物理学奖：从认识全球变暖到理解复杂系统

普林斯顿大学的美籍日裔科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和马克斯·普朗克气象研究所创始人、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）的研究，奠定了人类研究地球气候以及人类活动对地球气候影响的科学基础；而罗马大学的意大利科学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）则让全人类对无序与随机现象的理解有了飞跃性的进步。这三位科学家在2021年10月5日成为了诺贝尔物理学奖新晋得主。

乍看起来，分享一半诺贝尔奖金的真锅淑郎和哈塞尔曼的研究更偏向于气象研究，而获得另一半奖金的帕里西则偏于抽象理论研究，三个人的领域并不相同。但如瑞典皇家科学院秘书长戈兰·汉森在发布会上介绍的，这三个人的研究领域都是关于“无序且充满波动的复杂系统”，而且这三个人的研究成果无论是让人类认识到正面临的危机还是开拓未来，都有着无与伦比的重要性。

地球被致密的大气层所包裹，而大气运动影响着整个地球的气候变化。人类想要理解地球气候变化的规律可谓久矣。早在200年前，法国数学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）就希望理解太阳辐射与地球大气中所蕴含的热量之间的平衡关系。但在傅里叶所处的时代，他缺少解决这个问题的必要工具，无法建立太阳辐射以及地球向外反射能量的模型。

地球大气是一个非常复杂的系统。地球的地形复杂，受太阳辐射并不均匀，各地天气瞬息万变，而一点微小的变化又可能带来巨大的后果——所谓“蝴蝶效应”描述的正是这种情况。在复杂系统的内部存在着很多不同的部分相互作用，并且充满了随机现象，容易陷入一种混乱的状态之中，因此很难用简单的数学模型对其进行模拟。正因为如此，真锅淑郎才说：“气象预报曾经更像是一门艺术，而非科学。”

即便如此，一些科学家也早就预料到人类可能面临的气候危机。19世纪90年代，瑞典科学家、1903年诺贝尔化学奖得主斯万特·阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius）就提出大气中的二氧化碳增多可能导致全球变暖。地球大气中占绝大部分的氧气和氮气对大气温度的影响不大，而二氧化碳虽然只占了地球大气总量中的极小一部分，却是影响地球大气温度以及全球气候的关键因素。

太阳的表面温度达到6000摄氏度，主要向外辐射可见光，而地球的表面平均温度是15摄氏度，主要以红外线辐射的形式反射来自太阳的能量——这些被反射的能量中有一部分会被地球大气吸收。大气中如二氧化碳、甲烷、水蒸气等“温室气体”的增加，会把更多的地球红外线辐射的热量留在大气之中，从而造成地球表面温度升高，这可能引发一系列的灾难性事件。瑞典气象学家尼尔斯·埃科赫姆（Nils Ekholm）在1901年首次用“温室”来描述这种现象。

在前人的基础之上，真锅淑郎从20世纪50年代开始研究地球受到的太阳辐射与大气分子的垂直运动之间的关系，以及二氧化碳与大气温度之间的关系。也正是在这项工作的基础之上，人类才得以建立一个准确的全球气候模型。1967年，真锅淑郎结合空气对流运动和水蒸气的潜热等因素，终于得出了第一个全球气候模型。在这个模型中，二氧化碳对大气温度有显著影响——如果二氧化碳的含量加倍，地球表面温度将会升高2摄氏度。以现代的眼光来看，这个只有一个维度的模型显得有些简单，但是它已经显示出巨大的价值——毕竟再高的复杂度也无法和大自然本身相提并论。

在博士期间研究流体力学的哈塞尔曼则更进了一步。他用快速变化的噪声来描述瞬息万变的天气状况，建立了一个随机大气模型，把瞬息万变的天气和全球气候联系了起来。通过这个模型可以显示出快速的大气活动会对缓慢的洋流造成影响，也为预测地球长期的气候变化提供了科学基础。哈塞尔曼还发展了一种科学方法，用以估算人类活动对地球气候造成的影响。1979年，哈塞尔曼通过更加细致的具有决定性意义的气候模型进行计算，成为最先预测人类活动对全球气温升高有影响的科学家之一。

如今通过气候观测和卫星监控，人类使用的气候模型越来越细致，也愈发明显地显示出地球大气的温室效应——在过去的150年里，地球的平均温度上升了1摄氏度。地球正在变暖，而其主要原因是人类活动。

相比于真锅淑郎和哈塞尔曼多年来致力于研究地球大气模型，今年的另一位诺贝尔奖得主帕里西更加偏重理论研究。他最初是从个人的兴趣出发，终于为人类理解和预测复杂系统做出了开创性的贡献。帕里西最初的研究对象是一种叫做“自旋玻璃”（Spin glass）的特殊磁性物质。在这种物质中，不同的金属原子，例如铁原子和铜原子随机混合成为合金。每个金属原子都像一个极小的磁体，它们会受到附近原子的影响，因此无法让所有的小磁体指向同一个方向。而这些原子的排列方式又会对材料的整体性质产生很大影响。由于难以预测随机分布的铁原子与铜原子之间的相互作用，因此这种材料的整体性质也就难以预料。

帕里西在1979年终于取得了突破。他通过一种数学方法来描述这种内部混乱且相互影响的自旋玻璃或颗粒材料等不稳定性系统（Frustrated system），并且通过统计学来分析预测这种系统的行为。人们花了很长时间才证实了这项成果，但随后又发现，这项理论成果还能被应用到数学、生物学、神经科学和机器学习等不同的领域中。帕里西的研究范围十分广泛，但他认为自己主要是研究一个简单的行为如何引发复杂的群体性行为，目前帕里西正在以看待复杂系统的眼光研究新冠病毒的扩散方式。

2021年的诺贝尔物理学奖授予了三位老者。真锅淑郎和哈塞尔曼都已经90岁高龄，最年轻的帕里西也已经73岁了。这说明一项科学成果从完成到得到认可，进而让更多人认识到它的价值，往往需要数十年的时间；也正是这些科学家所做的开创性的贡献，让人类前所未有地认识到自身所面临的危机和无限的可能。

（本文写作参考了诺贝尔奖网站、《科学》和《自然》杂志的相关报道） 科学科普诺贝尔