尋找隱藏在復(fù)雜系統(tǒng)中的奧秘
2023-07-29 08:48:16楊先碧
大自然探索 2023年6期
楊先碧
氣候是一個(gè)變量很多的復(fù)雜系統(tǒng)，要預(yù)測氣候變化十分困難。美籍日裔氣象學(xué)家真鍋淑郎和德國氣象學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼迎難而上，在預(yù)測長期氣候的難題方面做出了重要貢獻(xiàn)。他們因此榮獲2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。與他們同時(shí)獲獎(jiǎng)的還有意大利物理學(xué)家喬治·帕里西，他研究的是復(fù)雜系統(tǒng)中微觀無序變量和宏觀有序變量之間的相互作用，推動(dòng)了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。
解決全球變暖的預(yù)測難題
早在20世紀(jì)上半葉，人們就意識到全球平均氣溫在逐步升高，這就是全球變暖問題。后來，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這主要是人類活動(dòng)過多排放二氧化碳引發(fā)的，因?yàn)槎趸际且环N可導(dǎo)致大氣升溫的溫室氣體。
影響氣候變化的因素很多，如何證明二氧化碳是導(dǎo)致全球變暖的主要因素？真鍋淑郎和他的同事理查德·韋瑟爾德利用物理學(xué)的方法，證明了這個(gè)難題。他們建立了輻射對流平衡模型，可以模擬大氣成分變化與溫度變化之間的關(guān)系。這個(gè)模型清楚地反映出：隨著大氣中二氧化碳濃度的上升，全球平均氣溫會(huì)不斷上升。利用這個(gè)模型，真鍋淑郎預(yù)測了未來全球變暖的程度：大氣中二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將上升2.3℃。
氣候是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)
風(fēng)云莫測的天氣
真鍋淑郎還發(fā)現(xiàn)，二氧化碳在大氣中是流動(dòng)的。也就是說，二氧化碳排放量的增加不僅會(huì)讓排放者遭殃，全球都會(huì)跟著倒霉。真鍋淑郎根據(jù)自己的研究模型進(jìn)行預(yù)測：極地的變暖程度是大于其他地區(qū)的。后來對南北兩極冰川的觀測結(jié)果證實(shí)了這一預(yù)測是正確的，進(jìn)而使人們認(rèn)識到：如果不實(shí)施節(jié)能減排，人們不僅會(huì)因全球變暖而遭受更多的極端天氣，還會(huì)因海平面上升而失去沿海的生存領(lǐng)地。
真鍋淑郎曾經(jīng)在接受媒體采訪時(shí)說：“起初開始這項(xiàng)研究只是因?yàn)槲业暮闷嫘?，我真的很喜歡研究氣候變化。好奇心是我所有研究活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，所以我用模型來研究過去4億年來氣候的演變過程，這非常有趣。”真鍋淑郎和中國氣象學(xué)家交往密切，多次到中國交流講學(xué)。中國科學(xué)院大氣物理研究所葉篤正院士、陶詩言院士、曾慶存院士等人都曾經(jīng)和真鍋淑郎共事，與真鍋淑郎先生結(jié)下了深厚的友誼。真鍋淑郎和葉篤正院士還曾合作研究，于1982年在國際期刊發(fā)表了關(guān)于土壤濕度記憶力的學(xué)術(shù)論文，推動(dòng)了國際上關(guān)于青藏高原氣候影響的數(shù)值模擬研究。
人類活動(dòng)對全球變暖的影響
地球歷史上發(fā)生過多次全球變暖或變冷的大事件，甚至在人類出現(xiàn)之前就發(fā)生過多起。但是，近一百多年來的全球變暖事件真的是人類活動(dòng)導(dǎo)致的嗎？曾經(jīng)有不少人對此表示懷疑，而哈塞爾曼的研究成果則消除了人們的疑惑。
哈塞爾曼曾經(jīng)是名海洋學(xué)家，主要從事海浪研究，他建造的海浪模型被全球200多個(gè)中心使用，至今仍被廣泛應(yīng)用在海洋科學(xué)、海洋工程領(lǐng)域。1972年，哈塞爾曼以海洋學(xué)家的身份成為全球大氣研究計(jì)劃聯(lián)合組織委員會(huì)的成員，并參與了世界氣候計(jì)劃（World Climate Programme）的準(zhǔn)備工作。這促成了他從海浪研究轉(zhuǎn)向氣候研究。
