2021年物理諾獎(jiǎng)：統(tǒng)計(jì)物理與復(fù)雜系統(tǒng)的成功，不只是理論創(chuàng)新！更是物理學(xué)應(yīng)用于解決人類(lèi)重大問(wèn)題的典型案例｜解讀

北京時(shí)間10月4日下午5點(diǎn)30分，2021諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)選結(jié)果揭曉，諾貝爾委員會(huì)宣布，意大利科學(xué)家喬治·帕里西（Giorgio Parisi ）、美國(guó)科學(xué)家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國(guó)科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）獲得2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，“以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴?fù)雜物理系統(tǒng)所作出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。
因?qū)煦绾捅碛^隨機(jī)現(xiàn)象的研究，三位諾獎(jiǎng)得主分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其中，一半獎(jiǎng)項(xiàng)授予喬治·帕里西，獲獎(jiǎng)理由為“對(duì)從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)的無(wú)序和波動(dòng)的相互作用的貢獻(xiàn)”。另一半獎(jiǎng)項(xiàng)則聯(lián)合授予真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼，“以表彰他們?cè)趯?duì)地球氣候進(jìn)行物理建模、量化全球變暖預(yù)測(cè)的變異性和可靠性方面的貢獻(xiàn)”。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示：“今年獲獎(jiǎng)的發(fā)現(xiàn)表明，我們對(duì)氣候的知識(shí)建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)上，是基于觀察結(jié)果的嚴(yán)格分析。今年獲獎(jiǎng)?wù)叩墓ぷ鞫加兄谖覀兏钊氲亓私鈴?fù)雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化?！?br />
對(duì)于今年物理諾獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)情況，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院教授李亮告訴向DeepTech總結(jié)稱(chēng)：“諾獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)一般頒發(fā)給基礎(chǔ)研究的前沿方向（大自然和宇宙的基本規(guī)律）或者是對(duì)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生重大影響的方向（包括技術(shù)發(fā)明），今年顯然是屬于后者。氣候本身就是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng)，在此方向上的研究顯然對(duì)人類(lèi)社會(huì)生活有著重大影響，科學(xué)意義當(dāng)然更是非常重大，所以獲獎(jiǎng)也是實(shí)至名歸?！?/span>

華僑大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)研究所所長(zhǎng)鄭志剛教授告訴DeepTech，英裔美國(guó)籍物理學(xué)家馬克·紐曼（Mark Newman）沒(méi)能獲獎(jiǎng)讓他感到有些意外，一方面他是近些年復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)研究方面卓有成就的物理學(xué)家，今年他和帕里西均獲得湯姆路透引文獎(jiǎng)，并且復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)也是復(fù)雜系統(tǒng)近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。他表示：“今年的諾貝爾獎(jiǎng)關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)是意料之中，獲獎(jiǎng)人稍微有點(diǎn)意料之外。紐曼沒(méi)有獲獎(jiǎng)令人遺憾，但帕里西獲獎(jiǎng)仍然（讓人）為復(fù)雜系統(tǒng)研究的工作者所高興！”

維基百科介紹稱(chēng)：“作為一個(gè)跨學(xué)科的領(lǐng)域，復(fù)雜系統(tǒng)吸收了許多不同領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。例如：來(lái)自物理學(xué)的自我組織研究、來(lái)自社會(huì)科學(xué)的自發(fā)秩序研究、來(lái)自數(shù)學(xué)的混沌理論研究、來(lái)自生物學(xué)的適應(yīng)等等。因此，復(fù)雜系統(tǒng)經(jīng)常被用來(lái)作為一個(gè)廣泛的術(shù)語(yǔ)，涵蓋了許多不同學(xué)科問(wèn)題的研究方法，包括：統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、信息論、非線性動(dòng)力學(xué)、人類(lèi)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、氣象學(xué)、社會(huì)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、心理學(xué)、和生物學(xué)?！?/span>

