獨特的研究探索

李忠東

2021年諾貝爾物理學(xué)獎頒給了美國科學(xué)家真鍋淑郎、德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼和意大利科學(xué)家喬治·帕里西，以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴?fù)雜物理系統(tǒng)所作出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)。所有的復(fù)雜系統(tǒng)都由許多相互作用的不同部分組成，物理學(xué)家進(jìn)行了幾個世紀(jì)的研究，卻很難用數(shù)學(xué)來描述它們。它們可能有大量的組成部分，或者受偶然支配。就像天氣一樣，也可能是混沌系統(tǒng)，初始值的小偏差會導(dǎo)致后期的巨大差異。這三位科學(xué)家迎難而上，創(chuàng)造性地提出了很多描述和預(yù)測復(fù)雜系統(tǒng)長期行為的新方法，揭示了它們背后隱藏的秘密，有助于人們更好地理解此類系統(tǒng)及其長期發(fā)展趨勢。

2021年諾貝爾物理獎的一半獎金授予普林斯頓大學(xué)的真鍋淑郎和馬克斯·普朗克氣象研究所的哈塞爾曼，以表彰他們“為地球的氣候進(jìn)行物理建模，量化其可變性并可靠地預(yù)測全球變暖”。他們的研究表明，盡管天氣變化無常，然而計算機(jī)模型可以對地球大氣中不斷上升的二氧化碳的變暖效應(yīng)做出具體的預(yù)測。模型清楚地顯示了溫室效應(yīng)在加速，并指出人類活動是罪魁禍?zhǔn)住Ｗ?9世紀(jì)中葉以來，大氣中二氧化碳的濃度增加了40%。幾十萬年來，地球大氣中從沒有過這么多的二氧化碳，而且溫度測量表明，過去150年全球變暖1°C。

諾貝爾物理獎的另外一半獎金授予羅馬大學(xué)的帕里西，以表彰他“發(fā)現(xiàn)從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)內(nèi)的無序和波動的相互作用”。他發(fā)明了一種方法來理解某些磁性合金中的混沌原子運動，這被認(rèn)為是對復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一，其影響廣泛，甚至能幫助解釋數(shù)千只椋鳥的咕噥聲是如何協(xié)同行動的。

諾貝爾物理學(xué)獎委員會主席、瑞典皇家科學(xué)院院士、斯德哥爾摩大學(xué)理論物理學(xué)教授托爾斯·漢斯·漢森在一份聲明中說：“今年的獲獎?wù)邽槲覀兏钊氲亓私鈴?fù)雜物理系統(tǒng)的特性和演化做出了貢獻(xiàn)，……氣候模型基于對觀測的嚴(yán)謹(jǐn)分析，是建立在愛因斯坦關(guān)于布朗運動理論的堅實基礎(chǔ)上的，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。”關(guān)于氣候物理科學(xué)的研究價值得到了廣泛的關(guān)注和認(rèn)可。

世界氣象組織秘書長佩特里·塔拉斯在日內(nèi)瓦指出，2021年諾貝爾物理學(xué)獎顯示“氣候科學(xué)高度受到重視，且理應(yīng)受到高度重視”。 巴黎索邦大學(xué)、法國國家科學(xué)研究中心的氣候科學(xué)家桑德琳·博尼稱：“氣候是物理學(xué)學(xué)科的一部分，這是一個了不起的認(rèn)識，早就應(yīng)該研究了?！睗h堡大學(xué)校長迪特爾·倫森盛贊哈塞爾曼這位在漢堡大學(xué)學(xué)習(xí)而開始走向世界頂級物理學(xué)之路的科學(xué)家。“他擔(dān)任漢堡大學(xué)地球物理研究所所長，可以被認(rèn)為是漢堡大學(xué)氣候研究的先驅(qū)。在他的帶領(lǐng)下，我們學(xué)校已成為國際氣候研究中心?！?/p>

