氣候學(xué)家拿獎，物理學(xué)家“玩兒鳥(niǎo)”！這屆諾獎要“跑偏”
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北京時(shí)間10月5日下午5點(diǎn)50分許，瑞典皇家科學(xué)院決定將2021年的諾貝爾物理學(xué)獎授予美籍日裔科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他們“對我們理解復雜物理系統的開(kāi)創(chuàng )性貢獻”。
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不少從事物理相關(guān)研究的科研人員們大呼“實(shí)至名歸”，又深感“出乎意料”。
一方面，他們都是復雜物理系統領(lǐng)域奠基性的人物，“江湖”上早已聲名遠播；而另一方面，大獎花落氣象學(xué)家，問(wèn)題直指全球變暖，既有點(diǎn)“意外”，又表明“交叉才是未來(lái)”。
《中國科學(xué)報》記者邀請多位專(zhuān)家對本屆諾貝爾物理學(xué)獎進(jìn)行科普解讀，暢聊諾獎得主的科學(xué)人生。
從無(wú)序中發(fā)現“有序”
今年的諾貝爾物理學(xué)獎一半為表彰真鍋淑郎和哈塞爾曼，原因為“用于地球氣候的物理建模，量化變異性和可靠預測全球變暖”；另一半頒發(fā)給帕里西，原因為“發(fā)現從原子到行星尺度的物理系統紊亂和波動(dòng)的相互作用”。
復雜的系統是隨機、紊亂，且難以理解的。
“所有復雜系統都由許多相互作用的不同部分組成，很難用數學(xué)來(lái)描述。物理學(xué)家們已經(jīng)進(jìn)行了數個(gè)世紀的研究。這些復雜系統或受偶然支配，也可能是混沌系統，就像天氣一樣，初始值的小偏差會(huì )導致后期的巨大差異。而今年的獲獎?wù)叨紴槲覀兗由顚@類(lèi)系統及其長(cháng)期演化做出了貢獻?！敝Z貝爾獎官方委員會(huì )在頒獎直播中介紹道。
中國科學(xué)院理論物理研究所副研究員金瑜亮曾師從帕里西作博士后。他告訴《中國科學(xué)報》，在統計物理中，我們要研究大量微觀(guān)粒子的宏觀(guān)性質(zhì)。
但過(guò)去我們的研究，包括大學(xué)物理學(xué)的內容大多是處于平衡態(tài)的體系，即溫度、壓強等宏觀(guān)的物理量跟我們的觀(guān)測時(shí)間沒(méi)有關(guān)系。
事實(shí)上，我們日常生活中有大量的體系是非平衡態(tài)的，比如存在溫度、空氣流、風(fēng)等擾動(dòng)因素，但非平行體系的統計物理并沒(méi)有普適的理論。
“帕里西的主要貢獻就是在無(wú)序的復雜材料中發(fā)現了隱藏的規律，最早給出了被認為是非平行體系中最簡(jiǎn)單的數學(xué)模型——自旋玻璃模型中的嚴格解，這是理解復雜系統的基礎性工作?！苯痂ち琳f(shuō)。
帕里西的工作影響深遠，且應用范圍很廣。復旦大學(xué)物理系教授施郁準確預測了復雜系統和帕里西獲獎。他告訴《中國科學(xué)報》，復雜系統已經(jīng)超出傳統物理學(xué)的范疇，可以用在計算機科學(xué)、機器學(xué)習等領(lǐng)域。
“帕里西研究粒子物理理論時(shí)，注意到自旋玻璃理論里的問(wèn)題，并以他的能力和經(jīng)驗加以解決，這就是復制對稱(chēng)破缺，即這次獲獎的主要依據。以前也有粒子物理學(xué)家威爾遜因為統計物理中的相變的重正化群方法而獲得諾獎。因此學(xué)科交叉合作很重要?！?/span>
地球的氣候是復雜系統的眾多例子之一，對人類(lèi)至關(guān)重要。
真鍋淑郎在日本一直讀到博士，后任美國普林斯頓大學(xué)客座教授，于1975年加入美國籍，然后返回日本，幾年后又回到美國，成為普林斯頓大學(xué)研究員。
