2021物理诺奖：不只理论创新！更是物理学解决人类问题的典型案例

　　北京时间10月4日下午5点30分，2021诺贝尔物理学奖评选结果揭晓，诺贝尔委员会宣布，意大利科学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi ）、美国科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）获得2021年诺贝尔物理学奖，“以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献”。

　　图 | 真锅淑郎（Syukuro Manabe）、克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）、乔治·帕里西（Giorgio Parisi ）

　　因对混沌和表观随机现象的研究，三位诺奖得主分享了今年的诺贝尔物理学奖。其中，一半奖项授予乔治·帕里西，获奖理由为“对从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用的贡献”。另一半奖项则联合授予真锅淑郎与克劳斯·哈塞尔曼，“以表彰他们在对地球气候进行物理建模、量化全球变暖预测的变异性和可靠性方面的贡献”。

　　诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森（Thors Hans Hansson）表示：“今年获奖的发现表明，我们对气候的知识建立在坚实的科学基础上，是基于观察结果的严格分析。今年获奖者的工作都有助于我们更深入地了解复杂物理系统的性质和演化。”

　　对于今年物理诺奖的获奖情况，上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉向DeepTech总结称：“诺奖物理奖一般颁发给基础研究的前沿方向（大自然和宇宙的基本规律）或者是对人类社会进步产生重大影响的方向（包括技术发明），今年显然是属于后者。气候本身就是一个典型的复杂系统，在此方向上的研究显然对人类社会生活有着重大影响，科学意义当然更是非常重大，所以获奖也是实至名归。”

　　华侨大学系统科学研究所所长郑志刚教授告诉DeepTech，英裔美国籍物理学家马克·纽曼（Mark Newman）没能获奖让他感到有些意外，一方面他是近些年复杂网络研究方面卓有成就的物理学家，今年他和帕里西均获得汤姆路透引文奖，并且复杂网络也是复杂系统近年来研究的热点。他表示：“今年的诺贝尔奖关于复杂系统是意料之中，获奖人稍微有点意料之外。纽曼没有获奖令人遗憾，但帕里西获奖仍然（让人）为复杂系统研究的工作者所高兴！”

　　维基百科介绍称：“作为一个跨学科的领域，复杂系统吸收了许多不同领域的贡献。例如：来自物理学的自我组织研究、来自社会科学的自发秩序研究、来自数学的混沌理论研究、来自生物学的适应等等。因此，复杂系统经常被用来作为一个广泛的术语，涵盖了许多不同学科问题的研究方法，包括：统计物理学、信息论、非线性动力学、人类学、计算机科学、气象学、社会学、经济学、心理学、和生物学。”

　　图 | 复杂性科学发展的视角（来源：郑志刚供图）

　　复杂系统以随机和无序为特点，且难以理解。今年的奖项表彰了描述它们和预测它们长期行为的新方法。1980年左右，在无序的复杂材料中，乔治·帕里西发现了隐藏模式，这一发现是复杂系统理论最重要的贡献之一。这使人类理解和描述不同的、表面看起来完全随机的材料和现象成为可能，其贡献不仅在物理学上，也体现在数学、生物学、神经科学和机器学习上。

　　图 | 乔治·帕里西（Giorgio Parisi）

　　乔治·帕里西的研究方向之一正是复杂系统，他最著名的贡献是与意大利理论物理学家圭多·阿塔雷利（Guido Altarelli）共同发现的帕顿密度的QCD演化方程，亦叫Altarelli - parisi或DGLAP方程。他的其余贡献是自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精确解、描述生长界面的动态缩放的Kardar-Parisi-Zhang方程、以及旋转鸟群的研究。

　　对于帕里西的获奖，前文的李亮表示：“乔治·帕里西获奖的主要方向是‘统计力学和复杂系统’，特别是无序和复杂系统，这属于统计物理，不仅应用面比较广，并且也和气候模型相关。”

　　中国科学院理论物理研究所研究员张潘告诉DeepTech：“乔治·帕里西获奖并不意外，这位著名的意大利理论物理学家在统计物理无序系统领域和粒子物理领域中都做出了突出的贡献。帕里西此前已经获得了除诺贝尔奖之外几乎所有重要的理论物理大奖，这一次获诺奖也是众望所归。他的一些例如自旋玻璃的副本破缺理论等工作都有着非常天才的想法。”

