從無序中發現有序

龍學鋒

2021年諾貝爾物理學獎授予了3位科學家：美籍日裔科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和意大利科學家喬治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他們“對我們理解復雜物理系統的開創性貢獻”。3位獲獎者的工作是在看似無序的情況下發現有序，幫助解釋和預測復雜的自然力量。真鍋淑郎和哈塞爾曼的相關研究為我們了解地球氣候以及人類如何影響氣候奠定了堅實的基礎；而帕里西因其對無序材料和隨機過程理論的革命性貢獻獲獎。

真鍋淑郎：證明二氧化碳能導致全球氣候變暖

關于工業革命以來的氣候變化，國際社會重點關注兩個核心問題，其中第一個核心問題就是如何從物理上證明二氧化碳能導致全球氣候變暖。真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作（如果不是韋瑟爾德于2011年在75歲時去世，他應該與今年90歲的真鍋淑郎一起獲獎）清晰地回答了這個問題。在證明二氧化碳對氣候變化的作用和復雜物理機制方面，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德的工作是開創性的。

真鍋淑郎目前是普林斯頓大學的高級氣象學家和氣候學家。他1931年出生于日本新宮，1957年在東京大學獲得博士學位，隨后加入美國氣象局。1967年6月，真鍋淑郎和理查德·韋瑟爾德合作在美國氣象學會《大氣科學雜志》上發表了題為“給定相對濕度分布的大氣熱平衡”的著名論文。基于該論文中的模型，他們進一步計算了大氣中二氧化碳濃度從150ppm（指空氣中含有百萬分之150的二氧化碳）增加到300ppm，以及從300ppm增至600ppm時的溫度變化，結果發現，二氧化碳濃度每翻一倍，全球平均溫度將會變暖約2.3℃。這是最早的關于二氧化碳導致全球變暖的定量估算，非常接近今年8月公布的聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次科學評估報告給出的最佳估計值3.0℃。值得一提的是，真鍋淑郎首次估算了未來的全球變暖幅度。他估計，從20世紀70年代到2000年，全球溫度將增加約0.57℃（實際全球溫度增加了0.54℃）；他還評估了20世紀的可能增暖，估算從1900年到2000年的100年里，全球溫度增加幅度為0.8℃，這與實際值（0.72℃）非常接近。

哈塞爾曼：證明人類活動對氣候變暖影響有多大

關于工業革命以來的氣候變化，國際社會重點關注的第二個核心問題，是人類活動在工業革命以來的全球增暖中到底影響有多大。在這一問題的解答上，克勞斯·哈塞爾曼的貢獻無可替代。真鍋淑郎的研究展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，而哈塞爾曼的研究則被用于證明大氣溫度升高，是由人類排放的二氧化碳引起的。即使沒有人類活動的影響，氣候也會存在不同時間尺度的冷暖振蕩，這被稱作“自然變率”。只有在理解自然變率這一“噪聲”規律的基礎上，才能找到我們關注的“信號”——人類活動影響的“指紋”，從而進一步定量估算人類活動在工業革命以來全球增暖中的貢獻。同時，哈塞爾曼的工作也完美地展示了如何借助數學來解答氣候變化中的物理問題。

克勞斯·哈塞爾曼是一位德國物理學家和海洋學家。他1931年出生于德國漢堡，1957年在德國哥廷根大學獲得博士學位，隨后創建了氣象研究所，并擔任所長直至1999年。他同時也是全球氣候論壇的創始人。

在真鍋淑郎的模型問世約10年后，也就是1977年，哈塞爾曼在快速而混亂的天氣變化中找到了氣候變化的規律。他也創建了一個隨機模型，將天氣和氣候聯系起來，從而回答了為什么雖然天氣混沌多變，但氣候模型能模擬氣候變化的問題。該模型清楚地顯示了加速的溫室效應：自19世紀中葉以來，大氣中的二氧化碳含量增加了40%。溫度測量表明，在過去的150年中，全球氣溫升高了1℃。他的研究證明了過去150年間大氣溫度升高主要是由人類排放的二氧化碳造成的。在建立了氣候變化模型之后，哈塞爾曼又發展了識別人類對氣候系統影響的方法。他發現，這些模型連同觀測和理論上的考慮，包含了有關噪聲和信號特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體水平的變化會留下獨特的信號，這些信號可以被分離出來。哈塞爾曼因此為進一步研究氣候變化掃清了道路，即利用大量獨立觀測結果找到了人類活動對氣候產生影響的痕跡。

帕里西：揭開無序的復雜材料隱藏的秘密

2021年諾貝爾物理學獎的另一半授予喬治·帕里西，以表彰他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和波動的相互作用”。值得一提的是，與物理學獎頒給氣象學家爆了小冷門不同，拿走了一半獎金的帕里西在獎項公布前就是外界預測的大熱門學者。

帕里西1948年出生于意大利羅馬，1970年畢業于意大利羅馬大學，現任意大利羅馬大學教授。帕里西曾獲得無數榮譽，包括1999年狄拉克獎、2002年費米獎、2005年海涅曼數學物理獎和2021年沃爾夫獎等。作為一名理論物理學家，他的工作對物理科學的各個分支產生了巨大影響，涵蓋了粒子物理學、臨界現象、無序系統以及優化理論和數學物理學等領域。

