2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)解讀尋找全球氣候變化背后隱藏的規(guī)律

□文/楊先碧

供圖/視覺中國(guó)

氣候是一個(gè)變量很多的復(fù)雜系統(tǒng)，要預(yù)測(cè)氣候變化十分困難。美籍日裔氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國(guó)氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，解決了長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)的部分難題，他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與他們同時(shí)獲獎(jiǎng)的還有意大利物理學(xué)家喬治·帕里西，他研究的是復(fù)雜系統(tǒng)中微觀無序和宏觀有序之間的相互作用，推動(dòng)了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。

解決全球變暖的預(yù)測(cè)難題

早在20世紀(jì)上半葉，人們就意識(shí)到全球平均氣溫在逐步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動(dòng)過多排放二氧化碳引發(fā)的，因?yàn)槎趸际且环N可導(dǎo)致大氣升溫的溫室氣體。

影響氣候變化的因素很多，如何證明二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的主要因素？真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學(xué)的方法，證明了這個(gè)難題。他們建立了輻射對(duì)流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關(guān)系。這個(gè)模型清楚地顯示，隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會(huì)不斷上升。利用這個(gè)模型，真鍋淑郎預(yù)測(cè)了未來全球變暖的程度：如果大氣中二氧化碳濃度每增加1倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動(dòng)的。也就是說，不僅是排放者會(huì)自食其果，全球都會(huì)跟著倒霉。真鍋淑郎根據(jù)自己的研究模型預(yù)測(cè)極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的，后來對(duì)南北兩極冰川的觀測(cè)結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)測(cè)。因此，如果不實(shí)施節(jié)能減排，人們不僅會(huì)因全球變暖而遭遇更多的極端天氣，還會(huì)因海平面上升而失去沿海的生存領(lǐng)地。

真鍋淑郎和中國(guó)氣象學(xué)家交往密切，多次到中國(guó)講學(xué)交流。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人曾經(jīng)和真鍋淑郎共事，與真鍋淑郎結(jié)下深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士還曾合作研究，于1982年在國(guó)際期刊上發(fā)表了關(guān)于土壤濕度記憶力的學(xué)術(shù)論文，推動(dòng)了國(guó)際上關(guān)于青藏高原氣候影響的數(shù)值模擬研究。

地球氣候模型

自旋玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

人類活動(dòng)對(duì)全球變暖的影響

地球歷史上遇到過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類沒有出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。近年來的全球變暖事件真的是人類活動(dòng)導(dǎo)致的嗎？曾經(jīng)有不少人對(duì)此表示懷疑。而哈塞爾曼的研究成果則幫助人們消除了疑惑。

影響氣候變化的因素很多，一些因素的短期影響和長(zhǎng)期影響又不太相同。雖然短期的天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高于長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)，但是短期的天氣變化混亂程度大于長(zhǎng)期的氣候變化。因此，要從短期的天氣變化中找到長(zhǎng)期氣候變化的規(guī)律，相當(dāng)于從一團(tuán)亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發(fā)現(xiàn)，太陽輻射、火山顆?；驕厥覛怏w濃度的變化會(huì)在氣象系統(tǒng)中留下獨(dú)特的信號(hào)，這些信號(hào)可以被鑒別出來，而這種識(shí)別“指紋”的方法也可以應(yīng)用于人類對(duì)氣象系統(tǒng)的影響。哈塞爾曼利用這種識(shí)別方法，建立了一個(gè)隨機(jī)氣候模型，創(chuàng)新性地從復(fù)雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。隨機(jī)氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動(dòng)（主要是二氧化碳排放增多）導(dǎo)致的結(jié)果。

哈塞爾曼對(duì)物理學(xué)的興趣來自一臺(tái)收音機(jī)。13歲時(shí)，他從一個(gè)朋友那里買了一臺(tái)收音機(jī)。他說：“令我印象深刻的是，即使沒有接上插座，我也可以通過耳機(jī)聽到美妙的音樂?！碑?dāng)時(shí)他想更好地理解這個(gè)令人困惑的現(xiàn)象，所以去圖書館學(xué)習(xí)相關(guān)的物理知識(shí)。

