直擊全球變暖：詳解獎給複雜隨機系統研究的2021物理諾獎_風聞
返朴-返朴官方账号-关注返朴（ID：fanpu2019）,阅读更多！2021-10-05 20:31
撰文 | 返樸
瑞典當地時間2021年10月5日11時45分（北京時間10月5日17時45分），諾貝爾物理學獎揭曉，獎項的一半由美國日裔氣象學家Syukuro Manabe（真鍋淑郎）和德國海洋學家、氣候建模師Klaus Hasselmann二人共享，以表彰他們“對地球氣候進行物理建模，量化可變性，並可靠地預測了全球變暖”；另一半授予意大利理論物理學家Giorgio Parisi，以表彰他“發現了從原子到行星尺度的物理系統中的無序和漲落的相互影響”。
其中，Parisi出生於1948年，是羅馬一大物理系教授（University of Roma I ‘‘La Sapienza’’）。他的研究領域主要集中在量子場論、統計力學以及複雜系統。迄今為止，Parisi載譽無數，包括1999年Dirac獎、2002年費米獎、2005年Heineman數學物理獎和2021年沃爾夫獎等等。
在諾貝爾獎新聞發佈會上，記者現場提問Parisi是否期待得到諾貝爾獎，Parisi的回答説“possibility nonnegligible”，這一回答可謂非常“統計物理”。
麻省理工學院教授、《返樸》總編輯文小剛介紹説，在物理學中，Parisi最有名的貢獻就是他和Mezard，Virasoro發展的復型方法（replica method）。一個複雜系統常常處於一個隨機（random）的環境中。比如説水從山上流下來，地形就是一個很複雜隨機的環境。半導體中的磁性雜質，其磁矩就有一個隨機的相互作用，因為雜質之間的距離是隨機的。有時候，這些磁矩因為相互作用會排列成一個有序態，有時候又會形成一個無序態（也稱為自旋玻璃態）。為了理解這些物理現象，我們必須知道如何處理隨機的相互作用。復型技巧是處理隨機的相互作用一個標準技巧。處理隨機的相互作用的另一個技巧是應用有些侷限的超對稱技巧（但這裏的超對稱和粒子物理中的超對稱，雖然名字相同，但不是一個東西）。
復型技巧可以應用於任何隨機的相互作用。可復型技巧為什麼可以得出一個正確的結果，直到今天還是一個謎。因為復型技巧是一個很奇怪的方法。它把一個隨機系統複製成N個副本，然後再對隨機相互作用做平均。可物理結果要取N趨於0的極限才能得到。第一眼看來，這幾乎是一個不可能對的技巧。可有趣的是，復型技巧當用於一些嚴格可解模型的時候，所得到的結果都是正確的。現在這一技巧被廣泛接受，並應用於各種各樣的複雜隨機系統，併成為這一領域的一塊基石。
以下是諾獎委員會的官方介紹：
所有複雜系統都由許多相互作用的不同部分組成。物理學家已經對它們進行了幾個世紀的研究，並且很難用數學來描述它們——它們可能有大量的組成部分，或者受偶然支配。它們也可能是混沌系統，就像天氣一樣，初始值的小偏差會導致後期的巨大差異。今年的獲獎者都為我們加深對這類系統及其長期演化做出了貢獻。
地球的氣候是複雜系統的眾多例子之一。真鍋淑郎和Hasselmann因他們在開發氣候模型方面的開創性工作而被授予諾貝爾獎。Parisi因其對複雜系統理論中大量問題的理論解決方案而獲獎。
真鍋淑郎演示了大氣中二氧化碳濃度的增加如何導致地球表面温度的升高。20世紀60年代，他領導了地球氣候物理模型的開發，是第一個探索輻射平衡和氣團垂直輸送之間相互作用的人。他的工作為氣候模型的發展奠定了基礎。
大約十年後，Klaus Hasselmann創建了一個將天氣和氣候聯繫在一起的模型，從而回答了為什麼氣候模型能夠可靠，儘管天氣是多變和混沌的。他還研究出了識別自然現象和人類活動在氣候中留下印記的特定信號和指紋的方法。他的方法已經被用來證明大氣温度的升高是由於人類排放的二氧化碳。