他的主要貢獻是二氧化碳水平的增加是如何導致氣溫升高，他花費了無(wú)數個(gè)日夜測試模型，研究表明，當二氧化碳水平翻倍時(shí)，全球溫度上升超過(guò)2°C。
該模型證實(shí)，這種升溫確實(shí)是由于二氧化碳的增加造成的，因為它預測了靠近地面的溫度上升，而上層大氣變冷。
如果太陽(yáng)輻射的變化是溫度升高的原因，那么整個(gè)大氣應該在同一時(shí)間被加熱。
大約十年后，哈塞爾曼創(chuàng )建了一個(gè)將天氣和氣候聯(lián)系在一起的模型，從而回答了為什么氣候模型是可靠的。
“得知今年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者中有兩位氣象學(xué)家，我感到非常驚喜?！敝袊茖W(xué)院大氣物理研究所副研究員魏科告訴《中國科學(xué)報》，盡管真鍋淑郎很早就提出了理論模型，但全球變暖真正成為一個(gè)熱門(mén)研究問(wèn)題，是從上世紀80年代末開(kāi)始持續到現在，理論要比實(shí)際發(fā)現領(lǐng)先了20多年。
這兩位科學(xué)家能獲諾獎，體現了國際社會(huì )對于氣候變暖問(wèn)題的重視，從科學(xué)上來(lái)說(shuō)，整個(gè)地球氣候系統是非常復雜的物理系統，如何來(lái)理解這個(gè)復雜系統也是很重要的科學(xué)問(wèn)題。
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，“今年被確認的發(fā)現表明，我們對氣候的了解建立在一個(gè)堅實(shí)的科學(xué)基礎上，基于對觀(guān)測的嚴格分析。今年的獲獎?wù)哂兄谖覀兏钊氲亓私鈴碗s物理系統的特性和演變?！?/span>
氣候學(xué)家得了物理學(xué)獎
物理學(xué)家在研究生物群
“帕里西是一個(gè)很有趣的人，他的思考方式經(jīng)常能突破傳統視角，可以找到一些新的問(wèn)題來(lái)研究。”上海交通大學(xué)自然科學(xué)研究院、物理與天文學(xué)院教授張何朋告訴《中國科學(xué)報》。
張何朋比較熟悉的是近年來(lái)帕里西從事的鳥(niǎo)群研究。
張何朋告訴記者，帕里西在羅馬大學(xué)的辦公室周?chē)幸蝗簹W椋鳥(niǎo)，這種鳥(niǎo)一到傍晚就會(huì )成千上萬(wàn)只一起飛。
后來(lái)帕里西就問(wèn)了自己一個(gè)問(wèn)題——這些鳥(niǎo)每秒能飛20-30米，它們飛的時(shí)候之間間隔大概有幾米，什么樣的機制讓歐椋鳥(niǎo)在高速飛行中保持同步、不撞到其他鳥(niǎo)？
“鳥(niǎo)群是一個(gè)復雜系統，每只鳥(niǎo)的位置在空間上是無(wú)序的，但鳥(niǎo)群整體可以呈現出高度有序的集體飛行?！睆埡闻蟊硎?，為了理解鳥(niǎo)群中集體飛行的產(chǎn)生機制，帕里西和他的團隊發(fā)展了一個(gè)三維成像系統，積累了大量鳥(niǎo)群的飛行數據，從而發(fā)展了一個(gè)鳥(niǎo)群的相互作用模型，定量地解釋了鳥(niǎo)群中集體飛行的產(chǎn)生機制。
“這個(gè)簡(jiǎn)單模型對后期研究各類(lèi)生物系統中的集體運動(dòng)有著(zhù)深遠的影響。同時(shí)，帕里西這種基于實(shí)驗數據和統計物理的模型構造方法也成為了物理學(xué)家開(kāi)展交叉學(xué)科研究的重要手段?！?/span>
關(guān)于學(xué)科交叉，“今年諾貝爾物理學(xué)獎不僅僅包含了純粹的物理研究領(lǐng)域，實(shí)際上近年來(lái)國際上各學(xué)科互相交叉、融合的趨勢已經(jīng)比較明顯?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮深有同感。