1931年10月25日，哈塞爾曼出生在德國漢堡市。父親是一名經(jīng)濟(jì)學(xué)家、記者和出版商。他們雖不是猶太人，但全家生活在一個主要由猶太德國移民組成的社區(qū)。為了逃避納粹的迫害，哈塞爾曼快3歲的時候，與父母和姐姐一起移民到了英國。在英國，全家一直住在倫敦以北30公里的漂亮小鎮(zhèn)韋林花園城。哈塞爾曼就讀于韋林花園城小學(xué)和文法學(xué)校，在那里通過了A級考試（當(dāng)時稱為高中證書）。哈塞爾曼很喜歡英國，他曾說：“我在英國感到很開心，英語實際上是我的第一語言?！?/p>

哈塞爾曼自述，在英國生活期間的一次事點燃了他對物理學(xué)的興趣。當(dāng)時哈塞爾曼13歲，用2先令6便士從同學(xué)那兒購入一個晶體檢波器，在當(dāng)時差不多是一張電影票的價格。晶體檢波器是20世紀(jì)早期無線電接收器中使用的一種電子元件，接上合適的電路就是一臺簡易的收音機(jī)。令他不可思議的是，竟然可以通過耳機(jī)聽到美妙的音樂。為了弄明白晶體檢波器的工作原理，哈塞爾曼忙著跑圖書館，從書本中尋找答案。

“這對我來說是一段令人興奮的經(jīng)歷，我的物理‘啟蒙老師’是一個晶體探測器，完全獨立于學(xué)校所獲得的物理知識。我認(rèn)為，這種個人學(xué)習(xí)和發(fā)現(xiàn)的經(jīng)驗非常重要?！?哈塞爾曼坦言，“我的物理成績很好，但在老師眼里是一個不守規(guī)矩的學(xué)生，經(jīng)常放學(xué)被處罰不許回家。幾十年過去了，‘哈塞爾曼，四點鐘留堂’這句話今天仍然在我耳邊回響?！?/p>

1949年，18歲的哈塞爾曼回到德國漢堡?；貒?，哈塞爾曼曾在一家機(jī)械廠實習(xí)了半年，后參加大學(xué)入學(xué)考試，入漢堡大學(xué)學(xué)習(xí)，1955年獲得物理學(xué)和數(shù)學(xué)的文憑。哈塞爾曼繼續(xù)深造，僅僅用了不到兩年時間就在馬克斯·普朗克流體動力學(xué)研究所和哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位。他博士論文的課題是對各向同性湍流（湍流指流體的一種流動狀態(tài)，各向同性湍流是一種最簡單的理想化湍流）的基本動力學(xué)方程進(jìn)行更流暢的推導(dǎo)，由于堅持認(rèn)為導(dǎo)師建議的方法行不通，用自己獨創(chuàng)的方法完成了研究，導(dǎo)師不太高興，給哈塞爾曼的博士論文判了相當(dāng)于 B級的 2分，讓他畢業(yè)了。哈塞爾曼從此不走尋常路，開始了對物理的個人探索。他回到漢堡大學(xué)做了3年的博士后，繼續(xù)研究湍流理論。隨后在漢堡大學(xué)造船研究所進(jìn)行流體動力學(xué)研究，主要是在船尾流中進(jìn)行湍流實驗工作。

在學(xué)生時代，哈塞爾曼受到了帕斯夸爾·喬丹的啟發(fā)，后者在漢堡大學(xué)教授理論物理。哈塞爾曼說：“我和他沒有私下接觸，但我真的很喜歡他的講座?！惫麪柭鼒猿肿灾鲗W(xué)習(xí)，讀有趣的書，像所有年輕科學(xué)家一樣熟悉與自己的研究有關(guān)的文獻(xiàn)。用他自己的話來說，“無論是學(xué)習(xí)期間還是之后的研究，我從來沒有遇到真正合適的導(dǎo)師，主要自己輔導(dǎo)自己。”

