2021年諾貝爾物理學(xué)獎解讀尋找全球氣候變化背后隱藏的規(guī)律

□文/楊先碧

供圖/視覺中國

氣候是一個變量很多的復(fù)雜系統(tǒng)，要預(yù)測氣候變化十分困難。美籍日裔氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，解決了長期氣候預(yù)測的部分難題，他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學(xué)獎。與他們同時獲獎的還有意大利物理學(xué)家喬治·帕里西，他研究的是復(fù)雜系統(tǒng)中微觀無序和宏觀有序之間的相互作用，推動了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究和實際應(yīng)用。

解決全球變暖的預(yù)測難題

早在20世紀(jì)上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動過多排放二氧化碳引發(fā)的，因為二氧化碳是一種可導(dǎo)致大氣升溫的溫室氣體。

影響氣候變化的因素很多，如何證明二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的主要因素？真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學(xué)的方法，證明了這個難題。他們建立了輻射對流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關(guān)系。這個模型清楚地顯示，隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會不斷上升。利用這個模型，真鍋淑郎預(yù)測了未來全球變暖的程度：如果大氣中二氧化碳濃度每增加1倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動的。也就是說，不僅是排放者會自食其果，全球都會跟著倒霉。真鍋淑郎根據(jù)自己的研究模型預(yù)測極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的，后來對南北兩極冰川的觀測結(jié)果證實了這一預(yù)測。因此，如果不實施節(jié)能減排，人們不僅會因全球變暖而遭遇更多的極端天氣，還會因海平面上升而失去沿海的生存領(lǐng)地。

真鍋淑郎和中國氣象學(xué)家交往密切，多次到中國講學(xué)交流。中國科學(xué)院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人曾經(jīng)和真鍋淑郎共事，與真鍋淑郎結(jié)下深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士還曾合作研究，于1982年在國際期刊上發(fā)表了關(guān)于土壤濕度記憶力的學(xué)術(shù)論文，推動了國際上關(guān)于青藏高原氣候影響的數(shù)值模擬研究。

地球氣候模型

自旋玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

人類活動對全球變暖的影響

地球歷史上遇到過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類沒有出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。近年來的全球變暖事件真的是人類活動導(dǎo)致的嗎？曾經(jīng)有不少人對此表示懷疑。而哈塞爾曼的研究成果則幫助人們消除了疑惑。

影響氣候變化的因素很多，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。雖然短期的天氣預(yù)報準(zhǔn)確度高于長期氣候預(yù)測，但是短期的天氣變化混亂程度大于長期的氣候變化。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規(guī)律，相當(dāng)于從一團亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發(fā)現(xiàn)，太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體濃度的變化會在氣象系統(tǒng)中留下獨特的信號，這些信號可以被鑒別出來，而這種識別“指紋”的方法也可以應(yīng)用于人類對氣象系統(tǒng)的影響。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型，創(chuàng)新性地從復(fù)雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。隨機氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動（主要是二氧化碳排放增多）導(dǎo)致的結(jié)果。

哈塞爾曼對物理學(xué)的興趣來自一臺收音機。13歲時，他從一個朋友那里買了一臺收音機。他說：“令我印象深刻的是，即使沒有接上插座，我也可以通過耳機聽到美妙的音樂。”當(dāng)時他想更好地理解這個令人困惑的現(xiàn)象，所以去圖書館學(xué)習(xí)相關(guān)的物理知識。

復(fù)雜系統(tǒng)中的無序與有序

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復(fù)雜系統(tǒng)中的運行規(guī)律，而帕里西的研究則讓人們了解到復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。帕里西通過自旋玻璃，發(fā)現(xiàn)了隨機現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復(fù)雜材料中發(fā)現(xiàn)了隱藏的模式。這種無序材料是自旋玻璃，它并非我們常見的玻璃，而是在特殊條件下呈現(xiàn)出玻璃狀態(tài)的銅鐵合金。自旋玻璃中的鐵原子隨機地混合進銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉(zhuǎn)）會產(chǎn)生一個磁場，這使得自旋玻璃成為具有磁性的材料。自旋玻璃中的鐵原子自旋方向是無序的、隨機的，但是自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性是特定的、有序的。

通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了深奧的“復(fù)本對稱破缺”理論。簡單來說，它能讓人們理解和描述復(fù)雜系統(tǒng)隨機性背后隱藏的規(guī)律，這是帕里西對復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻之一。不僅在物理學(xué)界如此，在其他很多看似不相關(guān)的領(lǐng)域，比如材料科學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域也是如此。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，曾經(jīng)希望帕里西成為工程師。但是帕里西小時候閱讀了大量的科普書籍，培養(yǎng)了對基礎(chǔ)科學(xué)的興趣。在上大學(xué)時，他曾為選擇從事物理學(xué)研究還是數(shù)學(xué)研究而為難，最終他還是被當(dāng)時物理學(xué)取得的輝煌成就所吸引，選擇從事物理學(xué)研究。帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學(xué)、統(tǒng)計力學(xué)、流體動力學(xué)、凝聚物、超級計算機等物理學(xué)領(lǐng)域作出許多決定性貢獻，并得到了廣泛認可。他還利用物理學(xué)的方法從事生物學(xué)研究，發(fā)表過關(guān)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫系統(tǒng)和動物種群運動的學(xué)術(shù)論文。

天氣預(yù)報就是氣象學(xué)家對大氣運動這種無序現(xiàn)象建模后得到的預(yù)測結(jié)果

復(fù)雜系統(tǒng)研究的實際用途

3位科學(xué)家的研究表明，對于微觀上無序擾動的復(fù)雜系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計方法就可以找出宏觀上有序的性質(zhì)。這樣的研究并非只有理論意義，而是具有實際用途。比如，我們每天看的天氣預(yù)報，就是氣象學(xué)家對大氣運動這種無序現(xiàn)象建模后得到的預(yù)測結(jié)果。

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究是復(fù)雜系統(tǒng)理論和實際用途（氣象預(yù)測）充分結(jié)合的典范。當(dāng)面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風(fēng)等氣象災(zāi)害時，人們逐漸意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關(guān)氣候政策時，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，而是要明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應(yīng)的措施。兩人的研究都表明氣候變化與二氧化碳排放之間的關(guān)系，因此近年來，各國政府及聯(lián)合國相關(guān)組織都在大力倡導(dǎo)“碳達峰”和“碳中和”。

諾貝爾物理學(xué)獎評獎委員會主席、瑞典皇家科學(xué)院院士托爾斯·漢斯·漢森強調(diào)說：“這3位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)獲得了評獎委員會的認可，表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學(xué)基礎(chǔ)上，而且基于對觀測的嚴謹分析。他們的發(fā)現(xiàn)有助于我們更深入地了解復(fù)雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化。”

我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對氣象、材料、天文等領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)的認識會越來越深入，趨利避害的本領(lǐng)將會越來越強大。