大約在1980年，Giorgio Parisi在無序的複雜材料中發現了隱藏的規律。他的發現是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。它們使理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的複雜材料和現象成為可能，不僅在物理領域，而且在其他非常不同的領域，如數學、生物學、神經科學和機器學習。
温室效應對生命至關重要
200年前，法國物理學家約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）研究了地面吸收太陽輻射和發出輻射之間的能量平衡。他明白大氣在這種平衡中所起的作用;在地球表面，入射的太陽輻射轉化為向外的輻射——“暗熱”——被大氣吸收，從而加熱。大氣的保護作用現在被稱為温室效應。這個名字來自於它與温室的玻璃的相似之處，這種玻璃允許太陽的加熱光線通過，但將熱量困在裏面。然而，大氣中的輻射過程要複雜得多。
這項任務與傅里葉的任務相同——研究射向地球的太陽短波輻射與地球發出的長波紅外輻射之間的平衡。在接下來的兩個世紀裏，許多氣候科學家補充了這些細節。當代的氣候模型是非常強大的工具，不僅有助於理解氣候，也有助於理解人類造成的全球變暖。
這些模型是基於物理定律，並從預測天氣的模型發展而來。天氣是由諸如温度、降水、風或雲等氣象量來描述的，並且受到海洋和陸地上發生的事情的影響。氣候模型是基於天氣計算的統計屬性，如平均值、標準偏差、最高和最低測量值等。他們無法告訴我們明年12月10日斯德哥爾摩的天氣情況，但我們可以瞭解到12月斯德哥爾摩的平均氣温和降雨量。
建立二氧化碳的作用
温室效應對地球上的生命至關重要。它控制温度是因為大氣中的温室氣體——二氧化碳、甲烷、水蒸氣和其他氣體——首先吸收地球的紅外輻射，然後釋放吸收的能量，加熱周圍的空氣和下面的地面。
温室氣體實際上只佔地球乾燥大氣的很小一部分，大氣成分主要是氮氣和氧氣——按體積計算，它們佔99%。二氧化碳的體積只佔0.04%。最強大的温室氣體是水蒸氣，但我們不能控制大氣中水蒸氣的濃度，而我們可以控制二氧化碳的濃度。
大氣中水蒸氣的數量高度依賴於温度，這導致了一種反饋機制。大氣中二氧化碳越多，氣温就越高，空氣中就會有更多的水蒸氣，這就增加了温室效應，使氣温進一步上升。如果二氧化碳濃度下降，一些水蒸氣就會凝結，温度就會下降。
關於二氧化碳影響的謎題的第一個重要部分來自瑞典研究人員、諾貝爾獎得主斯萬特·阿雷尼烏斯（Svante Arrhenius）。順便説一句，他的同事，氣象學家尼爾斯·埃克霍姆（Nils Ekholm）在1901年第一個使用“温室”這個詞來描述大氣的熱量儲存和再輻射。
阿雷尼烏斯在19世紀末就理解了造成温室效應的物理學原理——輻射與輻射源的絕對温度(T)的4次方(T4)成正比。輻射源越熱，射線的波長就越短。太陽表面温度為6000°C，主要發射可見光光譜。地球表面温度只有15°C，它會輻射出我們看不見的紅外輻射。如果大氣不吸收這種紅外輻射，地表温度將僅僅-18°C。
阿雷尼烏斯實際上是在試圖找出最近發現的冰河期現象的原因。他得出的結論是，如果大氣中的二氧化碳含量減半，就足以使地球進入一個新的冰河時代。反之亦然——二氧化碳量增加一倍將使温度升高5-6°C，這一結果，多少有點幸運，與目前的估計驚人地接近。
二氧化碳影響的開創性模型
上世紀50年代，日本大氣物理學家真鍋淑郎離開被戰爭摧毀的日本，作為東京年輕有為的青年學者之一，他前往美國繼續其職業生涯。真鍋淑郎研究目的，就像大約70年前阿雷尼烏斯的研究一樣，是為了瞭解二氧化碳水平的增加是如何導致氣温升高的。當阿雷尼烏斯專注於輻射平衡時，真鍋淑郎在20世紀60年代領導了物理模型的發展，將空氣團因對流而產生的垂直輸送以及水蒸氣的潛熱納入其中。
