气候学家拿奖,物理学家“玩儿鸟”!这届诺奖要“跑偏”

北京时间10月5日下午5点50分许,瑞典皇家科学院决定将2021年的诺贝尔物理学奖授予美籍日裔科学家真锅淑郎(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),以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。

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不少从事物理相关研究的科研人员们大呼“实至名归”,又深感“出乎意料”。

一方面,他们都是复杂物理系统领域奠基性的人物,“江湖”上早已声名远播;而另一方面,大奖花落气象学家,问题直指全球变暖,既有点“意外”,又表明“交叉才是未来”。

《中国科学报》记者邀请多位专家对本届诺贝尔物理学奖进行科普解读,畅聊诺奖得主的科学人生。

从无序中发现“有序”

今年的诺贝尔物理学奖一半为表彰真锅淑郎和哈塞尔曼,原因为“用于地球气候的物理建模,量化变异性和可靠预测全球变暖”;另一半颁发给帕里西,原因为“发现从原子到行星尺度的物理系统紊乱和波动的相互作用”。

复杂的系统是随机、紊乱,且难以理解的。

“所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成,很难用数学来描述。物理学家们已经进行了数个世纪的研究。这些复杂系统或受偶然支配,也可能是混沌系统,就像天气一样,初始值的小偏差会导致后期的巨大差异。而今年的获奖者都为我们加深对这类系统及其长期演化做出了贡献。”诺贝尔奖官方委员会在颁奖直播中介绍道。

中国科学院理论物理研究所副研究员金瑜亮曾师从帕里西作博士后。他告诉《中国科学报》,在统计物理中,我们要研究大量微观粒子的宏观性质。

但过去我们的研究,包括大学物理学的内容大多是处于平衡态的体系,即温度、压强等宏观的物理量跟我们的观测时间没有关系。

事实上,我们日常生活中有大量的体系是非平衡态的,比如存在温度、空气流、风等扰动因素,但非平行体系的统计物理并没有普适的理论。

“帕里西的主要贡献就是在无序的复杂材料中发现了隐藏的规律,最早给出了被认为是非平行体系中最简单的数学模型——自旋玻璃模型中的严格解,这是理解复杂系统的基础性工作。”金瑜亮说。

帕里西的工作影响深远,且应用范围很广。复旦大学物理系教授施郁准确预测了复杂系统和帕里西获奖。他告诉《中国科学报》,复杂系统已经超出传统物理学的范畴,可以用在计算机科学、机器学习等领域。

“帕里西研究粒子物理理论时,注意到自旋玻璃理论里的问题,并以他的能力和经验加以解决,这就是复制对称破缺,即这次获奖的主要依据。以前也有粒子物理学家威尔逊因为统计物理中的相变的重正化群方法而获得诺奖。因此学科交叉合作很重要。”

地球的气候是复杂系统的众多例子之一,对人类至关重要。

真锅淑郎在日本一直读到博士,后任美国普林斯顿大学客座教授,于1975年加入美国籍,然后返回日本,几年后又回到美国,成为普林斯顿大学研究员。

他的主要贡献是二氧化碳水平的增加是如何导致气温升高,他花费了无数个日夜测试模型,研究表明,当二氧化碳水平翻倍时,全球温度上升超过2°C。

该模型证实,这种升温确实是由于二氧化碳的增加造成的,因为它预测了靠近地面的温度上升,而上层大气变冷。

如果太阳辐射的变化是温度升高的原因,那么整个大气应该在同一时间被加热。

大约十年后,哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,从而回答了为什么气候模型是可靠的。

“得知今年诺贝尔物理学奖获得者中有两位气象学家,我感到非常惊喜。”中国科学院大气物理研究所副研究员魏科告诉《中国科学报》,尽管真锅淑郎很早就提出了理论模型,但全球变暖真正成为一个热门研究问题,是从上世纪80年代末开始持续到现在,理论要比实际发现领先了20多年。

这两位科学家能获诺奖,体现了国际社会对于气候变暖问题的重视,从科学上来说,整个地球气候系统是非常复杂的物理系统,如何来理解这个复杂系统也是很重要的科学问题。

诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森(Thors Hans Hansson)表示,“今年被确认的发现表明,我们对气候的了解建立在一个坚实的科学基础上,基于对观测的严格分析。今年的获奖者有助于我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演变。”