復(fù)雜系統(tǒng)以隨機(jī)和無(wú)序?yàn)樘攸c(diǎn)，且難以理解。今年的獎(jiǎng)項(xiàng)表彰了描述它們和預(yù)測(cè)它們長(zhǎng)期行為的新方法。1980年左右，在無(wú)序的復(fù)雜材料中，喬治·帕里西發(fā)現(xiàn)了隱藏模式，這一發(fā)現(xiàn)是復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。這使人類(lèi)理解和描述不同的、表面看起來(lái)完全隨機(jī)的材料和現(xiàn)象成為可能，其貢獻(xiàn)不僅在物理學(xué)上，也體現(xiàn)在數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)上。

喬治·帕里西的研究方向之一正是復(fù)雜系統(tǒng)，他最著名的貢獻(xiàn)是與意大利理論物理學(xué)家圭多·阿塔雷利（Guido Altarelli）共同發(fā)現(xiàn)的帕頓密度的QCD演化方程，亦叫Altarelli - parisi或DGLAP方程。他的其余貢獻(xiàn)是自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精確解、描述生長(zhǎng)界面的動(dòng)態(tài)縮放的Kardar-Parisi-Zhang方程、以及旋轉(zhuǎn)鳥(niǎo)群的研究。

對(duì)于帕里西的獲獎(jiǎng)，前文的李亮表示：“喬治·帕里西獲獎(jiǎng)的主要方向是‘統(tǒng)計(jì)力學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)’，特別是無(wú)序和復(fù)雜系統(tǒng)，這屬于統(tǒng)計(jì)物理，不僅應(yīng)用面比較廣，并且也和氣候模型相關(guān)?！?/span>

中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所研究員張潘告訴DeepTech：“喬治·帕里西獲獎(jiǎng)并不意外，這位著名的意大利理論物理學(xué)家在統(tǒng)計(jì)物理無(wú)序系統(tǒng)領(lǐng)域和粒子物理領(lǐng)域中都做出了突出的貢獻(xiàn)。帕里西此前已經(jīng)獲得了除諾貝爾獎(jiǎng)之外幾乎所有重要的理論物理大獎(jiǎng)，這一次獲諾獎(jiǎng)也是眾望所歸。他的一些例如自旋玻璃的副本破缺理論等工作都有著非常天才的想法?！?br />

中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所博導(dǎo)金瑜亮在博后期間，曾在喬治·帕里西課題組從事博后研究，他告訴DeepTech：“他在統(tǒng)計(jì)物理方面做了非常重要的工作。從個(gè)人角度來(lái)講，他是一個(gè)實(shí)至名歸的天才。在各個(gè)領(lǐng)域都有很大影響，并已經(jīng)超越物理學(xué)范疇。大家也一直認(rèn)為他應(yīng)該獲得諾貝爾獎(jiǎng)，只是時(shí)間問(wèn)題?！?/span>

“帕里西的工作涉及量子場(chǎng)論和復(fù)雜系統(tǒng)等前沿理論物理，而他在無(wú)序材料和隨機(jī)現(xiàn)象理論中的相關(guān)發(fā)現(xiàn)，對(duì)深入理解復(fù)雜系統(tǒng)的特性和演化均具有革命性貢獻(xiàn)?！比毡敬筅娲髮W(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所助理教授任慧告訴DeepTech。與此同時(shí)，真鍋淑郎的研究表面看起來(lái)是研究氣候變暖，但其內(nèi)核也和復(fù)雜系統(tǒng)相關(guān)。

在使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全球變暖的模擬上，真鍋淑郎絕對(duì)是一位先驅(qū)。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所副研究員魏科告訴DeepTech，這也是真鍋淑郎獲獎(jiǎng)的主要原因，他分析稱(chēng)：“雖然全球變暖的現(xiàn)象，直到20世紀(jì)80年代末才得到重點(diǎn)關(guān)注，但是早在20世紀(jì)60年代，真鍋淑郎就已經(jīng)在做全球變暖的理論模擬工作。經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展，大家已經(jīng)從觀測(cè)上印證了全球氣候確實(shí)在發(fā)生劇烈變化，”

大家都知道全球變暖的現(xiàn)象，是因?yàn)槎趸嫉脑黾?，定量化地討論二氧化碳的增加?huì)引起多大的全球溫度增加，這項(xiàng)研究由真鍋淑郎先生于20世紀(jì)60年代最早進(jìn)行的，他建立了一套數(shù)值模型，進(jìn)行模擬計(jì)算。因此，真鍋淑郎的研究跟每個(gè)人都密切相關(guān)。

