從無序中發(fā)現(xiàn)有序

龍學(xué)鋒

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了3位科學(xué)家：美籍日裔科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國(guó)科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他們“對(duì)我們理解復(fù)雜物理系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。3位獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ魇窃诳此茻o序的情況下發(fā)現(xiàn)有序，幫助解釋和預(yù)測(cè)復(fù)雜的自然力量。真鍋淑郎和哈塞爾曼的相關(guān)研究為我們了解地球氣候以及人類如何影響氣候奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；而帕里西因其對(duì)無序材料和隨機(jī)過程理論的革命性貢獻(xiàn)獲獎(jiǎng)。

真鍋淑郎：證明二氧化碳能導(dǎo)致全球氣候變暖

關(guān)于工業(yè)革命以來的氣候變化，國(guó)際社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)核心問題，其中第一個(gè)核心問題就是如何從物理上證明二氧化碳能導(dǎo)致全球氣候變暖。真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作（如果不是韋瑟爾德于2011年在75歲時(shí)去世，他應(yīng)該與今年90歲的真鍋淑郎一起獲獎(jiǎng)）清晰地回答了這個(gè)問題。在證明二氧化碳對(duì)氣候變化的作用和復(fù)雜物理機(jī)制方面，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作是開創(chuàng)性的。

真鍋淑郎目前是普林斯頓大學(xué)的高級(jí)氣象學(xué)家和氣候?qū)W家。他1931年出生于日本新宮，1957年在東京大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后加入美國(guó)氣象局。1967年6月，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德合作在美國(guó)氣象學(xué)會(huì)《大氣科學(xué)雜志》上發(fā)表了題為“給定相對(duì)濕度分布的大氣熱平衡”的著名論文?；谠撜撐闹械哪Ｐ停麄冞M(jìn)一步計(jì)算了大氣中二氧化碳濃度從150ppm（指空氣中含有百萬分之150的二氧化碳）增加到300ppm，以及從300ppm增至600ppm時(shí)的溫度變化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二氧化碳濃度每翻一倍，全球平均溫度將會(huì)變暖約2.3℃。這是最早的關(guān)于二氧化碳導(dǎo)致全球變暖的定量估算，非常接近今年8月公布的聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第六次科學(xué)評(píng)估報(bào)告給出的最佳估計(jì)值3.0℃。值得一提的是，真鍋淑郎首次估算了未來的全球變暖幅度。他估計(jì)，從20世紀(jì)70年代到2000年，全球溫度將增加約0.57℃（實(shí)際全球溫度增加了0.54℃）；他還評(píng)估了20世紀(jì)的可能增暖，估算從1900年到2000年的100年里，全球溫度增加幅度為0.8℃，這與實(shí)際值（0.72℃）非常接近。

哈塞爾曼：證明人類活動(dòng)對(duì)氣候變暖影響有多大

關(guān)于工業(yè)革命以來的氣候變化，國(guó)際社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的第二個(gè)核心問題，是人類活動(dòng)在工業(yè)革命以來的全球增暖中到底影響有多大。在這一問題的解答上，克勞斯·哈塞爾曼的貢獻(xiàn)無可替代。真鍋淑郎的研究展示了大氣中二氧化碳含量的增加是如何導(dǎo)致地球表面溫度升高的，而哈塞爾曼的研究則被用于證明大氣溫度升高，是由人類排放的二氧化碳引起的。即使沒有人類活動(dòng)的影響，氣候也會(huì)存在不同時(shí)間尺度的冷暖振蕩，這被稱作“自然變率”。只有在理解自然變率這一“噪聲”規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能找到我們關(guān)注的“信號(hào)”——人類活動(dòng)影響的“指紋”，從而進(jìn)一步定量估算人類活動(dòng)在工業(yè)革命以來全球增暖中的貢獻(xiàn)。同時(shí)，哈塞爾曼的工作也完美地展示了如何借助數(shù)學(xué)來解答氣候變化中的物理問題。

克勞斯·哈塞爾曼是一位德國(guó)物理學(xué)家和海洋學(xué)家。他1931年出生于德國(guó)漢堡，1957年在德國(guó)哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后創(chuàng)建了氣象研究所，并擔(dān)任所長(zhǎng)直至1999年。他同時(shí)也是全球氣候論壇的創(chuàng)始人。

