來源：量子位

昨天，2021年諾貝爾物理學獎結果揭曉。

今年的物理獎依舊分爲兩部分，授予3位對理解複雜系統做出突破貢獻的物理學家。

其中一半頒給了真鍋淑郎 （Syukuro Mnabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）：

以表彰他們爲地球氣候建立了物理模型，量化其變異性並可靠地預測全球變暖。

另一半頒給喬治·帕裏西（Giorgio Parisi）：

以表彰其在原子到行星尺度的物理系統中發現無序和漲落的相互作用。

也就是說，真鍋淑郎和Klaus Hasselmann將分別獲得1/4諾貝爾物理學獎獎金，而Giorgio Parisi將獲得剩下1/2獎金。

諾貝爾物理學委員會主席Thors Hans Hansson對此評價說：

今年獲獎的研究表明，我們關於氣候的知識，是基於對觀測的嚴格分析、建立在堅實的科學基礎之上的。

今年的獲獎者們爲我們深入瞭解複雜物理系統的特性和演化做出了貢獻。

他們從混沌中發現隱藏的模式

這次諾貝爾物理獎兩部分的共同主題是複雜系統。

複雜系統很難用數學方法來描述——它們可能包含大量的組成部分或被偶然性所支配，甚至有可能是混沌的。

比如大家都熟悉的“蝴蝶效應”就是在描述混沌系統。

蝴蝶扇動翅膀造成初始條件的微小差異，經過時間的放大都會造成劇烈的變化，讓精準預測幾乎不可能。

提出蝴蝶效應的氣象學家洛倫茲，就是在研究大氣流體動力學時發現，地球上的天氣變化實際上就是一種複雜系統。

所以天氣預報有時候不準，而且越長期越不準，我們就不要責怪氣象臺了，預測複雜系統的長期變化實在是……太難了。

不過地球的氣候與每個人都息息相關，尤其是在氣候變暖、極端天氣現象頻發的今天，氣候現象再難也得研究。

這次獲獎的科學家真鍋淑郎的一大貢獻就是演示了大氣中二氧化碳含量的增加是如何導致地球表面溫度升高的。

爲了便於計算，他把大氣簡化成了40千米高空處的一個柱狀模型，通過改變空氣的組成來研究對地表溫度的影響。

最終他的計算結果是，空氣中佔主要成分的氮氣和氧氣含量變化對地表溫度的影響微乎其微，倒是二氧化碳對地表溫度的影響則十分明顯。

他的研究證實了地球變暖的主要原因是二氧化碳，因爲它預測了接近地面的溫度上升，而上層大氣變冷。

如果是太陽輻射的變化導致了溫度的上升，那麼整個大氣層應該是同時加熱的。

真鍋淑朗的這項研究發表於1967年，隨後他領導了地球氣候物理模型的發展，並且是第一個探索輻射平衡和氣團垂直輸送之間相互作用的人。

由於那時候的計算機速度比現在要慢上幾十萬倍，所以模型必須簡化再簡化。

即便如此，他還是在1975年把模型從一維擴展到了三維，爲今天的氣象模型奠定了基礎。

到了80年代就輪到克勞斯 · 哈塞爾曼出場，他這次與真鍋淑朗分享一半諾貝爾獎是因爲他找到了短期天氣和長期氣候之間的關係

也就是說，我們現在能用上天氣預報，哈塞爾曼的研究正是其科學基礎。

他用一個形象的比喻來描述天氣與氣候間的關係：

你牽着狗散步，你是沿着一個穩定的路線走的，就像是氣候有一個相對穩定的趨勢。但狗在牽繩的範圍內前後左右繞着你的腿跑，就像天氣非常隨機。

哈塞爾曼的模型把嘈雜和混亂的天氣數據視爲噪聲，從中分離出氣候變化的大趨勢。

有了這個模型，他的下一步工作是開發了識別人類活動對氣候變化影響的方法，最終他的方法被用於證明大氣層溫度升高確實是由於人類排放的二氧化碳造成的。

總結一下，真鍋淑郎和哈塞爾曼兩人的研究回答了今天關於地球變暖的三個問題：

地球正在變暖嗎？是的。

變暖的主要原因是溫室氣體增加嗎？是的。

溫室氣體增加是因爲人類活動嗎？是的。

