氣象學(xué)與物理學(xué)的邊界
——從2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)新聞報(bào)道用詞說起

■ 賈朋群

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被美國、德國和意大利學(xué)者共享。日裔美國學(xué)者真鍋淑郎獲知得獎(jiǎng)消息后發(fā)出的“可我只是個(gè)搞氣候的呀（But I’m just a climatologist）”的感嘆表明，這次2位氣象學(xué)者獲物理學(xué)獎(jiǎng)似乎有些意外。實(shí)際上，現(xiàn)代氣象科學(xué)源自經(jīng)典物理學(xué)，這一點(diǎn)不僅能從很多早期量化氣象觀測傳感器的發(fā)明出自物理學(xué)者之手、現(xiàn)代大學(xué)中氣象科學(xué)專業(yè)多從物理專業(yè)析出等感覺到，甚至現(xiàn)代氣象科學(xué)的奠基者和氣象問題的表述，都應(yīng)該記在物理學(xué)家和物理學(xué)的身上。提出天氣預(yù)報(bào)是物理初值問題并就此創(chuàng)建了現(xiàn)代氣象科學(xué)的挪威學(xué)者皮葉克尼斯，他的父親C.A.皮葉克尼斯是一位一生鐘情于研究“以太”的志向遠(yuǎn)大的物理學(xué)家。1890年，皮葉克尼斯來到當(dāng)時(shí)為世界物理和數(shù)學(xué)研究中心的德國，師承大名鼎鼎的物理學(xué)家赫茲，對電的諧振進(jìn)行廣泛研究。物理學(xué)家出身的皮葉克尼斯，1897年發(fā)現(xiàn)了著名的環(huán)流理論，該理論被認(rèn)為是第一次將近代物理和數(shù)學(xué)發(fā)展的重要成果——流體力學(xué)和熱力學(xué)結(jié)合起來，應(yīng)用于大氣和海洋中的大尺度運(yùn)動(dòng)研究。

物理學(xué)如母體孕育了氣象學(xué)，或者是氣象學(xué)作為物理學(xué)應(yīng)用于地球大氣的應(yīng)用領(lǐng)域，這一深厚的淵源在氣象科學(xué)獨(dú)立成長一個(gè)多世紀(jì)后，終于獲得諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)，也算是修成正果。物理獎(jiǎng)委員會(huì)主席Thors Hans Hansson在評論今年獎(jiǎng)項(xiàng)的中獎(jiǎng)原因時(shí)更是一語中的：給混沌天氣編碼（to code the chaotic weather）。這里，天氣的本質(zhì)被一個(gè)物理術(shù)語“混沌”定義就有了學(xué)科視角，而“編碼”一詞又從計(jì)算數(shù)學(xué)角度，詮釋了物理定律在氣象領(lǐng)域的駕馭。

Hansson在試圖串聯(lián)起本次獲獎(jiǎng)?wù)甙臍夂蚰M和復(fù)雜系統(tǒng)研究兩方面的工作時(shí)進(jìn)一步指出，兩類研究有共同的主題，或者說按照同樣的規(guī)則在做同樣的事情，即研究各種波動(dòng)“合在一起能夠生成我們可以理解和預(yù)測的事情（fluctuations together that can give rise to something that we can understand and predict）”。這里，混沌的天氣又被一般化為波動(dòng)（fluctuations），而fluctuations按照美國氣象學(xué)會(huì)術(shù)語解釋，它與氣象上更常用的variation（變化）等同，特指觀測序列連續(xù)值的升高和下降，或者是相對于穿過眾多數(shù)據(jù)點(diǎn)的平滑曲線數(shù)據(jù)的變化。從諾獎(jiǎng)評委會(huì)不多的話語中，大約更加清晰地透視了氣象科學(xué)不僅是物理學(xué)應(yīng)用于星球大氣層重要的應(yīng)用學(xué)科，更是集中了各種復(fù)雜過程的代表，其學(xué)科內(nèi)的科學(xué)問題可以穿透物理學(xué)更多的領(lǐng)域。

說到與本次諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)3位獲獎(jiǎng)?wù)哐芯棵芮邢嚓P(guān)的復(fù)雜過程，《自然》雜志在報(bào)道中用“隱藏的秩序（hidden order）”闡釋科學(xué)探索的意義。諾獎(jiǎng)物理學(xué)獎(jiǎng)評委會(huì)成員、耶魯大學(xué)地球和行星科學(xué)家John Wettlaufer指出：“我們認(rèn)識(shí)到，將要出現(xiàn)的現(xiàn)象有時(shí)需要你觀察所有個(gè)別復(fù)雜的物理機(jī)制，再將它們結(jié)合在一起做出預(yù)測?！边@里，“結(jié)合”這個(gè)詞是knit，原意為“編織”，換句話說，復(fù)雜過程中包含的多個(gè)物理機(jī)制共同起作用時(shí)，最終結(jié)果并非是簡單的機(jī)制相加，而是相互“編織”在一起，“編織”本身無疑也是一個(gè)復(fù)雜過程，因?yàn)榫幙椀慕Y(jié)果應(yīng)該符合，甚至顯現(xiàn)出“隱藏的秩序”。

《經(jīng)濟(jì)學(xué)家》雜志全面報(bào)道了本屆諾獎(jiǎng)科學(xué)類獎(jiǎng)項(xiàng)，在報(bào)道氣象學(xué)者獲得物理學(xué)獎(jiǎng)時(shí)，以“光和熱（heat and light）”為小標(biāo)題，似乎是在替物理學(xué)者找到該獎(jiǎng)被賦予氣象學(xué)家的依據(jù)。報(bào)道中還特意提示，MIT的洛倫茨在真鍋淑郎開展研究的同時(shí)，開始將天氣作為一個(gè)混沌系統(tǒng)進(jìn)行描述，這或許是在提醒學(xué)界：“混沌”雖然是物理學(xué)中的概念，但地球大氣的混沌本質(zhì)，無論是理論形成還是計(jì)算模型的建立，都是氣象學(xué)家干的，他們獲獎(jiǎng)當(dāng)屬眾望所歸。

氣候變化相關(guān)研究獲得2021年諾獎(jiǎng)，給2021年11月召開的世界氣候大會(huì)帶來些什么？瑞典皇家科學(xué)院秘書長在回復(fù)這一提問時(shí)指出：模擬的氣候具有堅(jiān)實(shí)的物理理論基礎(chǔ)（modelling climate is solidly based in physical theory）。他的話無疑讓氣象科學(xué)攜對地球大氣演化規(guī)律的認(rèn)識(shí)，在更高層次上回歸物理學(xué)。