瑞典皇家科學院今天宣布，将2021年諾貝爾物理學獎授予三位科學家——日裔美籍科學家真鍋淑郎、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼、意大利科學家喬治·帕裡西。真鍋淑郎和哈塞爾曼因“建立地球氣候的物理模型、量化其可變性并可靠地預測全球變暖”分享一半獎金，帕裡西因“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”獲得另一半獎金。

複旦大學物理學系教授黃吉平表示，前兩位科學家和帕裡西分屬不同領域，但三位獲獎者有共同點——他們的研究對象都是複雜物理系統，都通過計算機和理論建模進行研究。

他與楊振甯屬于同一類型

複旦大學物理學系教授施郁對諾貝爾物理學獎頗有研究，今天上午在科學網發表文章，預測帕裡西和比約肯将分享今年諾獎。“我猜對了一半。”施郁笑道，“因為帕裡西在統計物理學和粒子物理學領域都做出了重要貢獻，在量子色動力學中與阿爾塔雷裡合作提出了阿爾塔雷裡—帕裡西方程，我就為他‘匹配’了在量子色動力學中也取得重要成果的比約肯。”沒想到，帕裡西獲獎的原因與量子色動力學無關，而是“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”，這是他的統計物理學研究成果。

由此可見，這位意大利理論物理學家是一位涉獵甚廣、創新性很強的大師級人物。“他是物理學界的思想巨人，與楊振甯屬于同一類型。”華東理工大學教授、中國科學院理論物理研究所博士廖玮告訴記者，“上世紀70年代末，他來華訪問了中科院理論物理所等單位，并與中國科學家合作發表論文，對中國十分友好。”

“自旋玻璃”模型适用範圍廣闊

帕裡西的統計物理學經典之作，是第一次得到了“自旋玻璃”模型的精确解。

同為固體物質，有的内部結構是有序的，包括常用的金屬，如鐵；有的結構則是無序的，如玻璃。有了X光等觀測手段，人們可以很容易地發現有序排列的微觀結構。但無序結構的玻璃，透明卻又含混，盡管也十分常用，對其物理本質并無清晰而深刻的理解。

上海交通大學物理與天文學院交叉科學研究所王宇傑教授舉例說，磁鐵體系中有無數小磁條，它們要麼箭頭朝上，要麼箭頭朝下，“一上一下”地單一指向，産生了鐵磁相變過程。而在玻璃體系中，原子和分子都在無規則自旋狀态下，朝向不一、相變不同。

于是，帕裡西試圖用一個統計物理學的模型系統，來模拟真實的物理系統，用數理方法成功求解，完美解釋了玻璃的相變行為。這樣一來，複雜物理系統就被簡化為“自旋玻璃”模型，帶有普适性地诠釋了無序體系的物理規律。

這一理論物理模型為何重要？王宇傑認為，帕裡西的科學貢獻早已不限于物理學理論，從生物學、社會學甚至算法理論，都具有其價值和意義。譬如在優化理論上，人們往往需要對“約束條件下的競争行為機制”作出更優化的解釋。“打個比方，你想這樣、他想那樣，你愛吃甜豆漿、他愛吃鹹豆漿，生活中衆口難調的現象不勝枚舉。通過約束與競争，最終的結果不可能完全統一，通常就是折中後取得一緻。”這就運用到了帕裡西關于無序化的自旋玻璃理論模型。

在實際應用中，至今科學家仍在嘗試向着人類需要的方向改造玻璃的本性。衆所周知，玻璃很硬，但也很脆。那麼，玻璃如何擔當工程上的結構材料？隻有在掌握玻璃無序結構的微觀物質基礎上，人們才能讓現實中的玻璃“取長補短”，甚至像金屬一樣提升其韌性，硬卻不脆，進而發展出新一代結構材料。

建模揭示全球氣候變暖真相

雖然研究領域不同，但真鍋淑郎和哈塞爾曼研究的全球氣候也是複雜物理系統。如今，全球氣候變暖已成為科學界的共識，但上世紀60、70年代，當全球氣候變暖已露端倪時，很多科學家并不相信這是事實，認為這是危言聳聽。當時，在普林斯頓大學地球物理流體動力學實驗室工作的真鍋秀郎開始用理論模型研究這個問題，通過計算機模型預測全球是否真的在發生氣候變化。他的研究成果被稱作“真鍋氣候模型”，這是人類第一次通過計算機模型模拟氣候變化。

“真鍋氣候模型”問世後約10年，哈塞爾曼創建了一個将天氣和氣候關聯的模型，它被稱為“哈塞爾曼模型”。在這個模型中，具有長記憶的系統集成了随機驅動力，從而将白噪聲信号轉換為紅噪聲信号，從而解釋了氣候中為何普遍存在紅噪聲信号。

黃吉平教授解釋說，白噪聲是指頻譜能量密度在整個頻率範圍内是常數的噪聲，即頻譜能量密度與頻率無關。紅噪聲是指頻譜能量密度與頻率平方的倒數成正比的信号或過程，即一種主要在較低頻率下，在某些特性上表現出最大可變性的現象。紅噪聲信号在氣候中普遍存在。“因為天氣波動劇烈，對于天氣和氣候的預測計算常常會産生統計誤差。誤差太大，就會導緻結果失真，所以為了準确估計氣候噪聲，需要研究各種條件引起的氣候變化，這對氣候預測具有非常重要的作用。”

哈塞爾曼還開發了用來識别自然現象和人類活動對氣候影響的特定信号，他稱其為“指紋”。科學家對這兩類信号的深入研究，逐漸揭示了全球氣候變暖的趨勢及其背後的人類活動因素。

欄目主編：黃海華 文字編輯：俞陶然 題圖來源：諾貝爾獎官網

來源：作者：俞陶然 徐瑞哲

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