼还开发了用来识别自然现象和人类活动对气候影响的特定信号，称其为“指纹”。他发现，气候模型以及观测和理论考量，均包含了有关“噪声”和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记，可被分离出来。这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响，为进一步研究气候变化扫清障碍。他证明，快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。

哈塞尔曼后来回忆，他是在前往赫尔辛基开会的飞机上想到可以通过与布朗运动类比的大气的短期波动来简单地解释长期气候变化。他原先从事过湍流理论和热线湍流测量方面的工作，因此熟悉各种形式的随机过程。“噪声”的来源是短时间尺度的湍流大气，会在气候系统的其余部分产生更长的时间尺度上的变化。哈塞尔曼还提出了相关的定量估计，很快使人们发现并普遍接受人为全球变暖是真实的。

为了具体介绍上述成果，诺贝尔奖官网运用了一个巧妙的比喻：对气候进行预测，如同人在遛狗时，通过狗的足迹来预测人的行走路径。宠物狗看似混乱的足迹便是天气“噪声”，但如果将时间拉长，尺度放大，看上去混乱无序的“噪声”也可以反映出气候的长期变化趋势，就像我们可以通过狗的足迹来辨别人的运动路径一样。

联合北海波浪计划

虽然哈塞尔曼喜欢做理论模拟，但不只是把自己关在办公室里。他参与了很多大型线下实验，有一次还差点丟了性命。1961年，在蒙克主持的大型波浪实验中，从新西兰岛开始，经过萨摩亚、巴尔米拉环礁等岛礁，最后到阿拉斯加，沿着整个太平洋的大圆圈里建立了一系列测波站。几位科学家分散在了不同的站点，其中科学家戈登·格罗夫斯和一名无线电操作员被空运到巴尔米拉。“ 二战”期间那里是个空军基地，后成为无人荒岛。他们虽然带了5台发电机，但都是“二战”时留下的，其中4台经常出故障。有一天，荒岛传出消息说格罗夫斯的手受伤，流了不少血，随后一周音讯全无。