天目Tech+2021年诺贝尔物理学奖揭晓，一半授予了气象学家

北京时间17时45分，2021年诺贝尔物理学奖揭晓，聚焦复杂系统。

奖项一半授予美国普林斯顿大学高级气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所教授克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），另一半授予罗马大学教授乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他们“对我们对复杂系统的理解所作的开创性贡献”。

其中，真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼在开发气候模型方面做出开创性工作，乔治·帕里西则对无序和随机现象理论做出了革命性贡献。

看起来不相及，其实他们的研究对象都是存在于世界上的“复杂的系统”，而对“复杂系统”的认知，可以帮助人类更好认识世界、预测未来。

来，我们一个一个说。

2021年诺贝尔物理学奖得主画像 图片来自诺贝尔奖

过去两百年

科学家们都在研究气候这个复杂系统

世界上存在着许多复杂系统，地球的气候就是其中之一。科学家们一直致力于研究它。

两百年前，法国物理学家约瑟夫·傅里叶（Joseph Fourier）就研究了太阳辐射和地面辐射之间的能量平衡，认为大气在其中发挥了重要的作用。

傅里叶首次提出了温室效应理论，认为在地球表面，入射的太阳辐射会被转化为向外辐射（即所谓的“暗热量”），被大气吸收，从而对大气起到加温作用。

不过，真实的大气辐射过程要复杂得多。在接下来的200年里，多位气候科学家贡献了细节，尤其是研究了大气中温室气体对气候的影响。

他们发现，最强大的温室气体其实是水蒸气，我们无法控制大气中水蒸气的浓度，二氧化碳的浓度则是可以控制的。

不过，大气中的水蒸气含量，高度依赖于温度。大气中的二氧化碳越多，温度越高，空气中的水蒸气含量也就越高，从而增加温室效应，导致温度进一步升高。如果二氧化碳含量水平下降，部分水蒸气会凝结，温度也随之下降。

其中，19世纪末，瑞典科研人员Svante Arrhenius理解了造成温室效应背后的物理原理——向外辐射与辐射体的绝对温度的四次方成正比，辐射源越热，射线的波长越短。太阳的表面温度为6000 C，主要发射可见光谱中的射线。地球表面温度仅为15 C，会再次辐射看不见的红外辐射。如果大气不吸收太阳辐射，地表温度几乎不会超过–18 C。

由于其杰出贡献，Svante Arrhenius曾在1903年被授予诺贝尔化学奖。

真锅淑郎的气候模型 图片来自诺贝尔奖

60年前建立三维气候模型

证实温度变化由二氧化碳水平上升导致

接下来，我们的主角登场了。

真锅淑郎原来是日本大气物理学家，20 世纪 50 年代前往美国继续职业生涯。

他的研究目的和Svante Arrhenius一样，都是为了理解二氧化碳增加如何导致气温上升。

20世纪60年代，他领导了一项物理模型的研究工作，将对流引起的气团垂直输送以及水蒸气的潜热纳入模型之中。

为了使计算变得简单，他将模型简化为一维——即一根垂直的圆柱，直达大气层40公里。

在该模型中，他发现，氧和氮对地球表面的温度影响可以忽略不计，但二氧化碳对温度却有明显的影响：当大气二氧化碳水平翻倍时，全球温度升高2 C以上。超过该阈值，气候变化风险将变得不可接受。

这一数值后来被国际社会普遍接受，并由《巴黎协定》明确为全球温度上升的控制目标——到本世纪末，全球平均气温保持在相对工业化前水平高2 的范围内。

真锅淑郎的研究证实了温度的变化是由二氧化碳水平上升导致的。他在 1975 年发表了一个三维气候模型，成为揭开气候系统奥秘道路上的里程碑之一。

“真锅淑郎的主要贡献之一是利用数学建模的手段，建立了三维气候模式，研究大气二氧化碳增加对气候系统的影响。在当时，这是很超前的研究。” 浙江大学地球科学学院大气科学系教授曹龙在接受记者采访时表示。

60年前，计算机的速度比现在慢了几十万倍，因此真锅淑郎的模型相对简单。即便如此，在研究中，团队也花费了数百个小时来测试模型。

当下，针对气候变化，科学家已经开发了更加复杂和更加精准的模型，能更加精确地分析和利用科学数据。今年8月，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）发布了最新的气候评估报告，气候评估的一个重要工具是世界各国开发的气候模式。作为IPCC报告的主要作者之一，曹龙认为，Manabe在60多年前建立的气候模式，为当今气候模式的发展和预测未来全球变暖趋势奠定了重要的基础。