為了使這些計算易於進行，他選擇將模型縮減為一維——一個垂直的圓柱體，延伸至大氣層40公里。即便如此，還是花費了數百個寶貴的計算時間，通過改變大氣中氣體的濃度來測試模型。氧和氮對地表温度的影響可以忽略不計，而二氧化碳的影響則很明顯：當二氧化碳水平翻倍時，全球温度上升超過2°C。
該模型證實，這種升温確實是由於二氧化碳的增加造成，因為它預測了靠近地面的温度上升，而上層大氣變冷。如果太陽輻射的變化是温度升高的原因，那麼整個大氣應該在同一時間被加熱。
60年前，計算機的速度比現在慢幾十萬倍，所以這個模型相對簡單，但真鍋淑郎正確地掌握了關鍵特徵。他説，你必須總是簡化。你無法與自然界的複雜性競爭——每一滴雨都涉及到如此多的物理，因此不可能完全計算出一切。一維模型的見解導致了一個三維氣候模型，真鍋淑郎在1975年發表了這個模型，這是瞭解氣候秘密道路上的又一個里程碑。
天氣是混沌的
在真鍋淑郎的結果大約十年後，Klaus Hasselmann成功地將天氣和氣候聯繫在一起，他找到了一種方法解決了快速而混亂的天氣變化，對計算來説，這些變化非常麻煩。由於太陽輻射在地理和時間上的分佈極不均勻，我們星球的天氣有着巨大的變化。地球是圓的，所以到達高緯度地區的太陽光線比到達赤道附近低緯度地區的光線要少。不僅如此，地球的地軸是傾斜的，從而產生了傳入輻射的季節性差異。暖氣團和冷氣團之間的密度差異導致了不同緯度之間、海洋和陸地之間、較高和較低氣團之間巨大的熱量傳輸，這驅動了我們星球上的天氣。
眾所周知，對未來十天的天氣做出可靠的預測是一項挑戰。兩百年前，著名法國科學家拉普拉斯曾説，如果我們知道宇宙中所有粒子的位置和速度，就有可能計算出我們的世界已經發生了什麼和將要發生什麼。原則上，這應該是正確的，牛頓三百年來的運動定律，也能描述大氣中的空氣運輸，是完全確定性的——它們不是由偶然決定的。
然而，談到天氣，沒有什麼比這更糟糕的了。這在一定程度上是因為在實際運算中，不可能做到足夠精確——即對大氣中每一點的空氣温度、壓力、濕度或風況進行表述。方程是非線性的，初值的微小偏差可以使天氣系統以完全不同的方式演化。在巴西一隻拍打着翅膀的蝴蝶，是否能在德克薩斯州引起龍捲風———這一現象被命名為蝴蝶效應。在實踐中，這意味着不可能產生長期的天氣預報——天氣是混沌的；這一發現是由美國氣象學家愛德華·洛倫茲（Edward Lorenz）在20世紀60年代提出的，他奠定了今天的混沌理論的基礎。
讓嘈雜的數據有意義
儘管天氣是一個混沌系統的經典例子，我們如何能建立未來幾十年或數百年的可靠氣候模型？1980年左右，Klaus Hasselmann證明了如何將混亂變化的天氣現象描述為快速變化的噪音，從而為長期氣候預報奠定了堅實的科學基礎。此外，他開發了一種方法來確定人類對觀測到的全球温度的影響。
20世紀50年代，作為一名年輕的物理學博士，Hasselmann在德國漢堡從事流體力學研究，然後開始發展海浪和洋流的觀測和理論模型。之後他搬到了加州，繼續從事海洋學研究，並遇到了同行，如查爾斯·大衞·基林(Charles David Keeling)，Hasselmann夫婦與基林組建了一個狂歡合唱團。基林的傳奇之處在於，早在1958年，他就在夏威夷的莫納羅亞天文台開始了到目前時間最長大氣二氧化碳測量。Hasselmann並不知道，在他後期的工作中，他會經常使用基林曲線，它顯示了二氧化碳水平的變化。
從嘈雜的天氣數據中獲取氣候模型可以用遛狗來説明：狗不聽話，前後左右地跑，左右繞着你的腿跑。你怎麼能用狗的足跡來判斷你是在走路還是站着不動呢？或者你走得快還是慢？狗的足跡是天氣的變化，而你的散步是經過計算的氣候。是否有可能利用混亂和嘈雜的天氣數據得出氣候長期趨勢的結論?