1961年，哈塞爾曼應(yīng)著名海洋科學(xué)家沃爾特·蒙克的邀請，攜全家來到美國。哈塞爾曼在美國加州大學(xué)拉霍亞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，哈塞爾曼參加了蒙克組織的一場關(guān)于大海洋尺度的波浪實驗，在夏威夷觀測波浪，哈塞爾曼每天兩次檢查實驗數(shù)據(jù)，兼做后勤工作。他表示，美國的工作條件非常好，但他的妻子蘇珊娜不樂意，孩子們也沒有在德國時那么快樂，尤其是大女兒梅克，情緒變得相當(dāng)不穩(wěn)定，所以最終決定全家返回德國。

回國后，哈塞爾曼從1966 年起擔(dān)任漢堡大學(xué)地球物理和行星物理研究所的教授。在這期間，德國聯(lián)邦科學(xué)技術(shù)部提供專門資金在漢堡大學(xué)創(chuàng)建了一個理論地球物理系，并且聘請哈塞爾曼為該系的主任。成為教授之后的哈塞爾曼對學(xué)生出了名的嚴(yán)厲，有個學(xué)生在跟了他從事研究一年后出家當(dāng)牧師了。這名學(xué)生后來向哈塞爾曼致謝，說他間接地鼓勵自己做出人生新決定。

1975 年至1999年，哈塞爾曼任漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所所長。該所成立于1975年，迅速發(fā)展成為國際領(lǐng)先的氣候研究機(jī)構(gòu)，為聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會的科學(xué)評估報告做出了重大貢獻(xiàn)。正是在這里，哈塞爾曼領(lǐng)導(dǎo)創(chuàng)建了氣候模型。馬克斯-普朗克研究所是德國的一所基礎(chǔ)研究機(jī)構(gòu)，成立于1948年。這里人才輩出，成果累累，為德國乃至全世界的科技發(fā)展做出了極大的貢獻(xiàn)。馬克斯-普朗克太空物理學(xué)研究所所長、物理學(xué)家萊因哈德·根澤爾因在銀河系中央發(fā)現(xiàn)超大質(zhì)量天體獲得2020年諾貝爾物理學(xué)獎。

科學(xué)家們很早就知道，地球由于太陽光線照射表面而變暖，而大氣向太空發(fā)射紅外光使地球表面變冷，這兩種效應(yīng)的平衡決定了地球的溫度。由于大氣中的二氧化碳吸收了部分紅外光，因此降低了冷卻的速率。隨著平衡的扭曲，導(dǎo)致全球氣溫升高。早在19世紀(jì)90年代，瑞典物理學(xué)家斯凡特·奧古斯特·阿倫尼烏斯就曾試圖預(yù)測二氧化碳上升對全球變暖的影響。因為早期認(rèn)為從上一層大氣到下一層的能量轉(zhuǎn)移純粹是通過輻射進(jìn)行的，所以嘗試的方法過于簡單。

過去，研究人員習(xí)慣于從統(tǒng)計的角度研究氣候，然后以歷史數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)對未來狀態(tài)進(jìn)行推測?？蓺夂蚴且粋€長期變化且連續(xù)的復(fù)雜系統(tǒng)，自身內(nèi)部所產(chǎn)生的變化也會影響到它的未來，因此僅僅憑借統(tǒng)計數(shù)據(jù)無法對未來趨勢做出準(zhǔn)確的預(yù)測。建立復(fù)雜模型是一個具有非常挑戰(zhàn)性的研究項目。

在開發(fā)氣候模型方面，哈塞爾曼進(jìn)行了開創(chuàng)性的研究。他首先使用簡單的模型來展示一些關(guān)于自然氣候變率的基本概念，接著構(gòu)建更現(xiàn)實的模型，并將這些想法應(yīng)用于整個氣候系統(tǒng)，即耦合的海洋——大氣環(huán)流模型。1976年，哈塞爾曼受愛因斯坦有關(guān)布朗運動的理論啟發(fā)，采用隨機(jī)微分方程，創(chuàng)建了一個將短期的天氣變化同長期的氣候變化相關(guān)聯(lián)的“哈塞爾曼模型”。它能根據(jù)一些基本的交互模式來捕捉控制整個復(fù)雜系統(tǒng)動力學(xué)的主要過程，將人類活動對氣候的影響與自然狀況下的氣候變化分離開來，更好地判斷人類活動究竟是如何影響氣候變化的。

