2021年物理諾獎：統計物理與復雜系統的成功，不只是理論創(chuàng )新！更是物理學(xué)應用于解決人類(lèi)重大問(wèn)題的典型案例｜解讀

北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)30分，2021諾貝爾物理學(xué)獎評選結果揭曉，諾貝爾委員會(huì )宣布，意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi ）、美國科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）獲得2021年諾貝爾物理學(xué)獎，“以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴碗s物理系統所作出的開(kāi)創(chuàng )性貢獻”。
因對混沌和表觀(guān)隨機現象的研究，三位諾獎得主分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。其中，一半獎項授予喬治·帕里西，獲獎理由為“對從原子到行星尺度的物理系統的無(wú)序和波動(dòng)的相互作用的貢獻”。另一半獎項則聯(lián)合授予真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼，“以表彰他們在對地球氣候進(jìn)行物理建模、量化全球變暖預測的變異性和可靠性方面的貢獻”。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì )主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示：“今年獲獎的發(fā)現表明，我們對氣候的知識建立在堅實(shí)的科學(xué)基礎上，是基于觀(guān)察結果的嚴格分析。今年獲獎?wù)叩墓ぷ鞫加兄谖覀兏钊氲亓私鈴碗s物理系統的性質(zhì)和演化?！?br />
對于今年物理諾獎的獲獎情況，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮告訴向DeepTech總結稱(chēng)：“諾獎物理獎一般頒發(fā)給基礎研究的前沿方向（大自然和宇宙的基本規律）或者是對人類(lèi)社會(huì )進(jìn)步產(chǎn)生重大影響的方向（包括技術(shù)發(fā)明），今年顯然是屬于后者。氣候本身就是一個(gè)典型的復雜系統，在此方向上的研究顯然對人類(lèi)社會(huì )生活有著(zhù)重大影響，科學(xué)意義當然更是非常重大，所以獲獎也是實(shí)至名歸?！?/span>

華僑大學(xué)系統科學(xué)研究所所長(cháng)鄭志剛教授告訴DeepTech，英裔美國籍物理學(xué)家馬克·紐曼（Mark Newman）沒(méi)能獲獎讓他感到有些意外，一方面他是近些年復雜網(wǎng)絡(luò )研究方面卓有成就的物理學(xué)家，今年他和帕里西均獲得湯姆路透引文獎，并且復雜網(wǎng)絡(luò )也是復雜系統近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。他表示：“今年的諾貝爾獎關(guān)于復雜系統是意料之中，獲獎人稍微有點(diǎn)意料之外。紐曼沒(méi)有獲獎令人遺憾，但帕里西獲獎仍然（讓人）為復雜系統研究的工作者所高興！”

維基百科介紹稱(chēng)：“作為一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，復雜系統吸收了許多不同領(lǐng)域的貢獻。例如：來(lái)自物理學(xué)的自我組織研究、來(lái)自社會(huì )科學(xué)的自發(fā)秩序研究、來(lái)自數學(xué)的混沌理論研究、來(lái)自生物學(xué)的適應等等。因此，復雜系統經(jīng)常被用來(lái)作為一個(gè)廣泛的術(shù)語(yǔ)，涵蓋了許多不同學(xué)科問(wèn)題的研究方法，包括：統計物理學(xué)、信息論、非線(xiàn)性動(dòng)力學(xué)、人類(lèi)學(xué)、計算機科學(xué)、氣象學(xué)、社會(huì )學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、心理學(xué)、和生物學(xué)?！?/span>

復雜系統以隨機和無(wú)序為特點(diǎn)，且難以理解。今年的獎項表彰了描述它們和預測它們長(cháng)期行為的新方法。1980年左右，在無(wú)序的復雜材料中，喬治·帕里西發(fā)現了隱藏模式，這一發(fā)現是復雜系統理論最重要的貢獻之一。這使人類(lèi)理解和描述不同的、表面看起來(lái)完全隨機的材料和現象成為可能，其貢獻不僅在物理學(xué)上，也體現在數學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機器學(xué)習上。

喬治·帕里西的研究方向之一正是復雜系統，他最著(zhù)名的貢獻是與意大利理論物理學(xué)家圭多·阿塔雷利（Guido Altarelli）共同發(fā)現的帕頓密度的QCD演化方程，亦叫Altarelli - parisi或DGLAP方程。他的其余貢獻是自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精確解、描述生長(cháng)界面的動(dòng)態(tài)縮放的Kardar-Parisi-Zhang方程、以及旋轉鳥(niǎo)群的研究。

對于帕里西的獲獎，前文的李亮表示：“喬治·帕里西獲獎的主要方向是‘統計力學(xué)和復雜系統’，特別是無(wú)序和復雜系統，這屬于統計物理，不僅應用面比較廣，并且也和氣候模型相關(guān)?！?/span>

中國科學(xué)院理論物理研究所研究員張潘告訴DeepTech：“喬治·帕里西獲獎并不意外，這位著(zhù)名的意大利理論物理學(xué)家在統計物理無(wú)序系統領(lǐng)域和粒子物理領(lǐng)域中都做出了突出的貢獻。帕里西此前已經(jīng)獲得了除諾貝爾獎之外幾乎所有重要的理論物理大獎，這一次獲諾獎也是眾望所歸。他的一些例如自旋玻璃的副本破缺理論等工作都有著(zhù)非常天才的想法?！?br />