另一個困難是，影響氣候的波動隨時間變化很大——它們可能是快速的，如風力或空氣温度，或非常緩慢的，如冰層融化和海洋升温。例如，對海洋來説，均勻增加一度可能需要一千年的時間，但對大氣來説只需幾周。決定性的技巧是將天氣的快速變化作為噪聲納入計算，並展示這些噪聲是如何影響氣候的。
Hasselmann創建了一個隨機氣候模型，這意味着模型中包含了隨機性。他的靈感來自愛因斯坦的布朗運動理論，也被稱為隨機漫步。利用這個理論，Hasselmann證明了快速變化的大氣實際上會導致海洋的緩慢變化。
識別人類影響的痕跡
一旦氣候變化模型完成，Hasselmann開發了識別人類對氣候系統影響的方法。他發現，這些模型以及觀測和理論上考慮，包含了關於噪聲和信號特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山顆粒或温室氣體水平的變化會留下獨特的信號，即指紋，這些信號可以被分離出來。這種識別指紋的方法也可以應用於人類對氣候系統的影響。Hasselman因此為進一步的氣候變化研究掃清了道路，這些研究通過大量的獨立觀測證明了人類對氣候影響的痕跡。
隨着氣候複雜相互作用的過程被更徹底地繪製出來，尤其是通過衞星測量和天氣觀測，氣候模型變得越來越精細。模型清楚地顯示了温室效應的加速：自19世紀中期以來，大氣中的二氧化碳含量增加了40%。地球的大氣已經有幾十萬年沒有容納這麼多的二氧化碳了。相應地，温度測量顯示，在過去150年裏，地球温度上升了1°C。
真鍋淑郎和Hasselmann本着阿爾弗雷德·諾貝爾的精神為人類作出了最偉大的貢獻，為我們瞭解地球氣候提供了堅實的物理基礎。我們不能再説我們不知道了——氣候模型是明確無誤的。地球正在變暖嗎？是的。是因為大氣中温室氣體數量增加的原因嗎？是的。這能僅僅用自然因素來解釋嗎？不行。人類的排放是氣温升高的原因嗎？是的。
隨機系統的標準方法
大約在1980年，Giorgio Parisi提出了他的發現，關於隨機現象是如何被隱藏的規則支配的。他的工作現在被認為是對複雜系統理論最重要的貢獻之一。
對複雜系統的現代研究植根於19世紀下半葉由麥克斯韋、玻爾茲曼和吉布斯發展起來的統計力學。吉布斯在1884年將該領域命名為統計力學。統計力學源於這樣一種認識，即需要一種新的方法來描述由大量粒子組成的系統，如氣體或液體。這種方法必須考慮到粒子的隨機運動，因此其基本思想是計算粒子的平均效應，而不是單獨研究每個粒子。例如，氣體中的温度是對氣體粒子能量平均值的測量。統計力學是一個巨大的成功，因為它為氣體和液體中的宏觀屬性，如温度和壓力，提供了一個微觀的解釋。
氣體中的粒子可以看作是小球，其運動速度隨着温度的升高而增加。當温度下降或壓力增加時，這些球首先凝結成液體，然後凝結成固體。這種固體通常是晶體，其中的球是有規則的模式組織。然而，如果這種變化發生得很快，即使液體進一步冷卻或擠壓在一起，這些球也可能形成一種不規律的模式。如果重複這個實驗，小球會呈現出一種新的模式，儘管變化是以完全相同的方式發生的。為什麼結果不同?
這些壓縮球是普通玻璃和顆粒狀材料，如沙子或礫石的簡單模型。然而，Parisi的原始工作的主題是一種不同的系統-自旋玻璃。這是一種特殊類型的金屬合金，例如，鐵原子被隨機混合到銅原子的網格中。即使只有幾個鐵原子，它們也會以一種令人費解的方式徹底改變材料的磁性。每個鐵原子都像一個小磁鐵或自旋，受其附近其他鐵原子的影響。在普通的磁體中，所有的自旋都指向同一個方向，但在自旋玻璃中，它們會受挫；一些自旋對想要指向相同的方向，而另一些則指向相反的方向——那麼它們如何找到最佳方向呢?
