“復雜系統”拉響氣候危機的警報
——解讀2021年諾貝爾物理學獎

河北 玄友珍

2021 年接近尾聲，回首過去的一年，有太多的記憶留存在我們的腦海，然而極端天氣所造成的影響應該是為數不多的深刻印象之一。2021 年10 月，我國應急管理部曾發布信息稱，今年前三季度，我國自然災害形勢復雜嚴峻，極端天氣事件多發。自然災害以洪澇、冰雹、干旱、臺風、地震和地質災害為主，低溫冷凍和雪災、沙塵暴、森林草原火災和海洋災害等也有不同程度發生。7 月，鄭州連降暴雨，接著殃及河南??；10 月，山西省也因強降雨引發洪澇災害等。其實，不僅我國極端天氣增多，放眼全球，也是如此。

今年夏季，美國西部絕大部分地區都處于熱浪籠罩之下。熱浪讓空氣和地面變得極度干旱，引發了加州史上最大的火災。根據加州消防局的記錄，該州史上最嚴重的10 起火災中，有6 起發生在2020 年和2021 年。這表明，極端天氣正讓災害發生頻率越來越高，危害也越來越大。在歐洲，致命洪水剛剛退去，野火又開始肆虐。30年來最嚴重的熱浪席卷了希臘，45°C 的高溫，讓希臘人引以為豪的珍稀原始森林變成了易燃易爆的“火藥桶”。就連常年被寒冷籠罩的一些地區也在承受熱浪侵襲。據英國《衛報》報道，西伯利亞東部的雅庫特是俄羅斯最寒冷的地區之一，延續數周的野火已讓該地區340 萬公頃的凍土層化為焦土。

2021年10月5日，瑞典皇家科學院宣布將2021 年諾貝爾物理學獎授予真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和喬治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他們對混亂和明顯隨機現象的研究，對我們理解復雜物理系統的開創性貢獻。

為什么將極端天氣和2021 年諾貝爾物理學獎放在一起呢？二者有緊密聯系。今年的諾貝爾物理學獎獲獎項目是描述和預測復雜系統長期行為的新方法。而造成極端天氣的大氣系統正是復雜系統的一種。正是由于這些科學家們長期、嚴謹、堅持不懈地研究，才得以通過科學、系統的方法對全球氣候變化做出預警。而近些年的實際情況也不斷驗證了科學家這一理論體系的正確。

對于人類活動與氣候變化的關聯，嚴謹的科學家們往往使用保守措辭。但在聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）8月9 日發布的第六次氣候變化評估報告中，數百名頂級科學家史無前例地一致指出，人類活動與氣候危機之間有著“毫無疑問”的聯系。全球氣候正在發生廣泛而快速的變化，其中有些變化是不可逆的。

這份報告是多國科學家近十年的研究成果。報告指出，人類活動已導致全球氣溫比前工業時代上升了1°C，現在正迅速逼近1.5°C——這是《巴黎氣候協議》制定的氣候警戒線。即便全球碳排放量從今天開始大幅下降，氣溫增幅仍然會一路突破1.5°C 大關，過段時間才會停止攀升，掉頭下行。

氣候數值的細微波動，對全世界造成的影響也是重大的。自20 世紀50 年代以來，熱浪和暴雨變得越來越頻繁，強度也不斷突破極值，影響了歐洲、北美、非洲和亞洲大部分地區；過去每10 年發生一次的干旱，現在增加了70%；颶風發生的次數增加了66%。未來還會更糟。以熱浪為例，過去每50 年發生一次的極端熱浪，如今每10年就會發生一次；如果氣溫增幅達1.5°C，10 年的周期會縮短為5 年；如果氣溫增幅超過4°C，那么，人類每15 個月就會經歷一次過去一輩子才經歷一兩次的氣候噩夢。氣候變化造成的影響遠不止熱浪——它讓冰川加速融化，抬高了海平面，降低了海水的酸堿值和含氧量；它加劇了區域內水循環，帶來更猛烈的降雨和更嚴重的干旱。