中國科學(xué)院理論物理研究所博導金瑜亮在博后期間，曾在喬治·帕里西課題組從事博后研究，他告訴DeepTech：“他在統計物理方面做了非常重要的工作。從個(gè)人角度來(lái)講，他是一個(gè)實(shí)至名歸的天才。在各個(gè)領(lǐng)域都有很大影響，并已經(jīng)超越物理學(xué)范疇。大家也一直認為他應該獲得諾貝爾獎，只是時(shí)間問(wèn)題?！?/span>

“帕里西的工作涉及量子場(chǎng)論和復雜系統等前沿理論物理，而他在無(wú)序材料和隨機現象理論中的相關(guān)發(fā)現，對深入理解復雜系統的特性和演化均具有革命性貢獻?！比毡敬筅娲髮W(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所助理教授任慧告訴DeepTech。與此同時(shí)，真鍋淑郎的研究表面看起來(lái)是研究氣候變暖，但其內核也和復雜系統相關(guān)。

在使用計算機進(jìn)行全球變暖的模擬上，真鍋淑郎絕對是一位先驅。中國科學(xué)院大氣物理研究所副研究員魏科告訴DeepTech，這也是真鍋淑郎獲獎的主要原因，他分析稱(chēng)：“雖然全球變暖的現象，直到20世紀80年代末才得到重點(diǎn)關(guān)注，但是早在20世紀60年代，真鍋淑郎就已經(jīng)在做全球變暖的理論模擬工作。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，大家已經(jīng)從觀(guān)測上印證了全球氣候確實(shí)在發(fā)生劇烈變化，”

大家都知道全球變暖的現象，是因為二氧化碳的增加，定量化地討論二氧化碳的增加會(huì )引起多大的全球溫度增加，這項研究由真鍋淑郎先生于20世紀60年代最早進(jìn)行的，他建立了一套數值模型，進(jìn)行模擬計算。因此，真鍋淑郎的研究跟每個(gè)人都密切相關(guān)。

他的模擬給出了全球變暖的定量化工作，當全球二氧化碳加倍時(shí)，全球溫度就會(huì )增加，他給出了全球溫度增加的數值約為2.36°C，這一數值非常接近現在的認識，例如，2021年8月9日IPCC第六次氣候變化評估給的數值是約2.5~4°C 。二氧化碳增加造成大氣低層溫度增加，而平流層（距離大氣地面10km到50km）內大氣的溫度會(huì )降低。

概括來(lái)說(shuō)，真鍋淑郎的研究屬于大氣物理，和物理學(xué)關(guān)系密切，其研究方法也和其他物理領(lǐng)域的方法保持一致，即根據物理規律建立一套完整的方程組，然后對這套復雜方程組進(jìn)行數值化求解，最終得到天氣和氣候變化的數值模擬。

和真鍋淑郎分享獎項的克勞斯·哈塞爾曼是德國海洋學(xué)家和氣候學(xué)家，他曾開(kāi)發(fā)出將天氣和氣候聯(lián)系起來(lái)的模型，解釋了為何氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問(wèn)題。他還開(kāi)發(fā)了識別自然現象和人類(lèi)活動(dòng)在氣候中留下的特定信號、印記的方法。目前。他的方法已被用來(lái)證明大氣溫度升高是由于人類(lèi)排放的二氧化碳。

哈塞爾曼的另一著(zhù)名貢獻是開(kāi)發(fā)了研究氣候變率的“哈塞爾曼模型”，包括一個(gè)具有長(cháng)記憶力的系統（海洋）整合了隨機強迫，從而將白噪聲信號轉換為紅噪聲信號，進(jìn)而解釋了在沒(méi)有特殊假設的情況下氣候中無(wú)處不在的紅噪聲信號。

任慧認為，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的研究成果對于地球科學(xué)，更具體地說(shuō)對于全球變暖的重大意義都是不容爭辯的。他們兩位建立了一個(gè)解釋全球變暖的模型，并且回答了一個(gè)重要的問(wèn)題：即為什么在天氣如此之變幻莫測的復雜系統中，模型依然是可靠的，原因在于模型建立在嚴格的物理學(xué)方法之上。

鄭志剛認為，今年的諾獎頒給復雜系統這一大方向，對他來(lái)說(shuō)有點(diǎn)意料之中，且有著(zhù)充分理由。今年的物理學(xué)獎頒給三位看似完全不同學(xué)界的科學(xué)家，反映出復雜系統研究的高度交叉性和物理普適性，也體現出物理學(xué)獎的包容性。

他說(shuō)，關(guān)于復雜系統的學(xué)者應當獲得諾貝爾獎的呼聲已經(jīng)持續多年，此次獲獎的三位科學(xué)家，主要是因為他們在復雜系統領(lǐng)域做出了一些相對成熟的研究。

復雜系統研究的真正熱度，開(kāi)始于最近20年到25年間，一般想要拿出令人信服的成果，并且讓大家都熟知和談?wù)?，則需要30到40年。從今年獲獎的三位得主都已年歲已高也能看出來(lái)，在一個(gè)較新的領(lǐng)域做出成熟的成果的確需要時(shí)間。

而且他感覺(jué)此次頒給復雜系統的研究者，可能還只是開(kāi)始，未來(lái)很可能還會(huì )有更多復雜系統的科學(xué)家獲獎。

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