除了宏觀的氣候變化，微觀的粒子運動中也存在複雜系統。今年諾貝爾物理獎的另一個得主喬治·帕裏西便是研究的微觀領域。

如果說前面兩位獲獎者的研究更結合實際，喬治·帕裏西的研究則是從基礎理論出發。

同樣是在80年代，他發現，隨機現象顯然是受隱藏規則支配着的。

帕裏西一開始研究的主題是自旋玻璃。

自旋玻璃是磁性合金材料的一種亞穩定的狀態。用帕裏西的話形容，研究自旋玻璃就像莎士比亞戲劇中的人類悲劇：一些自旋對想要指向同一個方向，而另一些卻想要指向相反方向。

通過對自旋玻璃的研究，帕裏西發現了一種用數學對其進行描述的方法，並由此發展出一種包含許多不同複雜系統的有序和隨機現象的理論，成爲複雜系統理論的基石。

這不僅影響物理學研究，也對數學、生物學、神經科學和機器學習等研究領域產生了影響。

最後，諾貝爾獎委員會對這次物理獎做了一個總結：

自然界觀察到的大量現象都是無序的，而擁抱噪音和不確定性是通向可預測性的重要一步。

獲獎人簡介

最後，還是來簡單介紹一下諾獎大佬們過往的成績。

真鍋淑郎：氣候模型“教父”

真鍋淑郎以率先使用計算機模擬全球氣候變化和自然氣候變化而聞名，被譽爲氣候模型“教父”。

他1931年出生於日本，今年90歲。

他在1958年獲得了東京大學的博士學位，隨後前往美國，爲美國氣象局大氣循環研究部門工作，即現在的地球物理流體動力學實驗室。

1997年到2001年，他在日本全球變化前沿研究系統擔任全球變暖研究部主任。

目前，他是普林斯頓大學的資深氣象學家。同時，他也是美國國家科學院成員，日本科學院、歐洲科學院和加拿大皇家學會外國成員。

事實上，在摘下諾貝爾獎之前，真鍋淑郎就已幾乎將世界上所有地球科學大獎收入囊中。

比如2018年，真鍋淑郎就和Susan Solomon共同獲得了有地球科學界“諾獎”之稱的克拉福德獎。

克勞斯·哈塞爾曼：證明氣候變暖是人類排放的二氧化碳所致

克勞斯·哈塞爾曼是德國知名海洋學家和氣候建模研究者。

他最著名的成就是開發了將短期天氣和長期氣候聯繫起來的模型，並回答了爲什麼氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。

簡單說，他的工作證明了全球氣候變暖確實和人類排放的二氧化碳有關。

哈塞爾曼同樣出生於1931年。

他1957年在哥廷根大學和馬克斯·普朗克流體動力學研究所拿到物理學博士學位。

此後曾任漢堡大學理論地球物理學教授、馬克斯·普朗克氣象研究所創始主任、德國氣候計算中心科學主任等。

現在，他是歐洲氣候論壇副主席。

喬治·帕裏西：“近幾十年來最具創造力和影響力的理論物理學家之一”

喬治·帕裏西是今年3位諾貝爾物理學獎得主中最年輕的一位。

他出生於1948年，今年73歲。

在摘下諾貝爾獎之前，同樣是在今年，喬治·帕裏西獲得了沃爾夫物理學獎——被認爲是諾貝爾物理學獎之外，物理學界最重要的獎項之一。

彼時，其獲獎理由是“在無序系統、粒子物理學和統計物理學領域的突破性發現”。他也被認爲是近幾十年來最具創造力和影響力的理論物理學家之一。

再加上1999年的狄拉克獎章、2016年的拉斯·昂薩格獎章等等大獎，帕裏西此番可以說是實現了物理學“大滿貫”。

此外，喬治·帕裏西還是一位行動主義者。近幾年，他一直領導着“Salviamo la Ricerca Italiana”運動，向意大利和歐洲各國政府施加壓力，要求他們資助基礎研究。

真實的物理世界，充滿難以用數學方法精準描述的現象，但今年的獲獎者和他們引領的學科研究者們，都在帶領着人類穿過混沌，離真相更近一步。

而這，也就是科學的魅力所在吧。