尋找隱藏在復雜系統(tǒng)中的奧秘

楊先碧

氣候是一個變量很多的復雜系統(tǒng)，要預測氣候變化十分困難。美籍日裔氣象學家真鍋淑郎和德國氣象學家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，在預測長期氣候的難題方面做出了重要貢獻。他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學獎。與他們同時獲獎的還有意大利物理學家喬治·帕里西，他研究的是復雜系統(tǒng)中微觀無序變量和宏觀有序變量之間的相互作用，推動了復雜系統(tǒng)的理論研究和實際應用。

解決全球變暖的預測難題

早在20世紀上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動過多排放二氧化碳引發(fā)的，因為二氧化碳是一種可導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的方法，證明了這個難題。他們建立了輻射對流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關系。這個模型清楚地反映出：隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會不斷上升。利用這個模型，真鍋淑郎預測了未來全球變暖的程度：大氣中二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

氣候是個復雜系統(tǒng)

風云莫測的天氣

真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動的。也就是說，二氧化碳排放量的增加不僅會讓排放者遭殃，全球都會跟著倒霉。真鍋淑郎根據(jù)自己的研究模型進行預測：極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的。后來對南北兩極冰川的觀測結果證實了這一預測是正確的，進而使人們認識到：如果不實施節(jié)能減排，人們不僅會因全球變暖而遭受更多的極端天氣，還會因海平面上升而失去沿海的生存領地。

真鍋淑郎曾經(jīng)在接受媒體采訪時說：“起初開始這項研究只是因為我的好奇心，我真的很喜歡研究氣候變化。好奇心是我所有研究活動的驅動力，所以我用模型來研究過去4億年來氣候的演變過程，這非常有趣?！闭驽伿缋珊椭袊鴼庀髮W家交往密切，多次到中國交流講學。中國科學院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人都曾經(jīng)和真鍋淑郎共事，與真鍋淑郎先生結下了深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士還曾合作研究，于1982年在國際期刊發(fā)表了關于土壤濕度記憶力的學術論文，推動了國際上關于青藏高原氣候影響的數(shù)值模擬研究。

人類活動對全球變暖的影響

地球歷史上發(fā)生過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。但是，近一百多年來的全球變暖事件真的是人類活動導致的嗎？曾經(jīng)有不少人對此表示懷疑，而哈塞爾曼的研究成果則消除了人們的疑惑。

哈塞爾曼曾經(jīng)是名海洋學家，主要從事海浪研究，他建造的海浪模型被全球200多個中心使用，至今仍被廣泛應用在海洋科學、海洋工程領域。1972年，哈塞爾曼以海洋學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，并參與了世界氣候計劃（World Climate Programme）的準備工作。這促成了他從海浪研究轉向氣候研究。

影響氣候變化的因素很多，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。雖然短期的天氣預報準確度高于長期氣候預測，但是短期的天氣變化混亂程度卻大于長期的氣候變化混亂程度。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規(guī)律，相當于從一團亂麻中找到麻線的走向。哈塞爾曼另辟蹊徑，不是從天氣資料去研究氣候變化，而是專注于太陽輻射、火山粉塵或溫室氣體濃度的變化，因為這些變化會在氣象系統(tǒng)中留下獨特的信號。這些信號如同氣象的指紋，可以用科學的方法鑒別出來。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型（后來被學術界稱為哈塞爾曼模型），開創(chuàng)性地從復雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。

哈塞爾曼對物理學的興趣源于一臺收音機。他在13歲時，花了一張電影票錢從一個朋友那里購買了一個晶體二極管，組裝了一臺最簡單的收音機。他說：“令我印象深刻的是，即使不接電，我也可以聽到收音機中播放的美妙音樂。”當時他想更好地理解這個令人困惑的現(xiàn)象，所以去圖書館學習相關物理知識。正是年少時就培養(yǎng)了善于探究的科學精神，讓哈塞爾曼成年后在科學研究的道路上不斷進步，成就斐然。

人類排放的二氧化碳是全球變暖的重要因素

氣候變化將給人類帶來更多的災害

復雜系統(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了氣候這種復雜系統(tǒng)中的運行規(guī)律，帕里西的研究則讓人們了解到復雜系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。帕里西的研究對象不是廣闊的大氣層，而是小小的自旋玻璃。盡管自旋玻璃不如大氣層那么矚目，但它也是一個復雜系統(tǒng)，帕里西從中發(fā)現(xiàn)了復雜系統(tǒng)隨機現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復雜系統(tǒng)的理論研究。

1980年，帕里西開始研究一種無序的復雜材料——自旋玻璃，試圖發(fā)現(xiàn)其中隱藏的物理規(guī)律。自旋玻璃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。雖然玻璃態(tài)物質(zhì)歸類于固體，但是它的性質(zhì)介于固體和液體之間。自旋玻璃中的鐵原子隨機地混合進銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉）會產(chǎn)生一個磁場，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、隨機的，但是自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性卻是特定的、有序的。

