尋找隱藏在復雜系統中的奧秘

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。美籍日裔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，在預測長期氣候的難題方面做出了重要貢獻。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變量和宏觀有序變量之間的相互作用，推動了復雜系統的理論研究和實際應用。

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步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學家發現這主要是人類活動過多排放二氧化碳引發的，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？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。這個模型清楚地反映出：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程度：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℃。

氣候是個復雜系統

風云莫測的天氣

真鍋淑郎還發現，二氧化碳在大氣中是流動的。也就是說，二氧化碳排放量的增加不僅會讓排放者遭殃，全球都會跟著倒霉。真鍋淑郎根據自己的研究模型進行預測：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，進而使人們認識到：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。

真鍋淑郎曾經在接受媒體采訪時說：“起初開始這項研究只是因為我的好奇心，我真的很喜歡研究氣候變化。好奇心是我所有研究活動的驅動力，所以我用模型來研究過去4億年來氣候的演變過程，這非常有趣?！闭驽伿缋珊椭袊鴼庀髮W家交往密切，多次到中國交流講學。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，與真鍋淑郎先生結下了深厚的友誼。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，甚至在人類出現之前就發生過多起。但是，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則消除了人們的疑惑。

哈塞爾曼曾經是名海洋學家，主要從事海浪研究，他建造的海浪模型被全球200多個中心使用，至今仍被廣泛應用在海洋科學、海洋工程領域。1972年，哈塞爾曼以海洋學家的身份成為全球大氣研究計劃聯合組織委員會的成員，并參與了世界氣候計劃（World Climate Programme）的準備工作。這促成了他從海浪研究轉向氣候研究。

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。雖然短期的天氣預報準確度高于長期氣候預測，但是短期的天氣變化混亂程度卻大于長期的氣候變化混亂程度。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。哈塞爾曼另辟蹊徑，不是從天氣資料去研究氣候變化，而是專注于太陽輻射、火山粉塵或溫室氣體濃度的變化，因為這些變化會在氣象系統中留下獨特的信號。這些信號如同氣象的指紋，可以用科學的方法鑒別出來。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個隨機氣候模型（后來被學術界稱為哈塞爾曼模型），開創性地從復雜氣象系統中找到了規律。

哈塞爾曼對物理學的興趣源于一臺收音機。他在13歲時，花了一張電影票錢從一個朋友那里購買了一個晶體二極管，組裝了一臺最簡單的收音機。他說：“令我印象深刻的是，即使不接電，我也可以聽到收音機中播放的美妙音樂。”當時他想更好地理解這個令人困惑的現象，所以去圖書館學習相關物理知識。正是年少時就培養了善于探究的科學精神，讓哈塞爾曼成年后在科學研究的道路上不斷進步，成就斐然。

人類排放的二氧化碳是全球變暖的重要因素

氣候變化將給人類帶來更多的災害

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了氣候這種復雜系統中的運行規律，帕里西的研究則讓人們了解到復雜系統的宏觀性質。帕里西的研究對象不是廣闊的大氣層，而是小小的自旋玻璃。盡管自旋玻璃不如大氣層那么矚目，但它也是一個復雜系統，帕里西從中發現了復雜系統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，帕里西開始研究一種無序的復雜材料——自旋玻璃，試圖發現其中隱藏的物理規律。自旋玻璃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卻是特定的、有序的。

從微觀上來說物質往往都具有對稱性，而對稱性破缺造就了事物極大的豐富性和復雜性，甚至某種意義上如此紛繁復雜的世界就是對稱破缺的結果。通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了“復本對稱破缺”的研究方法。簡單來說，科學家用計算機對具有對稱破缺的復雜系統進行復制，制造很多個數字化“復本”模型，這樣就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。這個研究方法不僅適合物理學，也很適用于其他科學研究領域，比如材料科學、生物學、神經科學、機器學習等。

帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，他們曾經都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，培養了對基礎科學的興趣。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，最終被當時物理學家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、凝聚物、超級計算機等物理學領域做出了突出貢獻，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，發表過神經網絡、免疫系統、動物種群運動等領域的學術論文。

自旋玻璃的磁性

帕里西教授在中國改革開放之初就與中國科學界展開了學術交流。1980年春，他訪問了中國科學院理論物理研究所，與吳詠時教授合作，用統計物理學的方法研究量子場論，深入研究了量子化和量子漲落。他們的合作論文發表在《中國科學》雜志上，引發了國際粒子物理學界的關注。

復雜系統研究的實際用途

現代科學分支越來越細，導致科學家對宏觀現象和復雜現象的研究十分欠缺。不少科學家認識到這樣的問題，開始了復雜性科學的研究。復雜性科學興起于20世紀80年代，主要研究復雜系統的結構、功能和演化，是一門新興的交叉性、綜合性學科，也是當代科學發展的前沿領域之一。英國物理學家霍金曾表示：“21世紀是復雜性科學的世紀。”

復雜系統普遍存在于自然界和人類社會，從復雜物理系統到生態系統、網絡系統、社會系統等。三位獲獎科學家的研究表明，對于各部分處于無序擾動的復雜系統，用合理的統計方法，就可以找出整體上有序的性質。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報，就是氣象學家對大氣運動這種無序現象建模過后所得到的預測結果。

人類的思維和意識也是一個復雜性系統

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。當面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風等氣象災害時，人們越來越多地意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關氣候政策時，不能只是依據人們的直觀感受，只有明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應的措施。哈塞爾曼的隨機氣候模型表明，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。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”。

諾貝爾物理學獎評獎委員會主席、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?！?真鍋淑郎也表示：“世界比以往任何時候都更清楚地了解到，氣候變化正在一步步地成為人類的重大危機。這才是我獲獎背后的意義。”

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

獲獎者簡介

真鍋淑郎（Syukuro Manabe），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（Klaus Hasselmann），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（Giorgio Parisi），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。