他的模擬給出了全球變暖的定量化工作，當(dāng)全球二氧化碳加倍時(shí)，全球溫度就會(huì)增加，他給出了全球溫度增加的數(shù)值約為2.36°C，這一數(shù)值非常接近現(xiàn)在的認(rèn)識(shí)，例如，2021年8月9日IPCC第六次氣候變化評(píng)估給的數(shù)值是約2.5~4°C 。二氧化碳增加造成大氣低層溫度增加，而平流層（距離大氣地面10km到50km）內(nèi)大氣的溫度會(huì)降低。

概括來(lái)說(shuō)，真鍋淑郎的研究屬于大氣物理，和物理學(xué)關(guān)系密切，其研究方法也和其他物理領(lǐng)域的方法保持一致，即根據(jù)物理規(guī)律建立一套完整的方程組，然后對(duì)這套復(fù)雜方程組進(jìn)行數(shù)值化求解，最終得到天氣和氣候變化的數(shù)值模擬。

和真鍋淑郎分享獎(jiǎng)項(xiàng)的克勞斯·哈塞爾曼是德國(guó)海洋學(xué)家和氣候?qū)W家，他曾開(kāi)發(fā)出將天氣和氣候聯(lián)系起來(lái)的模型，解釋了為何氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問(wèn)題。他還開(kāi)發(fā)了識(shí)別自然現(xiàn)象和人類(lèi)活動(dòng)在氣候中留下的特定信號(hào)、印記的方法。目前。他的方法已被用來(lái)證明大氣溫度升高是由于人類(lèi)排放的二氧化碳。

哈塞爾曼的另一著名貢獻(xiàn)是開(kāi)發(fā)了研究氣候變率的“哈塞爾曼模型”，包括一個(gè)具有長(zhǎng)記憶力的系統(tǒng)（海洋）整合了隨機(jī)強(qiáng)迫，從而將白噪聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為紅噪聲信號(hào)，進(jìn)而解釋了在沒(méi)有特殊假設(shè)的情況下氣候中無(wú)處不在的紅噪聲信號(hào)。

任慧認(rèn)為，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的研究成果對(duì)于地球科學(xué)，更具體地說(shuō)對(duì)于全球變暖的重大意義都是不容爭(zhēng)辯的。他們兩位建立了一個(gè)解釋全球變暖的模型，并且回答了一個(gè)重要的問(wèn)題：即為什么在天氣如此之變幻莫測(cè)的復(fù)雜系統(tǒng)中，模型依然是可靠的，原因在于模型建立在嚴(yán)格的物理學(xué)方法之上。

鄭志剛認(rèn)為，今年的諾獎(jiǎng)?lì)C給復(fù)雜系統(tǒng)這一大方向，對(duì)他來(lái)說(shuō)有點(diǎn)意料之中，且有著充分理由。今年的物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給三位看似完全不同學(xué)界的科學(xué)家，反映出復(fù)雜系統(tǒng)研究的高度交叉性和物理普適性，也體現(xiàn)出物理學(xué)獎(jiǎng)的包容性。

他說(shuō)，關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)者應(yīng)當(dāng)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的呼聲已經(jīng)持續(xù)多年，此次獲獎(jiǎng)的三位科學(xué)家，主要是因?yàn)樗麄冊(cè)趶?fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域做出了一些相對(duì)成熟的研究。

復(fù)雜系統(tǒng)研究的真正熱度，開(kāi)始于最近20年到25年間，一般想要拿出令人信服的成果，并且讓大家都熟知和談?wù)?，則需要30到40年。從今年獲獎(jiǎng)的三位得主都已年歲已高也能看出來(lái)，在一個(gè)較新的領(lǐng)域做出成熟的成果的確需要時(shí)間。

而且他感覺(jué)此次頒給復(fù)雜系統(tǒng)的研究者，可能還只是開(kāi)始，未來(lái)很可能還會(huì)有更多復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)家獲獎(jiǎng)。

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