從微觀上來說物質(zhì)往往都具有對稱性，而對稱性破缺造就了事物極大的豐富性和復雜性，甚至某種意義上如此紛繁復雜的世界就是對稱破缺的結果。通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了“復本對稱破缺”的研究方法。簡單來說，科學家用計算機對具有對稱破缺的復雜系統(tǒng)進行復制，制造很多個數(shù)字化“復本”模型，這樣就能讓人們理解和描述復雜系統(tǒng)隨機性背后隱藏的規(guī)律，這是帕里西對復雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻之一。這個研究方法不僅適合物理學，也很適用于其他科學研究領域，比如材料科學、生物學、神經(jīng)科學、機器學習等。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，他們曾經(jīng)都希望帕里西成為工程師。但是帕里西小時候閱讀了大量的科普書籍，培養(yǎng)了對基礎科學的興趣。在大學時，他曾為選擇從事物理學研究還是數(shù)學研究而為難，最終被當時物理學家所獲得的輝煌成就所吸引而選擇了物理學。帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學、統(tǒng)計力學、流體動力學、凝聚物、超級計算機等物理學領域做出了突出貢獻，并得到了廣泛認可；他還利用物理學的方法從事生物學研究，發(fā)表過神經(jīng)網(wǎng)絡、免疫系統(tǒng)、動物種群運動等領域的學術論文。

自旋玻璃的磁性

帕里西教授在中國改革開放之初就與中國科學界展開了學術交流。1980年春，他訪問了中國科學院理論物理研究所，與吳詠時教授合作，用統(tǒng)計物理學的方法研究量子場論，深入研究了量子化和量子漲落。他們的合作論文發(fā)表在《中國科學》雜志上，引發(fā)了國際粒子物理學界的關注。

復雜系統(tǒng)研究的實際用途

現(xiàn)代科學分支越來越細，導致科學家對宏觀現(xiàn)象和復雜現(xiàn)象的研究十分欠缺。不少科學家認識到這樣的問題，開始了復雜性科學的研究。復雜性科學興起于20世紀80年代，主要研究復雜系統(tǒng)的結構、功能和演化，是一門新興的交叉性、綜合性學科，也是當代科學發(fā)展的前沿領域之一。英國物理學家霍金曾表示：“21世紀是復雜性科學的世紀?！?/p>

復雜系統(tǒng)普遍存在于自然界和人類社會，從復雜物理系統(tǒng)到生態(tài)系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、社會系統(tǒng)等。三位獲獎科學家的研究表明，對于各部分處于無序擾動的復雜系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計方法，就可以找出整體上有序的性質(zhì)。這樣的研究并非只有理論意義，而是具有實際用途。比如，我們每天看的天氣預報，就是氣象學家對大氣運動這種無序現(xiàn)象建模過后所得到的預測結果。

人類的思維和意識也是一個復雜性系統(tǒng)

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究是復雜系統(tǒng)理論和實際用途（氣象預測）充分結合的典范。當面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風等氣象災害時，人們越來越多地意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關氣候政策時，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，只有明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應的措施。哈塞爾曼的隨機氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動（主要是二氧化碳排放增多）導致的結果。兩人的研究都表明氣候變化與二氧化碳排放之間的關系，因此近年來，各國政府及聯(lián)合國相關組織都在大力倡導“碳達峰”和“碳中和”。

諾貝爾物理學獎評獎委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調(diào)說：“這三位科學家的發(fā)現(xiàn)獲得了評獎委員會的認可，表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學基礎上，而且基于對觀測的嚴謹分析。他們的發(fā)現(xiàn)有助于我們更深入地了解復雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化?！?真鍋淑郎也表示：“世界比以往任何時候都更清楚地了解到，氣候變化正在一步步地成為人類的重大危機。這才是我獲獎背后的意義?！?/p>

我們相信，隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對氣象、材料、天文等領域的復雜系統(tǒng)的認識會越來越深入，人們趨利避害的本領也將會越來越強大。

獲獎者簡介

真鍋淑郎（Syukuro Manabe），1931年出生于日本，1958年從日本東京大學獲得理學博士學位，隨后到美國氣象局工作，現(xiàn)供職于美國普林斯頓大學。

克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），1931年出生于德國，1957年從德國哥廷根大學獲得博士學位，現(xiàn)任歐洲氣候論壇副主席。

喬治·帕里西（Giorgio Parisi），1948年出生于意大利羅馬，1970年從意大利羅馬大學獲得博士學位，現(xiàn)為意大利羅馬智慧大學理論物理系教授，意大利國家核物理研究所研究員。