　　中国科学院理论物理研究所博导金瑜亮在博后期间，曾在乔治·帕里西课题组从事博后研究，他告诉DeepTech：“他在统计物理方面做了非常重要的工作。从个人角度来讲，他是一个实至名归的天才。在各个领域都有很大影响，并已经超越物理学范畴。大家也一直认为他应该获得诺贝尔奖，只是时间问题。”

　　“帕里西的工作涉及量子场论和复杂系统等前沿理论物理，而他在无序材料和随机现象理论中的相关发现，对深入理解复杂系统的特性和演化均具有革命性贡献。”日本大阪大学产业科学研究所助理教授任慧告诉DeepTech。与此同时，真锅淑郎的研究表面看起来是研究气候变暖，但其内核也和复杂系统相关。

　　在使用计算机进行全球变暖的模拟上，真锅淑郎绝对是一位先驱。中国科学院大气物理研究所副研究员魏科告诉DeepTech，这也是真锅淑郎获奖的主要原因，他分析称：“虽然全球变暖的现象，直到20世纪80年代末才得到重点关注，但是早在20世纪60年代，真锅淑郎就已经在做全球变暖的理论模拟工作。经过三十多年的发展，大家已经从观测上印证了全球气候确实在发生剧烈变化，”

　　大家都知道全球变暖的现象，是因为二氧化碳的增加，定量化地讨论二氧化碳的增加会引起多大的全球温度增加，这项研究由真锅淑郎先生于20世纪60年代最早进行的，他建立了一套数值模型，进行模拟计算。因此，真锅淑郎的研究跟每个人都密切相关。

　　他的模拟给出了全球变暖的定量化工作，当全球二氧化碳加倍时，全球温度就会增加，他给出了全球温度增加的数值约为2.36°C，这一数值非常接近现在的认识，例如，2021年8月9日IPCC第六次气候变化评估给的数值是约2.5~4°C 。二氧化碳增加造成大气低层温度增加，而平流层（距离大气地面10km到50km）内大气的温度会降低。

　　图 | 真锅淑郎

　　概括来说，真锅淑郎的研究属于大气物理，和物理学关系密切，其研究方法也和其他物理领域的方法保持一致，即根据物理规律建立一套完整的方程组，然后对这套复杂方程组进行数值化求解，最终得到天气和气候变化的数值模拟。

　　和真锅淑郎分享奖项的克劳斯·哈塞尔曼是德国海洋学家和气候学家，他曾开发出将天气和气候联系起来的模型，解释了为何气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。他还开发了识别自然现象和人类活动在气候中留下的特定信号、印记的方法。目前。他的方法已被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

　　图 | 克劳斯·哈塞尔曼（来源：资料图）

　　哈塞尔曼的另一著名贡献是开发了研究气候变率的“哈塞尔曼模型”，包括一个具有长记忆力的系统（海洋）整合了随机强迫，从而将白噪声信号转换为红噪声信号，进而解释了在没有特殊假设的情况下气候中无处不在的红噪声信号。

　　任慧认为，真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼的研究成果对于地球科学，更具体地说对于全球变暖的重大意义都是不容争辩的。他们两位建立了一个解释全球变暖的模型，并且回答了一个重要的问题：即为什么在天气如此之变幻莫测的复杂系统中，模型依然是可靠的，原因在于模型建立在严格的物理学方法之上

　　郑志刚认为，今年的诺奖颁给复杂系统这一大方向，对他来说有点意料之中，且有着充分理由。今年的物理学奖颁给三位看似完全不同学界的科学家，反映出复杂系统研究的高度交叉性和物理普适性，也体现出物理学奖的包容性。

　　他说，关于复杂系统的学者应当获得诺贝冒险片尔奖的呼声已经持续多年，此次获奖的三位科学家，主要是因为他们在复杂系统领域做出了一些相对成熟的研究。

　　复杂系统研究的真正热度，开始于最近20年到25年间，一般想要拿出令人信服的成果，并且让大家都熟知和谈论，则需要30到40年。从今年获奖的三位得主都已年岁已高也能看出来，在一个较新的领域做出成熟的成果的确需要时间。

　　而且他感觉此次颁给复杂系统的研究者，可能还只是开始，未来很可能还会有更多复杂系统的科学家获奖。

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