因揭示复杂系统的秘密而获奖

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日期:2021-10-06 16:43:06    来源:科技日报    

北京时间9月5日,瑞典皇家科学院宣布,美国科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)和意大利科学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)荣膺2021年诺贝尔物理学奖,“以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献”。

其中一半奖金授予真锅淑郎和哈塞尔曼,以表彰他们“为地球的气候进行物理建模,量化其可变性并可靠地预测全球变暖”;另外一半奖金授予帕里西,以表彰他“发现从原子到行星尺度的物理系统内的无序和波动的相互作用”。

因揭示复杂系统的秘密而获奖

所有复杂系统都由许多不同且相互作用的部分组成,物理学家已经对它们展开了几个世纪的研究,但很难用数学方法来描述它们——它们可能包含很多部分,也可能由偶然因素决定。这些复杂系统以随机、无序和混沌而“臭名昭著”,比如天气,初始值的微小偏差会导致结果迥然不同。

而今年获奖的这三位科学家迎难而上,创造性地提出了很多描述它们和预测它们长期行为的新方法,从而揭示了这些复杂系统背后隐藏的秘密,有助于我们更好地理解此类系统及其长期发展趋势。

诺奖官网称:“今年获奖的三位科学家深入研究了混沌现象和明显的随机现象。真锅淑郎和哈塞尔曼的相关研究为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定了坚实的基础;而帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。”

揪出全球变暖背后的“真凶”

一个对人类至关重要的复杂系统是地球气候,真锅淑郎揭示了地球大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度的升高。

在20世纪60年代,他领导了地球气候物理模型的开发,成为探索辐射平衡与对流引起的空气垂直输送以及水蒸气的潜热之间相互作用的第一人,他的开创性研究为此后气候模型的开发奠定了基础。

二氧化碳水平的增加导致低层大气温度升高,而高层大气温度降低。真锅淑郎证实气温的变化是由于二氧化碳浓度的增加,如果它是由太阳辐射引起,那么整个大气都应该变暖。

真锅淑郎在其工作的普林斯顿大学官网介绍称:“在20世纪60年代初,我们开发了一个大气辐射对流模型,并探索了水蒸气、二氧化碳和臭氧等温室气体在维持和改变大气热结构中的作用,这是科学家们对全球变暖长期研究的开始。随后的20世纪60年代末,我和同事开始开发一个大气-海洋-陆地耦合系统的大气环流模型,该模型最终成为模拟全球变暖的一个非常强大的工具,而我也一直在从事这一方面的研究。”

六十年前,计算机的运行速度比现在慢数十万倍,所以这个模型相对简单,但关键功能是正确的。真锅淑郎说:“你必须简化,你无法与自然界的复杂性抗衡——每一滴雨滴都涉及到如此多的物理因素,因此永远不可能计算出所有的一切”。

对一维模型的分析导致了催生了三维气候模型,该模型于1975年面世,成为理解气候秘密道路上的又一个里程碑。

真锅淑郎首次探索了辐射平衡与对流造成的空气垂直输送之间相互作用,并考虑了水循环贡献的热量。

哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系起来的模型,从而回答了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。他还开发出了新方法,可用来鉴别出自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”——他发现,太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号,这些信号可以鉴别出来,而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。哈塞尔曼因此为进一步研究气候变化扫清了道路,他的方法被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

克劳斯·哈塞尔曼开发了区分导致大气升温的自然和认为原因(指纹)的方法,图为1901—1950年间的平均气温变化。

在上述两位科学家研究的基础上,气候模型越来越精准。这些模型清楚地显示了温室效应在加速——自19世纪中叶以来,大气中二氧化碳的浓度增加了40%。几十万年来,地球大气中都没有这么多二氧化碳。而且,温度测量表明,过去150年全球变暖1摄氏度。

无序的复杂材料隐藏什么秘密

日历翻到1980年左右,人们对复杂系统的理解愈发深入!

1980年左右,帕里西提出了他关于随机现象如何受隐藏规则支配的发现。他的工作现在被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

他对自旋玻璃开展了深入研究。自旋玻璃是一种特殊类型的金属合金,其中铁原子随机混合进铜原子网格。尽管只有少量铁原子,但它们却以一种极端而令人费解的方式改变了整个材料的磁性。每一个铁原子的行为都像一个小磁铁(或者说自旋),它受到靠近它的其他铁原子的影响。在普通磁铁中,所有自旋都指向同一方向,但在自旋玻璃中,这些铁原子的行为受到阻碍;一些自旋对想要指向同一方向,而另一些自旋对想要指向相反方向——那么它们如何找到最佳方向呢?

在关于自旋玻璃的书的导言中,帕里西写道:“研究自旋玻璃就像观看莎士比亚戏剧中的人类悲剧。如果你想同时和两个人交朋友,但他们却彼此憎恨,这可能会让人沮丧。怎样才能把悲剧降到最低水平呢?”

自旋玻璃是一种金属合金,其中铁原子被随机混合成铜原子网格。每个铁原子的行为(旋转)就像一个小磁铁,会受到周围其他磁铁的影响。然而,在自旋玻璃中,它们会受到阻挫,难以选择指向哪个方向。帕里西利用他对自旋玻璃的研究,开发了一种无序和随机现象的理论,涵盖了许多其他复杂的系统。

自旋玻璃及其奇特的性质为复杂系统提供了一个模型。在这些系统中,各个部分必须在各种反作用力间达到平衡,它们的行为是怎样的?最终结果如何?帕里西是回答这些问题的大师。他对自旋玻璃结构的基本发现非常深刻,这些发现使人们能够理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象,不仅可用于物理学领域,而且在数学、生物学、神经科学和机器学习等领域也能“大显身手”。

诺贝尔物理学奖委员会主席、瑞典皇家科学院院士托尔斯·汉斯·汉森强调说:“这三位科学家的发现获得了诺贝尔奖的认可,表明我们对气候的认识建立在坚实的科学基础上,而且,基于对观测的严谨分析。他们的发现有助于我们更深入地了解复杂物理系统的性质和演化。”(记者 刘霞)

获奖者简介:

真锅淑郎,1931年出生于日本新宫,博士,1957毕业于日本东京大学,现在为美国普林斯顿大学资深气象学家。

克劳斯·哈塞尔曼,1931年生于德国汉堡,博士,1957毕业于德国哥廷根大学,现为德国马克斯·普朗克气象研究所教授。

乔治·帕里西,1948年生于意大利罗马,博士,1970毕业于意大利罗马大学,现为该校教授。

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