尋找復雜系統隱藏的規律

楊先碧

氣候是一個變量很多的復雜系統，要預測氣候變化十分困難。美國氣象學家真鍋淑郎和德國氣象學家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，解決了長期氣候預測的部分難題，他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學獎。與他們同時獲獎的還有意大利物理學家喬治·帕里西，他研究的是復雜系統中微觀無序和宏觀有序之間的相互作用，對推動復雜系統的理論研究和實際應用做出了突出的貢獻。

解決全球變暖的預測難題

早在20世紀上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐年升高，這就是全球變暖問題。后來，科學家發現這主要是人類活動造成二氧化碳排放過多引發的，因為二氧化碳是一種可導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致全球變暖的主要因素呢？

真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學的方法，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，真鍋淑郎預測了未來全球變暖的趨勢：如果大氣中二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。

真鍋淑郎還發現，二氧化碳在大氣中是流動的。也就是說，二氧化碳排放的增加不僅使排放者遭殃，全球都會跟著倒霉。真鍋淑郎根據自己的研究模型還預測，極地的變暖程度是大于其他地區的。后來對南北兩極冰川的觀測結果證實了這一預測是正確的。因此，如果不實施節能減排，人們不僅會因全球變暖而遭受更多的極端天氣，還會因海平面上升而失去沿海的生存領地。

真鍋淑郎和中國氣象學家交往密切，他多次來中國交流講學。中國科學院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人都曾經和真鍋淑郎共事，與他結下深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士曾合作研究，并于1982年在國際期刊發表了關于土壤濕度記憶力的學術論文，推動了國際上關于青藏高原氣候影響的數值模擬研究。

人類活動對全球變暖的影響

地球歷史上發生過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類沒有出現之前就發生過多起。近一百多年來的全球變暖事件，真的是人類活動導致的嗎？曾經有不少人對此表示懷疑，而哈塞爾曼的研究成果幫助人們消除了疑惑。

在影響氣候變化的多種因素中，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。通常短期天氣預報的準確度高于長期氣候預測，但是短期天氣變化的混亂程度也大于長期氣候變化。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規律，相當于從一團亂麻中找到麻線的走向。

哈塞爾曼發現，太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體濃度的變化，會在氣象系統中留下獨特的信號，這些信號可以鑒別出來，而這種像識別指紋一樣的方法也可以應用于人類對氣象系統影響的研究。哈塞爾曼就利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型，創造性地從復雜氣象系統中找到了規律。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）導致的結果。

哈塞爾曼對物理學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，即使不用接上插座，我也可以通過耳機聽到美妙的音樂。”當時，他想更好地了解這個令人困惑的現象，所以去圖書館學習相關物理知識。

復雜系統中的無序與有序

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解氣候這種復雜系統中的運行規律，而帕里西的研究讓人們了解到復雜系統的宏觀性質。帕里西通過研究自旋玻璃，發現了隨機現象背后的規律，大大豐富了復雜系統的理論研究。

1980年，帕里西在無序的復雜材料中發現了隱藏的模式。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出玻璃狀態的銅鐵合金。雖然玻璃態物質歸類于固體，但是它的性質介于固體和液體之間。自旋玻璃中的鐵原子隨機地混合進銅原子的晶體網格中，鐵原子的自旋（有點類似行星的自轉）會產生一個磁場，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“復本對稱破缺”理論。簡單來說，它能讓人們理解和描述復雜系統隨機性背后隱藏的規律，這是帕里西對復雜系統理論最重要的貢獻之一。這一規律不僅在物理學界如此，在其他很多看似不相關的領域，比如材料科學、生物學、神經科學，以及機器學習領域也是如此。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，曾經希望帕里西成為工程師，但是帕里西從小喜歡讀科普書籍，這培養了他對基礎科學的興趣。在大學時，他曾為選擇從事物理學研究還是數學研究而為難，最終被當時物理學所獲得的輝煌成就所吸引而選擇了物理學。

帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學、統計力學、流體動力學、凝聚態物理學，以及超級計算機等物理學領域做出了許多決定性貢獻，并得到了廣泛認可;他還利用物理學的方法從事生物學研究，發表過關于神經網絡、免疫系統和動物種群運動的學術論文。

復雜系統研究的實際用途

三位科學家的研究表明，對于微觀上無序擾動的復雜系統，用合理的統計方法就可以找出宏觀上有序的性質。這樣的研究不但有理論意義，還具有實際用途。比如，我們每天收看的天氣預報，就是氣象學家對大氣運動這種無序現象建模之后得到的預測結果。

真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究，是復雜系統理論和實際用途（氣象預測）充分結合的典范。面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風等氣象災害，人們也逐漸意識到氣候變化對人類生存的巨大威脅。而政府在制定相關氣候政策時，不能只是依據人們的直觀感受，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系，因此近年來，各國政府及聯合國相關組織都在大力倡導“碳達峰”和“碳中和”。

諾貝爾物理學獎評選委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調說：“這三位科學家的發現獲得了評選委員會的認可，表明我們對氣候的認識建立在堅實的科學基礎上，而且基于對觀測的嚴謹分析。他們的發現有助于我們更深入地了解復雜物理系統的性質和演化。”

我們相信，隨著科學技術的不斷發展，人類對氣象、材料、天文等領域的復雜系統的認識會越來越深入，人類趨利避害的本領將會越來越強大。

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獲獎者簡介

真鍋淑郎

1931年出生于日本，1958年從日本東京大學獲得理學博士學位，隨后到美國氣象局工作，現供職于美國普林斯頓大學。

克勞斯·哈塞爾曼

1931年出生于德國，1957年從德國哥廷根大學獲得博士學位，現任歐洲氣候論壇副主席。

喬治·帕里西

1948年出生于意大利羅馬，1970年從意大利羅馬大學獲得博士學位，現為意大利羅馬智慧大學理論物理系教授，意大利國家核物理研究所研究員。