左：真鍋淑郎，1931年出生于日本新宮，現在為美國普林斯頓大學資深氣象學家。

中：克勞斯·哈塞爾曼，1931年生于德國漢堡，現為德國馬克斯·普朗克氣象研究所教授。

右：喬治·帕裡西，1948年生于意大利羅馬，現為意大利羅馬大學教授。

所有複雜系統都由許多不同且相互作用的部分組成，物理學家已經對它們展開了幾個世紀的研究，但很難用數學方法來描述它們——它們可能包含很多部分，也可能由偶然因素決定。這些複雜系統随機、無序而混沌，比如天氣，初始值的微小偏差會導緻結果迥然不同。

今年的諾貝爾物理學獎頒給了美國科學家真鍋淑郎、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼和意大利科學家喬治·帕裡西，以表彰他們為我們理解複雜物理系統所作出的開創性貢獻。

其中一半獎金授予真鍋淑郎和哈塞爾曼，以表彰他們“為地球的氣候進行物理建模，量化其可變性并可靠地預測全球變暖”；另外一半獎金授予帕裡西，以表彰他“發現從原子到行星尺度的物理系統内的無序和波動的相互作用”。

這3位科學家迎難而上，創造性地提出了很多描述和預測它們長期行為的新方法，揭示了這些複雜系統背後隐藏的秘密，有助于人們更好地理解此類系統及其長期發展趨勢。

揪出全球變暖背後的“真兇”

一個對人類至關重要的複雜系統是地球氣候，真鍋淑郎揭示了地球大氣中二氧化碳含量的增加如何導緻地球表面溫度升高。

真鍋淑郎介紹：“在20世紀60年代初，我們開發了一個大氣輻射對流模型，并探索了水蒸氣、二氧化碳和臭氧等溫室氣體在維持和改變大氣熱結構中的作用，這是科學家們對全球變暖長期研究的開始。随後的20世紀60年代末，我和同事開始開發一個大氣—海洋—陸地耦合系統的大氣環流模型，該模型最終成為模拟全球變暖的一個非常強大的工具，而我也一直在從事這一方面的研究。”

對一維模型的分析催生了三維氣候模型，該模型于1975年面世，成為理解氣候秘密道路上的又一個裡程碑。

哈塞爾曼創建了一個将天氣和氣候聯系起來的模型，還開發出了新方法來鑒别自然現象和人類活動在氣候變化中留下的“蛛絲馬迹”。他發現，太陽輻射、火山顆粒或溫室氣體濃度的變化會在氣候系統中留下獨特的信号，這些信号可以鑒别出來，而這種識别“指紋”的方法也可以應用于人類對氣候系統的影響。他的方法被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

在這兩位科學家研究的基礎上，氣候模型越來越精準。這些模型清楚地顯示了溫室效應在加速——自19世紀中葉以來，大氣中二氧化碳的濃度增加了40%。幾十萬年來，地球大氣中都沒有這麼多二氧化碳。而且，溫度測量表明，過去150年全球變暖1℃。

自旋玻璃為複雜系統提供模型

到了1980年左右，人們對複雜系統的理解愈發深入。帕裡西提出了他關于随機現象如何受隐藏規則支配的發現，這被認為是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。

他對自旋玻璃開展了深入研究。自旋玻璃是一種特殊類型的金屬合金，其中鐵原子随機混合進銅原子網格。每一個鐵原子的行為都像一個小磁鐵（或者說自旋），受到靠近它的其他鐵原子的影響。在普通磁鐵中，所有自旋都指向同一方向，但在自旋玻璃中，一些自旋對想要指向同一方向，而另一些自旋對想要指向相反方向——那麼它們如何找到最佳方向呢？

自旋玻璃的奇特性質為複雜系統提供了一個模型，在這些系統中，各個部分必須在各種反作用力間達到平衡。帕裡西對自旋玻璃結構的基本發現非常深刻，使人們能夠理解和描述許多不同的、顯然完全随機的材料和現象，不僅可用于物理學領域，而且在數學、生物學、神經科學和機器學習等領域也“大顯身手”。

諾貝爾物理學獎委員會主席、瑞典皇家科學院院士托爾斯·漢斯·漢森強調說：“這3位科學家的發現獲得了諾貝爾獎的認可，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複雜物理系統的性質和演化。”（記者 劉 霞）

來源： 科技日報

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