Parisi在他那本關於自旋玻璃的書的序言中寫道，研究自旋玻璃就像觀看莎士比亞戲劇中的人類悲劇。如果你想同時和兩個人交朋友，但是他們互相討厭對方，這可能會令人沮喪。在經典悲劇中更是如此，在舞台上，感情強烈的朋友和敵人相遇。怎樣才能把房間裏的緊張氣氛降到最低?
自旋玻璃及其奇異的性質為複雜系統提供了一個模型。20世紀70年代，許多物理學家，包括幾位諾貝爾獎得主，都在尋找一種方法來描述這種神秘而令人沮喪的自旋玻璃。他們使用的一種方法是復型技巧，一種數學技巧，在同一時間內處理系統的許多復型。然而，從物理學的角度來説，最初的計算結果是不可行的。
Parisi還研究了許多其他現象，在這些現象中，隨機過程在結構的形成和發展過程中起着決定性的作用，並解決了以下問題:為什麼我們會週期性地出現冰川期?混沌和紊流系統是否有更一般的數學描述?或者——在成千上萬只椋鳥的低語中，模式是如何產生的?這個問題似乎與自旋玻璃相去甚遠。然而，帕裏西説，他的大多數研究都是關於簡單的行為如何導致複雜的集體行為，這適用於自旋玻璃和椋鳥。
Giorgio Parisi於1948年出生於意大利，1970年獲得意大利羅馬大學學位，曾任意大利弗拉斯卡蒂國家實驗室（1971–1981）研究員，哥倫比亞大學、法國高等科學研究所、巴黎高師訪問學者。現任羅馬第一大學量子理論教授。Parisi是意大利國家科學院院士，法國科學院外籍院士和美國國家科學院外籍院士。
Parisi曾獲1986年度1992年度玻爾茲曼獎、1999年狄拉克獎、2002年度恩里科·費米獎、2005年丹尼·海涅曼數學物理獎，2009年拉格朗日獎、2011年馬克斯·普朗克獎章，2015年度高能和粒子物理獎、2016年度拉斯·昂薩格獎。
Syukuro Manabe（真鍋淑郎），1931年生於日本愛媛縣，自1953年到1958年在日本東京大學取得學士、碩士和博士學位。此後，他來到美國，先後在美國氣象局、美國國家海洋和大氣管理局從事氣象學研究工作。1997-2002年在日本全球變化前沿研究中心擔任全球變暖研究項目主任。現為普林斯頓大學高級研究員。
真鍋淑郎在 1960年代開發出可以根據物理定律在計算機上再現和預測整個地球氣候的數值模型，首次明確證明了大氣中二氧化碳濃度對氣候的影響，使國際社會的目光轉向全球變暖，促成了聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的成立。
Syukuro Manabe曾獲1992年度藍色星球獎，首位獲獎者；1995年度朝日獎、1997年度度沃爾沃環境獎、2015年本傑明富蘭克林獎章、2016年度BBVA只是前沿獎，2018年瑞典皇家科學院頒發的克拉福德獎，2009年入選京都地球名人堂。
Klaus Hasselmann，1931年出生於德國漢堡，在漢堡大學學習物理和數學，於1955年獲得Diplom學位（相當於本碩連讀），1957年從哥廷根大學和馬克斯普朗克流體動力學研究所獲得物理學博士學位。1964年到1975年在漢堡大學工作，成為地球物理研究所理論地球物理學正教授。1975 年 2 月至 1999 年 11 月，Hasselmann 擔任馬克斯普朗克氣象研究所創始主任。目前，Hasselmann是歐洲氣候論壇的副主席。
Hasselmann是德國領先的海洋學家和氣候建模師。他最出名的工作是開發了氣候變率的Hasselmann模型，解釋了氣候中無處不在的紅噪聲信號。1996年，Hasselmann獲海洋學國際終身成就獎，2002年被授予歐洲地球物理學會 Vilhelm Bjerknes 獎章，2007年獲國際統計氣候學會議頒發的IMSC成就獎，2010 年獲 BBVA 基金會知識前沿獎。