2013年，金瑜亮在帕里西團隊做了一年博士后，在他心中，帕里西是個(gè)天才型的物理學(xué)家，思維很跳躍，能從一個(gè)問(wèn)題很自然地聯(lián)系到另一個(gè)問(wèn)題。
“我有時(shí)候無(wú)法理解?！苯痂ち列χ?zhù)說(shuō)，帕里西有著(zhù)很深厚的知識積累，時(shí)刻保持好奇心，就像小孩子的那種好奇?！八d趣非常廣泛，還喜歡希臘的舞蹈?！?/span>
科學(xué)研究永無(wú)止境，科學(xué)家的探索腳步永不停止。
今年，真鍋淑郎90歲，哈塞爾曼89歲。
魏科說(shuō)，真鍋淑郎一直持續關(guān)注氣候變化評估的研究，思路敏捷，很有激情和想法，對中國很友好，多次訪(fǎng)問(wèn)中國科學(xué)院大氣物理研究所。
從2002年開(kāi)始，他參與日本海洋科學(xué)廳下屬的全球氣候變化研究的地球模擬器項目，通過(guò)超級計算機模擬氣候變化。
現在這些工作是對他上世紀60年代工作的深入研究。
而哈塞爾曼是德國漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所（MPIM）的創(chuàng )始主任（1975-1999），也是歐洲氣候論壇（現更名為全球氣候論壇）的創(chuàng )建者之一，通過(guò)對氣候變化原因的解析，他建立起清晰的人類(lèi)活動(dòng)影響地球氣候系統的科學(xué)基礎，這些科學(xué)工作推動(dòng)全球應對氣候變化的工作，包括目前全球的“碳中和”行動(dòng)。
他最新的研究是關(guān)于全球變暖的歸因檢測，即如何將人為活動(dòng)過(guò)程和自然過(guò)程區分開(kāi)來(lái)。
還有很長(cháng)的路要走
中國科學(xué)院高能物理研究所特聘青年研究員陳繕真告訴《中國科學(xué)報》，諾獎設立之初的目標之一，就是獎勵那些為人類(lèi)福祉做出貢獻的人。
今年的諾貝爾物理學(xué)獎?dòng)幸话腩C發(fā)給了與全球氣候變暖相關(guān)的研究，從為人類(lèi)做出貢獻的角度說(shuō)，該領(lǐng)域獲獎是當之無(wú)愧的。
但在當今這個(gè)基礎科學(xué)研究爆炸式發(fā)展的年代，諾獎級的成果太多，諾獎每年又只能給有限的幾個(gè)人。
所以今年諾獎超出很多人的預期，也在情理之中。
一年一度的“諾獎”向來(lái)備受關(guān)注，在“諾獎熱”的背后，國人們都在期待中國的下一個(gè)諾獎。
但，我們還有很長(cháng)的路要走。
施郁說(shuō)，國際上的復雜性科學(xué)大概有兩個(gè)來(lái)源，一是應用物理，比如混沌、非線(xiàn)性科學(xué)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，另一個(gè)是理論物理，特別是統計物理，比如自旋玻璃、非平衡統計、自組織等等，后來(lái)發(fā)展到復雜系統。
在國內，上世紀八九十年代，復雜性問(wèn)題開(kāi)始被廣泛關(guān)注到，我國的一些統計物理學(xué)和應用數學(xué)研究者開(kāi)展了相關(guān)的研究。
金瑜亮表示，國內復雜系統研究隊伍有一定體量，但在傳承和積淀上有所不足。
“我們與國際水平還有一定差距，但近年來(lái)，隨著(zhù)第一批研究者的積累，以及其培養的學(xué)生的成長(cháng)，這一學(xué)科也在不斷發(fā)展?！?/span>
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