隨機(jī)微分方程的每次積分都有不同的實現(xiàn)形式，決定了其構(gòu)建的氣候模型像真實氣候環(huán)境一樣，存在著不確定性。并且這種不確定性進(jìn)而對氣候本身產(chǎn)生影響，從而真實模擬出了氣候在時間和空間尺度下的變化趨勢。例如大氣中快速的溫度波動如何影響海洋溫度的長期變化，再如大氣中二氧化碳濃度增加與全球變暖之間的聯(lián)系。

哈塞爾曼還開發(fā)了用來識別自然現(xiàn)象和人類活動對氣候影響的特定信號，稱其為“指紋”。他發(fā)現(xiàn)，氣候模型以及觀測和理論考量，均包含了有關(guān)“噪聲”和信號特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山有關(guān)顆?；驕厥覛怏w水平的變化會留下獨特的信號和印記，可被分離出來。這種印記識別方法也可應(yīng)用于研究人類對氣候系統(tǒng)的影響，為進(jìn)一步研究氣候變化掃清障礙。他證明，快速變化的大氣實際上會導(dǎo)致海洋緩慢變化。

哈塞爾曼后來回憶，他是在前往赫爾辛基開會的飛機(jī)上想到可以通過與布朗運動類比的大氣的短期波動來簡單地解釋長期氣候變化。他原先從事過湍流理論和熱線湍流測量方面的工作，因此熟悉各種形式的隨機(jī)過程?！霸肼暋钡膩碓词嵌虝r間尺度的湍流大氣，會在氣候系統(tǒng)的其余部分產(chǎn)生更長的時間尺度上的變化。哈塞爾曼還提出了相關(guān)的定量估計，很快使人們發(fā)現(xiàn)并普遍接受人為全球變暖是真實的。

為了具體介紹上述成果，諾貝爾獎官網(wǎng)運用了一個巧妙的比喻：對氣候進(jìn)行預(yù)測，如同人在遛狗時，通過狗的足跡來預(yù)測人的行走路徑。寵物狗看似混亂的足跡便是天氣“噪聲”，但如果將時間拉長，尺度放大，看上去混亂無序的“噪聲”也可以反映出氣候的長期變化趨勢，就像我們可以通過狗的足跡來辨別人的運動路徑一樣。

雖然哈塞爾曼喜歡做理論模擬，但不只是把自己關(guān)在辦公室里。他參與了很多大型線下實驗，有一次還差點丟了性命。1961年，在蒙克主持的大型波浪實驗中，從新西蘭島開始，經(jīng)過薩摩亞、巴爾米拉環(huán)礁等島礁，最后到阿拉斯加，沿著整個太平洋的大圓圈里建立了一系列測波站。幾位科學(xué)家分散在了不同的站點，其中科學(xué)家戈登·格羅夫斯和一名無線電操作員被空運到巴爾米拉?！?二戰(zhàn)”期間那里是個空軍基地，后成為無人荒島。他們雖然帶了5臺發(fā)電機(jī)，但都是“二戰(zhàn)”時留下的，其中4臺經(jīng)常出故障。有一天，荒島傳出消息說格羅夫斯的手受傷，流了不少血，隨后一周音訊全無。

哈塞爾曼焦慮不安，決定乘飛機(jī)去荒島看看。這是一架“二戰(zhàn)”遺留的老式B25 飛機(jī)，由于機(jī)上沒有導(dǎo)航設(shè)備，飛行員只能憑經(jīng)驗飛行，往一個方向飛一段時間，考慮一下風(fēng)向，算算自己在什么位置，離目的地還有多遠(yuǎn)。由于飛行員頻頻失誤，根本找不到巴爾米拉。他們被迫無奈，往塔希提飛去。不湊巧的是那里正在下雷暴雨，無法讓他們降落。哈塞爾曼只得返回夏威夷。當(dāng)時情況十分危機(jī)，B25 飛機(jī)已經(jīng)用盡了最后一滴燃油，墜落事件隨時可能發(fā)生。為安全起見，整個夏威夷機(jī)場被清空，任何其他飛機(jī)都不得降落。如果當(dāng)時不幸發(fā)生，后果不堪設(shè)想……事后，哈塞爾曼不甘心，強(qiáng)烈的責(zé)任感驅(qū)使他去營救那名“重病”的科學(xué)家。這次乘坐的是有導(dǎo)航的專業(yè)運輸機(jī)，終于降落到巴爾米拉。沒有想到，迎接他的是笑嘻嘻的格羅夫斯，只見他的手指上僅貼著一個小創(chuàng)可貼……