气候学家得了物理学奖

物理学家在研究生物群

“帕里西是一个很有趣的人,他的思考方式经常能突破传统视角,可以找到一些新的问题来研究。”上海交通大学自然科学研究院、物理与天文学院教授张何朋告诉《中国科学报》。

张何朋比较熟悉的是近年来帕里西从事的鸟群研究。

张何朋告诉记者,帕里西在罗马大学的办公室周围有一群欧椋鸟,这种鸟一到傍晚就会成千上万只一起飞。

后来帕里西就问了自己一个问题——这些鸟每秒能飞20-30米,它们飞的时候之间间隔大概有几米,什么样的机制让欧椋鸟在高速飞行中保持同步、不撞到其他鸟?

“鸟群是一个复杂系统,每只鸟的位置在空间上是无序的,但鸟群整体可以呈现出高度有序的集体飞行。”张何朋表示,为了理解鸟群中集体飞行的产生机制,帕里西和他的团队发展了一个三维成像系统,积累了大量鸟群的飞行数据,从而发展了一个鸟群的相互作用模型,定量地解释了鸟群中集体飞行的产生机制。

“这个简单模型对后期研究各类生物系统中的集体运动有着深远的影响。同时,帕里西这种基于实验数据和统计物理的模型构造方法也成为了物理学家开展交叉学科研究的重要手段。”

关于学科交叉,“今年诺贝尔物理学奖不仅仅包含了纯粹的物理研究领域,实际上近年来国际上各学科互相交叉、融合的趋势已经比较明显。”上海交通大学物理与天文学院教授李亮深有同感。

2013年,金瑜亮在帕里西团队做了一年博士后,在他心中,帕里西是个天才型的物理学家,思维很跳跃,能从一个问题很自然地联系到另一个问题。

“我有时候无法理解。”金瑜亮笑着说,帕里西有着很深厚的知识积累,时刻保持好奇心,就像小孩子的那种好奇。“他兴趣非常广泛,还喜欢希腊的舞蹈。”

科学研究永无止境,科学家的探索脚步永不停止。

今年,真锅淑郎90岁,哈塞尔曼89岁。

魏科说,真锅淑郎一直持续关注气候变化评估的研究,思路敏捷,很有激情和想法,对中国很友好,多次访问中国科学院大气物理研究所。

从2002年开始,他参与日本海洋科学厅下属的全球气候变化研究的地球模拟器项目,通过超级计算机模拟气候变化。

现在这些工作是对他上世纪60年代工作的深入研究。

而哈塞尔曼是德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所(MPIM)的创始主任(1975-1999),也是欧洲气候论坛(现更名为全球气候论坛)的创建者之一,通过对气候变化原因的解析,他建立起清晰的人类活动影响地球气候系统的科学基础,这些科学工作推动全球应对气候变化的工作,包括目前全球的“碳中和”行动。

他最新的研究是关于全球变暖的归因检测,即如何将人为活动过程和自然过程区分开来。

还有很长的路要走

中国科学院高能物理研究所特聘青年研究员陈缮真告诉《中国科学报》,诺奖设立之初的目标之一,就是奖励那些为人类福祉做出贡献的人。

今年的诺贝尔物理学奖有一半颁发给了与全球气候变暖相关的研究,从为人类做出贡献的角度说,该领域获奖是当之无愧的。

但在当今这个基础科学研究爆炸式发展的年代,诺奖级的成果太多,诺奖每年又只能给有限的几个人。

所以今年诺奖超出很多人的预期,也在情理之中。

一年一度的“诺奖”向来备受关注,在“诺奖热”的背后,国人们都在期待中国的下一个诺奖。

但,我们还有很长的路要走。

施郁说,国际上的复杂性科学大概有两个来源,一是应用物理,比如混沌、非线性科学和神经网络,另一个是理论物理,特别是统计物理,比如自旋玻璃、非平衡统计、自组织等等,后来发展到复杂系统。

在国内,上世纪八九十年代,复杂性问题开始被广泛关注到,我国的一些统计物理学和应用数学研究者开展了相关的研究。

金瑜亮表示,国内复杂系统研究队伍有一定体量,但在传承和积淀上有所不足。

“我们与国际水平还有一定差距,但近年来,随着第一批研究者的积累,以及其培养的学生的成长,这一学科也在不断发展。”

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