復(fù)雜系統(tǒng)中的無序與有序

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復(fù)雜系統(tǒng)中的運(yùn)行規(guī)律，而帕里西的研究則讓人們了解到復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。帕里西通過自旋玻璃，發(fā)現(xiàn)了隨機(jī)現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復(fù)雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的模式。這種無序材料是自旋玻璃，它并非我們常見的玻璃，而是在特殊條件下呈現(xiàn)出玻璃狀態(tài)的銅鐵合金。自旋玻璃中的鐵原子隨機(jī)地混合進(jìn)銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點(diǎn)類似行星的自轉(zhuǎn)）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，這使得自旋玻璃成為具有磁性的材料。自旋玻璃中的鐵原子自旋方向是無序的、隨機(jī)的，但是自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性是特定的、有序的。

通過對(duì)自旋玻璃的研究，帕里西提出了深?yuàn)W的“復(fù)本對(duì)稱破缺”理論。簡(jiǎn)單來說，它能讓人們理解和描述復(fù)雜系統(tǒng)隨機(jī)性背后隱藏的規(guī)律，這是帕里西對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。不僅在物理學(xué)界如此，在其他很多看似不相關(guān)的領(lǐng)域，比如材料科學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也是如此。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，曾經(jīng)希望帕里西成為工程師。但是帕里西小時(shí)候閱讀了大量的科普書籍，培養(yǎng)了對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)的興趣。在上大學(xué)時(shí)，他曾為選擇從事物理學(xué)研究還是數(shù)學(xué)研究而為難，最終他還是被當(dāng)時(shí)物理學(xué)取得的輝煌成就所吸引，選擇從事物理學(xué)研究。帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、凝聚物、超級(jí)計(jì)算機(jī)等物理學(xué)領(lǐng)域作出許多決定性貢獻(xiàn)，并得到了廣泛認(rèn)可。他還利用物理學(xué)的方法從事生物學(xué)研究，發(fā)表過關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫系統(tǒng)和動(dòng)物種群運(yùn)動(dòng)的學(xué)術(shù)論文。

天氣預(yù)報(bào)就是氣象學(xué)家對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)這種無序現(xiàn)象建模后得到的預(yù)測(cè)結(jié)果

復(fù)雜系統(tǒng)研究的實(shí)際用途

3位科學(xué)家的研究表明，對(duì)于微觀上無序擾動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計(jì)方法就可以找出宏觀上有序的性質(zhì)。這樣的研究并非只有理論意義，而是具有實(shí)際用途。比如，我們每天看的天氣預(yù)報(bào)，就是氣象學(xué)家對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)這種無序現(xiàn)象建模后得到的預(yù)測(cè)結(jié)果。

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究是復(fù)雜系統(tǒng)理論和實(shí)際用途（氣象預(yù)測(cè)）充分結(jié)合的典范。當(dāng)面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級(jí)臺(tái)風(fēng)等氣象災(zāi)害時(shí)，人們逐漸意識(shí)到氣候變化對(duì)人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關(guān)氣候政策時(shí)，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，而是要明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應(yīng)的措施。兩人的研究都表明氣候變化與二氧化碳排放之間的關(guān)系，因此近年來，各國(guó)政府及聯(lián)合國(guó)相關(guān)組織都在大力倡導(dǎo)“碳達(dá)峰”和“碳中和”。

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)主席、瑞典皇家科學(xué)院院士托爾斯·漢斯·漢森強(qiáng)調(diào)說：“這3位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)獲得了評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的認(rèn)可，表明我們對(duì)氣候的認(rèn)識(shí)建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)上，而且基于對(duì)觀測(cè)的嚴(yán)謹(jǐn)分析。他們的發(fā)現(xiàn)有助于我們更深入地了解復(fù)雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化。”

我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)氣象、材料、天文等領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)會(huì)越來越深入，趨利避害的本領(lǐng)將會(huì)越來越強(qiáng)大。