1968年夏天，哈塞爾曼回到德國開展跨國海浪研究。他協(xié)調(diào)英國、荷蘭、美國、德國等國家的有關(guān)單位實施“聯(lián)合北海波浪計劃”，從丹麥、德國交界處西海岸的敘爾特島沿西偏北方向，形成了一個伸入北海達(dá)160公里的測波斷面。沿斷面共布置了13個觀測站，采用多種觀測儀器觀測波浪。正當(dāng)他們積極籌備海浪研究的時候，德國國防部的電話告之必須取消計劃。原來北約也打算在這個夏天進(jìn)行一次大規(guī)模的海對空導(dǎo)彈試驗，而哈塞爾曼他們的實驗設(shè)備會干擾到國防部門對導(dǎo)彈的跟蹤。

哈塞爾曼據(jù)理力爭，說為準(zhǔn)備這個實驗至少花費了200萬德國馬克，國防部則告訴他海對空導(dǎo)彈試驗耗資5000萬德國馬克。物理學(xué)家向軍方討價還價，表示1968年可以只做簡化實驗，但1969年對方必須資助自己重做完整實驗。德國國防部同意了哈塞爾曼的要求。由于準(zhǔn)備不足和通信被干擾等原因，第一次試驗徹底失敗，幾乎沒有獲得多少有用的數(shù)據(jù)。科研人員吸取教訓(xùn)第二年再次組織進(jìn)行全面的實驗，所有設(shè)備都運行良好，獲得了非常好的數(shù)據(jù)集。哈塞爾曼使用費曼圖（第三種建立量子力學(xué)的方式）對其進(jìn)行了微擾處理，于1976 年開發(fā)出一個隨機(jī)氣候模型，確保了氣候的可變性。這個模型被全球200多個中心使用，其提供的海浪譜（描述海浪內(nèi)部能量相對于頻率和方向分布的圖譜，又稱海洋能量譜）迄今仍被廣泛應(yīng)用在海洋科學(xué)和海洋工程等領(lǐng)域。

“聯(lián)合北海波浪計劃”的成功對哈塞爾曼的研究和發(fā)展產(chǎn)生了十分積極的影響，這表明他具備開發(fā)一個新氣候研究計劃的靈活性。哈塞爾曼知名度大增，1972年，哈塞爾曼以海洋專家的身份成為全球大氣研究計劃聯(lián)合組織委員會的成員，并參與了后來成為世界氣候研究計劃的準(zhǔn)備工作。1974年哈塞爾曼參加了在斯德哥爾摩召開的第一次氣候會議，主持其中一個涉及海洋和氣候的工作組，在隨后的赫爾辛基海洋與氣候會議中擔(dān)任會議的共同召集人，這兩次會議為后來在日內(nèi)瓦的會議上制定世界氣候研究計劃奠定了基礎(chǔ)。

“‘聯(lián)合北海波浪計劃’無疑是我參與過的最成功的實驗，發(fā)展了相關(guān)理論?！惫麪柭硎?，“我的職業(yè)生涯的確非常幸運，假如沒有海對空導(dǎo)彈試驗，跨國海浪研究將困難重重。幸好有德國國防部的資助，我們才得以一年后重新進(jìn)行實驗?！?/p>

半個多世紀(jì)以來，哈塞爾曼在科學(xué)的征途上從來沒有停止前進(jìn)的腳步。他投身流體動力學(xué)研究，從理論上解決海浪分量的非線性耦合問題。后逐漸轉(zhuǎn)向海洋學(xué)、氣象學(xué)和氣候研究，開發(fā)了耦合的氣候經(jīng)濟(jì)模型來確定減緩氣候變化的排放路徑。自20世紀(jì)60年代以來，他一直在研究量子場論，甚至退休后也沒有閑著。