识别气候指纹资料图 图片来自诺贝尔奖

把天气和气候联系起来

开创“指纹识别法”判定人类对气候的影响

在真锅淑郎研发出模型十年之后，克劳斯·哈塞尔曼将天气和气候联系了起来。

要知道，由于太阳辐射在地理上和时间上分布极不均匀，地球上的天气总是瞬息万变。对人类而言，要精准预测未来十天以上的天气，都一直是一大挑战。

1980年左右，克劳斯·哈塞尔曼提出了将不断变化的混沌天气现象描述为快速变化的噪音，为进行长期气候预测奠定了坚实的科学基础。

诺奖官方将他用充满噪音的天气数据建立气候模型比喻为遛狗：

狗有时会挣脱牵引绳，有时会跑在你前面、或者跑在你后面，有时会与你并肩前行。你能从狗的运动轨迹中看出你是在走路还是站立不动吗？或者在快步行走还是小步慢走吗？狗的运动轨迹就像天气变化，人的行动轨迹则像气候，可以通过计算得出的答案。

不过，影响气候的因素会随时间剧烈变动——它们可能很快，如风力或气温，也可能很慢，如冰盖融化和海洋变暖。

对此，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个随机气候模型，将这些变化的可能性都整合进了模型中。

此后，他还提出了区分自然因素与人类活动因素影响气候变化方法。他发现，在模型中，太阳辐射、火山颗粒或温室气体等因素变化都会留下独特的信号，即“指纹”，而且这些信号可以被分离出来——这种识别指纹的方法就可以应用于判定人类对气候系统的影响。

“他的贡献主要在于在随机气候动力学和指纹识别法研究气候变化成因，就是在检测气候变化的归因方面做了很多开创性的工作。”曹龙说。

曹龙认为，“气候变化的科学本质是物理学，包括流体力学、大气辐射学等多个方面。物理奖把一半颁发给这两位科学家，说明全球对气候变化的关注和重视。近年来，气候变化加剧，极端天气频发，地球的气候需要人类共同关注与守护，研究气候变化的机理和应对对于可持续发展，守护地球母亲具有重要意义。”

在复杂材料中寻找规律 图片来自诺贝尔奖

在复杂系统中寻找规律

帮助人类理解各种无序的材料和现象

围绕复杂系统，第三位科学家乔治·帕里西的研究则更为基础。

乔治·帕里西是意大利科学家，出生于1948年，毕业于罗马大学。获得获奖之前，他已经是物理领域的知名科学家，在粒子物理、量子场论、统计物理等领域都有突出贡献。

此次诺贝尔物理学奖主要是表彰他在在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。

这里的无序材料主要指自旋玻璃，是磁性金属合金亚稳定状态。我们要从微观层面去了解它，这种物质中，某种金属原子（如铁原子），会被随机混合到铜原子的网格中。

即使混入其中的只有几个铁原子，它们也会以一种令人费解的方式彻底改变材料的磁性。

自旋玻璃结构示意图 图片来自诺贝尔奖

每个铁原子的行为 ，或者称为“自旋”，都表现得就像一个小磁铁，会受其附近其他铁原子的影响。在普通的磁体中，所有铁原子的“自旋”都指向同一方向，但在自旋玻璃中，一些自旋会指向相同的方向，另一些则会指向相反的方向。

乔治·帕里西在关于旋转玻璃的著作的序言中写道，研究自旋玻璃就像观看莎士比亚戏剧中的人类悲剧。如果你想同时和两个人交朋友，但他们互相讨厌对方，结果就可能令人沮丧。

1979年，乔治·帕里西取得了决定性的突破，他展示了如何巧妙地利用“副本方法”（一种研究无序态体系时所用的数学技巧，可以在同一时间内处理系统的许多副本）来解释自旋玻璃问题。他在副本中发现了一个隐藏的结构，找到了一种描述它的数学方法，并用了很多年去证明，在数学上是正确的。

研究自旋玻璃模型有什么用呢？借用物理学科普博主傅渥成的回答：

自旋玻璃模是个高度抽象的模型，可以用来描述各种无序材料（胶体、颗粒态等），也可以被用来描述各种不同尺度的包含复杂相互作用的系统(例如大脑、网络、市场、复杂网络上人与人的相互作用），更抽象地来看，自旋玻璃模型也可以被看成是个概率图模型，在机器学习和组合优化问题中也可以发挥重要的作用，例如蛋白质折叠问题就可以用自旋玻璃模型来解释。