1980年左右，帕里西通過分析“自旋玻璃”對復雜系統進行研究，發現了明顯的隨機現象如何受隱秘法則的支配，奠定了復雜系統理論的基石。

復雜系統的現代研究根植于19世紀下半葉發展起來的統計力學。統計力學是從這樣一種洞察演變而來的：對于描述由大量粒子組成的系統（如氣體或液體），一種新的研究方法是必要的。該方法必須考慮粒子的隨機運動，因此基本思想是計算粒子的平均效應，而不是單獨研究每個粒子。

在我們的觀測中，當溫度很高時，玻璃是流動的液態，隨著溫度降低，玻璃變成黏稠的液體，直至成為我們眼中的“固體”玻璃。事實上，玻璃從來不會結晶成為我們所認為的“固態”，它的分子在很小的范圍內和很短的時間內能像晶體一樣做規則排列，但在較大范圍內則是無序的，屬于非晶態的一員。與其相似，在喬治·帕里西的研究中，如果將鐵原子散亂地放在金塊的表面上，對于自由的單個鐵原子來講，它就像一個陀螺一樣在金的基底上旋轉，這就是自旋。由于鐵是磁性材料，自旋會產生磁場，這就導致每個鐵原子都會受磁場影響產生自旋。值得注意的是，每個鐵原子的平衡位置各不相同，取決于它擁有的能量，即它的溫度。如果不斷降低溫度，它又會不斷改變方向，由一個平衡位置調整為另一個平衡位置，與玻璃相似，沒有一種最終的平衡狀態。在普通磁鐵中，所有“自旋”都指向同一個方向，而在“自旋玻璃”中，它們會“受挫”，有些“自旋”試圖指向同一個方向，而另一些則完全指向相反的方向。那么它們是如何找到最佳方向的？帕里西在這些看似隨機的變化中，找到了規律。他的發現是對復雜系統理論最重要的貢獻之一，使人們理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的材料和現象成為可能。這不僅局限于物理學，也包括數學、生物學、神經科學等許多其他領域。

帕里西還研究了許多其他現象，如冰河時代為什么會周期性地重復出現？是否有更一般的關于混沌和湍流系統的數學描述？成千上萬只椋鳥的喃喃聲中究竟有怎樣的規律？這些問題似乎與“自旋玻璃”相去甚遠，然而帕里西說，他的大部分研究都涉及簡單的行為如何產生復雜的集體行為，這對于“自旋玻璃”和椋鳥而言同樣適用。

三位科學家的貢獻：從無序中找到有序

我們知道，人類很難預測未來的天氣，今年獲獎的兩位科學家為何能預測未來氣候變暖？

20世紀60年代，美國氣象學家愛德華·洛倫茲提出了混沌理論及“蝴蝶效應”：“一只南美洲亞馬孫河流域熱帶雨林中的蝴蝶，偶爾扇動幾下翅膀，可以在兩周以后引起美國得克薩斯州的一場龍卷風。”其原因就是蝴蝶扇動翅膀的運動，導致其身邊的空氣系統發生變化，并產生微弱的氣流，而微弱的氣流的產生又會引起四周空氣或其他系統產生相應的變化，由此引起一個連鎖反應，最終導致其他系統的極大變化。因此，長期準確預測天氣是不可能的。

復雜系統具有隨機性和無序性，而天氣系統正是屬于這一類復雜系統。在實踐中，我們不可能做到足夠精確——說明大氣中每個點的氣溫、壓力、濕度或風況。此外，控制大氣運動的動力方程是非線性的：初始值的微小偏差可以讓天氣系統以完全不同的方式演變。

既然天氣系統是混沌無序的，那是不是說更大尺度的氣候特征就更加無序和不可預測呢？今年諾貝爾物理學獎的兩位得主真鍋淑郎、哈塞爾曼的工作給出否定的結論。他們發現，當我們從更大尺度去考慮全球氣候這樣更大系統的時候，我們不僅能夠預測全球氣候系統的宏觀行為，甚至還可以評估人類的碳排放如何對全球氣候造成影響。即使在微觀尺度混沌效應的確存在，但當我們考慮全球氣候變暖這樣更大尺度的問題時，混沌效應所產生的混亂、不確定性就可以被視為噪聲而忽略掉，從而得到確定性的結論。今年諾貝爾物理學獎兩位得主的成果，正是發現了全球氣候系統無序中的有序現象。

而今年的另一位諾貝爾物理學獎獲獎者喬治·帕里西則發現了無序的復雜材料之中隱藏的有序模式。在現實生活和科學中，混沌是無處不在的。今天的世界仍存在太多無法預測的情況，混沌這個問題也必將成為全人類關注的問題。3位諾貝爾物理學獎獲獎者在混沌科學的研究中取得了重要的成果，他們從自然界的無序中發現了有序，使我們能夠更深入地了解復雜物理系統的特性和演變。