量子場論是量子力學(xué)狹義相對論和經(jīng)典場論相結(jié)合的物理理論，已被廣泛地應(yīng)用于粒子物理學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)中。量子場論為描述多粒子系統(tǒng)，尤其是包含粒子產(chǎn)生和湮滅過程的系統(tǒng)，被認(rèn)為提供了有效的描述框架。哈塞爾曼通過深入研究，大膽指出量子場論中的某些東西基本上是錯誤的，認(rèn)為問題不在于它可以描述的現(xiàn)象的有限范圍，以某些參數(shù)范圍為特征，而是在于基本概念本身，在于否定真實對象的存在。量子場論只捕獲了一半的事實，即波粒二象性問題的波方面。盡管受到質(zhì)疑和嘲諷，然而哈塞爾曼堅持自己的觀點是正確的，他堅信“任何試圖提出經(jīng)典理論的人都在與強(qiáng)大的主流作斗爭”。

哈塞爾曼的研究涉及氣候、海浪和衛(wèi)星遙感三個典型的領(lǐng)域，真正讓他感興趣的事情是其中那些根本不清楚是否會成功的問題。像對湍流理論或量子現(xiàn)象的研究，沒有一條通往成功解決方案的捷徑。但是哈塞爾曼建議年輕的科學(xué)家，如果認(rèn)為自己不是一個天才，那么就先去做一些對社會有用的研究。這能帶來自由，不必面臨不斷取得成果的壓力……

哈塞爾曼很早就開始高度關(guān)注人為氣候變化和溫室效應(yīng)。他提醒說：“在30年到100 年內(nèi)，根據(jù)消耗的化石燃料，我們將面臨非常明顯的氣候變化，應(yīng)該意識到我們正在進(jìn)入一個沒有回頭路的局面?！?021年10月5日，這位老人接受美聯(lián)社采訪，在談到全球暖化正對人類和地球構(gòu)成威脅時，稱寧愿自己沒有得到諾貝爾獎，也不希望有全球暖化。

哈塞爾曼直言，像許多科學(xué)家一樣，自己缺乏與媒體打交道的能力，經(jīng)常在溝通中倍感沮喪，因此將一些與媒體、公眾、政策制定者互動的壓力交給了其他人。在身任馬克斯·普朗克氣象研究所所長時，該所的聯(lián)合主任哈特穆特·格拉斯?fàn)柧蛶退謸?dān)了不少的媒體采訪。在哈塞爾曼看來，媒體熱衷于報道人們喜歡讀的東西，而不是他們應(yīng)該讀的東西，也就是科學(xué)事實。但科學(xué)事實有時候又稍顯無聊，尤其像氣候變化這類議題，變化本身就非常緩慢，而媒體卻喜歡提出極端的觀點，而且往往是沒有充分的科學(xué)支持的觀點。在這種情況下，公眾就弄不清楚氣候變化到底是怎么回事。

實際上，哈塞爾曼對于科普本身還是非常贊同的，認(rèn)為科學(xué)家有義務(wù)向公眾展示他們的成果，而媒體就是最有效的途徑，尤其是對于那些可能會影響社會政策的科學(xué)成果，就更應(yīng)當(dāng)如此。他分享了一個十分正面的例子：“有一年，我們做了一個量化的研究，證明全球變暖會引起自然界的變化。這很快就讓民眾意識到，氣候變暖是真的，而且已經(jīng)可以被監(jiān)測到了。”

1991年，哈塞爾曼60歲生日的時候，人們舉辦了一個生日驚喜座談會。他曾經(jīng)的許多合作者都突然出現(xiàn)了，他們來自不同的國家和不同領(lǐng)域，讓這位老科學(xué)家感動不已：“我如此幸運，能在職業(yè)生涯里擁有這么豐富的友誼。”2021年10月25日哈塞爾曼迎來了90歲誕辰，也同樣收到了來自世界各地的獲獎祝福。