IPCC 強而有力的結論并非空中樓閣，而是基于一場伴隨著無數質疑的科學接力。IPCC 是一個有著四千多名共同作者、評審專家、組織人員的科學機構。該機構的核心——全球范圍內的頂尖科學家們，負責評審和評估海量的氣候變化研究，形成一份關于氣候變化的龐大報告。IPCC 讓越來越多的人共同認識到人類活動和全球變暖之間的關聯。20 世紀80 年代，全球變暖似乎只是一個有趣的假設。而20 世紀90 年代，IPCC 的一系列科學報告則提供了更為有力的證據支持。

距第一次IPCC 報告發布，已過去多年，而霍頓等科學家們也已向人類社會吶喊、預警多年——氣候變化會改變并威脅地球上絕大多數人的生活，加劇資源競爭，激化國家內部和國家之間的矛盾，造成更多的暴力沖突甚至戰爭。他們的依據，來自于科學共同體在氣象觀測、物理機制、模式模擬等方面所做的巨大努力。

大氣物理學家真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼就是因為“對地球氣候的物理建模、量化可變性和可靠地預測全球變暖”，為我們了解地球氣候以及人類如何影響地球氣候奠定了基礎而共同獲得2021 年諾貝爾物理學獎的一半。喬治·帕里西則因發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和漲落的相互作用，對無序材料和隨機過程理論做出的革命性貢獻而得到2021 年諾貝爾物理學獎的另一半。

復雜系統是一種普遍的存在，但具有隨機性和紊亂的特點，因而非常難以理解。比如地震預測、癌癥治療等與我們息息相關的難題，科學家也經?！笆譄o策”，為什么？很大程度上是因為它們都屬于復雜系統。還有，比如空氣，在大尺度上就成了天氣，而天氣非常富于變化。流動的水和其他液體也屬于復雜系統，很難去具體、詳細地描述。這次獎項的創新之處就是獲獎人成功地將復雜系統納入到物理學的框架中，能夠用物理方法來描述正在發生的事，以及這些事如何隨著時間的推移而發展。

早在20 世紀60 年代，真鍋淑郎就跟合作者們共同開發了有史以來第一個氣候的物理模型。他們預測，如果空氣中的二氧化碳含量翻倍，那么全球氣溫就要升高。這也是我們最近一百年來看到的情況。哈塞爾曼則考慮了更多細節，把一些不確定因素加進來，以保證模擬結果是正確的，在科學上是可信的。后者還開發了可以直接觀察的“指紋”，比如由人為原因導致的二氧化碳排放。他們的工作讓我們在最近十年里確信，關于全球變暖的預測在科學上是正確的。

“今年獲獎的研究表明，我們關于氣候的知識，是基于對觀測的嚴格分析，建立在堅實的科學基礎之上的?！敝Z貝爾物理學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）說。

真鍋淑郎的研究表面看起來是研究氣候變暖，但其內核也和復雜系統相關。喬治·帕里西的工作涉及量子場論和復雜系統等物理前沿理論。他在無序材料和隨機現象理論中的相關發現，對深入理解復雜系統的特性和演化均具有革命性貢獻。這位著名的意大利理論物理學家在統計物理無序系統領域和粒子物理領域中都做出了突出的貢獻。帕里西此前已經獲得了除諾貝爾獎之外幾乎所有重要的理論物理大獎。20 世紀80 年代，在無序的復雜材料中，喬治·帕里西發現了隱藏模式，這一發現是復雜系統理論最重要的貢獻之一。這使人類理解和描述不同的、表面看起來完全隨機的材料和現象成為可能，其貢獻不僅在物理學上，也體現在數學、生物學、神經科學和機器學習上，并且和氣候模型相關。

“為了我們的后代，我們現在必須快速行動起來！”這句話來自2021 年諾貝爾物理學獎得主喬治·帕里西。