在真鍋淑郎的模型問世約10年后，也就是1977年，哈塞爾曼在快速而混亂的天氣變化中找到了氣候變化的規(guī)律。他也創(chuàng)建了一個(gè)隨機(jī)模型，將天氣和氣候聯(lián)系起來，從而回答了為什么雖然天氣混沌多變，但氣候模型能模擬氣候變化的問題。該模型清楚地顯示了加速的溫室效應(yīng)：自19世紀(jì)中葉以來，大氣中的二氧化碳含量增加了40%。溫度測(cè)量表明，在過去的150年中，全球氣溫升高了1℃。他的研究證明了過去150年間大氣溫度升高主要是由人類排放的二氧化碳造成的。在建立了氣候變化模型之后，哈塞爾曼又發(fā)展了識(shí)別人類對(duì)氣候系統(tǒng)影響的方法。他發(fā)現(xiàn)，這些模型連同觀測(cè)和理論上的考慮，包含了有關(guān)噪聲和信號(hào)特性的充分信息。例如，太陽(yáng)輻射、火山顆粒或溫室氣體水平的變化會(huì)留下獨(dú)特的信號(hào)，這些信號(hào)可以被分離出來。哈塞爾曼因此為進(jìn)一步研究氣候變化掃清了道路，即利用大量獨(dú)立觀測(cè)結(jié)果找到了人類活動(dòng)對(duì)氣候產(chǎn)生影響的痕跡。

帕里西：揭開無序的復(fù)雜材料隱藏的秘密

2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的另一半授予喬治·帕里西，以表彰他“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的相互作用”。值得一提的是，與物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給氣象學(xué)家爆了小冷門不同，拿走了一半獎(jiǎng)金的帕里西在獎(jiǎng)項(xiàng)公布前就是外界預(yù)測(cè)的大熱門學(xué)者。

帕里西1948年出生于意大利羅馬，1970年畢業(yè)于意大利羅馬大學(xué)，現(xiàn)任意大利羅馬大學(xué)教授。帕里西曾獲得無數(shù)榮譽(yù)，包括1999年狄拉克獎(jiǎng)、2002年費(fèi)米獎(jiǎng)、2005年海涅曼數(shù)學(xué)物理獎(jiǎng)和2021年沃爾夫獎(jiǎng)等。作為一名理論物理學(xué)家，他的工作對(duì)物理科學(xué)的各個(gè)分支產(chǎn)生了巨大影響，涵蓋了粒子物理學(xué)、臨界現(xiàn)象、無序系統(tǒng)以及優(yōu)化理論和數(shù)學(xué)物理學(xué)等領(lǐng)域。

1980年左右，帕里西通過分析“自旋玻璃”對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了明顯的隨機(jī)現(xiàn)象如何受隱秘法則的支配，奠定了復(fù)雜系統(tǒng)理論的基石。

復(fù)雜系統(tǒng)的現(xiàn)代研究根植于19世紀(jì)下半葉發(fā)展起來的統(tǒng)計(jì)力學(xué)。統(tǒng)計(jì)力學(xué)是從這樣一種洞察演變而來的：對(duì)于描述由大量粒子組成的系統(tǒng)（如氣體或液體），一種新的研究方法是必要的。該方法必須考慮粒子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，因此基本思想是計(jì)算粒子的平均效應(yīng)，而不是單獨(dú)研究每個(gè)粒子。

在我們的觀測(cè)中，當(dāng)溫度很高時(shí)，玻璃是流動(dòng)的液態(tài)，隨著溫度降低，玻璃變成黏稠的液體，直至成為我們眼中的“固體”玻璃。事實(shí)上，玻璃從來不會(huì)結(jié)晶成為我們所認(rèn)為的“固態(tài)”，它的分子在很小的范圍內(nèi)和很短的時(shí)間內(nèi)能像晶體一樣做規(guī)則排列，但在較大范圍內(nèi)則是無序的，屬于非晶態(tài)的一員。與其相似，在喬治·帕里西的研究中，如果將鐵原子散亂地放在金塊的表面上，對(duì)于自由的單個(gè)鐵原子來講，它就像一個(gè)陀螺一樣在金的基底上旋轉(zhuǎn)，這就是自旋。由于鐵是磁性材料，自旋會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，這就導(dǎo)致每個(gè)鐵原子都會(huì)受磁場(chǎng)影響產(chǎn)生自旋。值得注意的是，每個(gè)鐵原子的平衡位置各不相同，取決于它擁有的能量，即它的溫度。如果不斷降低溫度，它又會(huì)不斷改變方向，由一個(gè)平衡位置調(diào)整為另一個(gè)平衡位置，與玻璃相似，沒有一種最終的平衡狀態(tài)。在普通磁鐵中，所有“自旋”都指向同一個(gè)方向，而在“自旋玻璃”中，它們會(huì)“受挫”，有些“自旋”試圖指向同一個(gè)方向，而另一些則完全指向相反的方向。那么它們是如何找到最佳方向的？帕里西在這些看似隨機(jī)的變化中，找到了規(guī)律。他的發(fā)現(xiàn)是對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一，使人們理解和描述許多不同的、顯然完全隨機(jī)的材料和現(xiàn)象成為可能。這不僅局限于物理學(xué)，也包括數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等許多其他領(lǐng)域。

