科普：他們揭示了“復雜物理系統”背后的奧秘——2021年諾貝爾物理學獎成果解讀
新華社北京10月5日電（記者彭茜）物理學世界存在著很多“復雜系統”，大到多變的天氣，小到金屬中的原子運動……它們混亂隨機，令人難以揣摩。而2021年諾貝爾物理學獎就授予了三名科學家，以表彰他們對“理解復雜物理系統做出的開創性貢獻”。
對人類至關重要的一個復雜系統正是我們的地球氣候。日裔美籍科學家真鍋淑郎和德國科學家克勞斯·哈塞爾曼的工作為人類對氣候的認知打下了堅實的科學基礎。
如今，二氧化碳等溫室氣體是導致地球大氣升溫的“罪魁禍首”這一認知已經為大眾所熟知，但正是真鍋淑郎論證了大氣中二氧化碳濃度增加如何導致地球表面溫度的升高。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，他的工作為建立氣候模型奠定了基礎。
當代氣候模型是基于物理法則，并從天氣預測模型演變而來。天氣由溫度、降水、風或云等氣象指標描述，并受海洋和陸地事件影響，氣候模型是基于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。比如，氣候模型無法明確告訴我們明年12月北京的天氣情況，卻能告訴我們那個月北京的平均氣溫和降雨量。
氣候模型不僅有助于理解氣候，也有助于理解人類造成的全球變暖。為了解二氧化碳水平增加如何導致氣溫升高，真鍋淑郎把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。為方便計算，他構建了一個一維模型，深入到大氣層中40公里，并通過改變大氣中氣體的濃度來測試模型。他發現，氧和氮對地表溫度影響可忽略不計，而二氧化碳的影響則很明顯：當二氧化碳水平翻倍，全球溫度上升超過2攝氏度。
天氣是混亂多變系統的經典例子，為何氣候模型依然可靠呢？在真鍋淑郎的研究約10年后，克勞斯·哈塞爾曼創建了一個將天氣和氣候相關聯的模型，回答了這一問題。
哈塞爾曼將混亂變化的天氣現象作為快速變化的噪音納入計算，并證明這種噪音如何影響氣候，從而為長期氣候預報奠定了堅實科學基礎。受愛因斯坦有關布朗運動的理論啟發，他創建了一個隨機氣候模型，證明了快速變化的大氣實際上會導致海洋緩慢變化。
哈塞爾曼還開發出可識別人類對氣候系統影響的方法。他發現，氣候模型以及觀測和理論考量，均包含了有關噪音和信號特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山有關顆粒或溫室氣體水平的變化會留下獨特的信號和印記，可被分離出來。這種印記識別方法也可應用于研究人類對氣候系統的影響，為進一步研究氣候變化掃清障礙。
與真鍋淑郎和哈塞爾曼相比，意大利科學家喬治·帕里西的研究更聚焦于微觀尺度。1980年左右，他發現了明顯的隨機現象如何受隱秘法則的支配，奠定了復雜系統理論的基石。
帕里西的研究與一個有趣的概念密切相關——“自旋玻璃”。這可不是一種玻璃，而是指磁性合金材料的一種亞穩定狀態。“自旋玻璃”是一種超復雜和混亂的系統，如果我們觀察一種“自旋玻璃”合金材料中的原子運動，就會發現當中的鐵原子和銅原子隨機混合。材料中占比很少的鐵原子以一種令人迷惑的方式改變了整個材料的磁性，每個鐵原子都相當于一個小磁鐵，即一個“自旋”，同時受到身邊其他鐵原子影響。在普通磁鐵中，所有“自旋”都指向同一個方向，而在“自旋玻璃”中，它們會“受挫”，有些“自旋”試圖指向同一個方向，而另一些則完全指向相反的方向。
“研究‘自旋玻璃’就好像觀看莎士比亞所寫的人類悲劇，”帕里西說，“如果你想和兩個人同時交朋友，但他們彼此厭惡，這就令人受挫。”
“自旋玻璃”為研究復雜系統提供了物理模型。1979年，帕里西取得突破性進展，成功利用一種名為“副本戲法”的數學工具描繪 “自旋玻璃”問題。這一方法后來也被用于很多復雜系統研究。
帕里西的開創性發現使理解和描述許多不同的、顯然完全隨機的復雜材料和現象成為可能，不僅對物理學影響深遠，也給數學、生物學、神經科學和機器學習等領域的研究帶來啟示。
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