帕里西還研究了許多其他現(xiàn)象，如冰河時(shí)代為什么會(huì)周期性地重復(fù)出現(xiàn)？是否有更一般的關(guān)于混沌和湍流系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述？成千上萬只椋鳥的喃喃聲中究竟有怎樣的規(guī)律？這些問題似乎與“自旋玻璃”相去甚遠(yuǎn)，然而帕里西說，他的大部分研究都涉及簡(jiǎn)單的行為如何產(chǎn)生復(fù)雜的集體行為，這對(duì)于“自旋玻璃”和椋鳥而言同樣適用。

三位科學(xué)家的貢獻(xiàn)：從無序中找到有序

我們知道，人類很難預(yù)測(cè)未來的天氣，今年獲獎(jiǎng)的兩位科學(xué)家為何能預(yù)測(cè)未來氣候變暖？

20世紀(jì)60年代，美國(guó)氣象學(xué)家愛德華·洛倫茲提出了混沌理論及“蝴蝶效應(yīng)”：“一只南美洲亞馬孫河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)?！逼湓蚓褪呛葎?dòng)翅膀的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致其身邊的空氣系統(tǒng)發(fā)生變化，并產(chǎn)生微弱的氣流，而微弱的氣流的產(chǎn)生又會(huì)引起四周空氣或其他系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由此引起一個(gè)連鎖反應(yīng)，最終導(dǎo)致其他系統(tǒng)的極大變化。因此，長(zhǎng)期準(zhǔn)確預(yù)測(cè)天氣是不可能的。

復(fù)雜系統(tǒng)具有隨機(jī)性和無序性，而天氣系統(tǒng)正是屬于這一類復(fù)雜系統(tǒng)。在實(shí)踐中，我們不可能做到足夠精確——說明大氣中每個(gè)點(diǎn)的氣溫、壓力、濕度或風(fēng)況。此外，控制大氣運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力方程是非線性的：初始值的微小偏差可以讓天氣系統(tǒng)以完全不同的方式演變。

既然天氣系統(tǒng)是混沌無序的，那是不是說更大尺度的氣候特征就更加無序和不可預(yù)測(cè)呢？今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩位得主真鍋淑郎、哈塞爾曼的工作給出否定的結(jié)論。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)我們從更大尺度去考慮全球氣候這樣更大系統(tǒng)的時(shí)候，我們不僅能夠預(yù)測(cè)全球氣候系統(tǒng)的宏觀行為，甚至還可以評(píng)估人類的碳排放如何對(duì)全球氣候造成影響。即使在微觀尺度混沌效應(yīng)的確存在，但當(dāng)我們考慮全球氣候變暖這樣更大尺度的問題時(shí)，混沌效應(yīng)所產(chǎn)生的混亂、不確定性就可以被視為噪聲而忽略掉，從而得到確定性的結(jié)論。今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)兩位得主的成果，正是發(fā)現(xiàn)了全球氣候系統(tǒng)無序中的有序現(xiàn)象。

而今年的另一位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)邌讨巍づ晾镂鲃t發(fā)現(xiàn)了無序的復(fù)雜材料之中隱藏的有序模式。在現(xiàn)實(shí)生活和科學(xué)中，混沌是無處不在的。今天的世界仍存在太多無法預(yù)測(cè)的情況，混沌這個(gè)問題也必將成為全人類關(guān)注的問題。3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咴诨煦缈茖W(xué)的研究中取得了重要的成果，他們從自然界的無序中發(fā)現(xiàn)了有序，使我們能夠更深入地了解復(fù)雜物理系統(tǒng)的特性和演變。