影響氣候變化的因素很多，一些因素的短期影響和長期影響又不太相同。雖然短期的天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度高于長期氣候預(yù)測，但是短期的天氣變化混亂程度卻大于長期的氣候變化混亂程度。因此，要從短期的天氣變化中找到長期氣候變化的規(guī)律，相當(dāng)于從一團(tuán)亂麻中找到麻線的走向。哈塞爾曼另辟蹊徑，不是從天氣資料去研究氣候變化，而是專注于太陽輻射、火山粉塵或溫室氣體濃度的變化，因?yàn)檫@些變化會(huì)在氣象系統(tǒng)中留下獨(dú)特的信號。這些信號如同氣象的指紋，可以用科學(xué)的方法鑒別出來。哈塞爾曼利用這種識別方法，建立了一個(gè)隨機(jī)氣候模型（后來被學(xué)術(shù)界稱為哈塞爾曼模型），開創(chuàng)性地從復(fù)雜氣象系統(tǒng)中找到了規(guī)律。
哈塞爾曼對物理學(xué)的興趣源于一臺收音機(jī)。他在13歲時(shí)，花了一張電影票錢從一個(gè)朋友那里購買了一個(gè)晶體二極管，組裝了一臺最簡單的收音機(jī)。他說：“令我印象深刻的是，即使不接電，我也可以聽到收音機(jī)中播放的美妙音樂。”當(dāng)時(shí)他想更好地理解這個(gè)令人困惑的現(xiàn)象，所以去圖書館學(xué)習(xí)相關(guān)物理知識。正是年少時(shí)就培養(yǎng)了善于探究的科學(xué)精神，讓哈塞爾曼成年后在科學(xué)研究的道路上不斷進(jìn)步，成就斐然。
人類排放的二氧化碳是全球變暖的重要因素
氣候變化將給人類帶來更多的災(zāi)害
復(fù)雜系統(tǒng)中的無序與有序
真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究讓人們理解了氣候這種復(fù)雜系統(tǒng)中的運(yùn)行規(guī)律，帕里西的研究則讓人們了解到復(fù)雜系統(tǒng)的宏觀性質(zhì)。帕里西的研究對象不是廣闊的大氣層，而是小小的自旋玻璃。盡管自旋玻璃不如大氣層那么矚目，但它也是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，帕里西從中發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)隨機(jī)現(xiàn)象背后的規(guī)律，大大豐富了復(fù)雜系統(tǒng)的理論研究。
1980年，帕里西開始研究一種無序的復(fù)雜材料——自旋玻璃，試圖發(fā)現(xiàn)其中隱藏的物理規(guī)律。自旋玻璃并非我們常見的玻璃，而是在特殊條件下呈現(xiàn)出玻璃狀態(tài)的銅鐵合金。雖然玻璃態(tài)物質(zhì)歸類于固體，但是它的性質(zhì)介于固體和液體之間。自旋玻璃中的鐵原子隨機(jī)地混合進(jìn)銅原子的晶體網(wǎng)格中，鐵原子的自旋（有點(diǎn)類似行星的自轉(zhuǎn)）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場，這使得自旋玻璃成為具有磁性的材料。自旋玻璃中的鐵原子自旋方向是無序的、隨機(jī)的，但是自旋玻璃表現(xiàn)出來的磁性卻是特定的、有序的。
從微觀上來說物質(zhì)往往都具有對稱性，而對稱性破缺造就了事物極大的豐富性和復(fù)雜性，甚至某種意義上如此紛繁復(fù)雜的世界就是對稱破缺的結(jié)果。通過對自旋玻璃的研究，帕里西提出了“復(fù)本對稱破缺”的研究方法。簡單來說，科學(xué)家用計(jì)算機(jī)對具有對稱破缺的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)制，制造很多個(gè)數(shù)字化“復(fù)本”模型，這樣就能讓人們理解和描述復(fù)雜系統(tǒng)隨機(jī)性背后隱藏的規(guī)律，這是帕里西對復(fù)雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻(xiàn)之一。這個(gè)研究方法不僅適合物理學(xué)，也很適用于其他科學(xué)研究領(lǐng)域，比如材料科學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等。
帕里西的爺爺和父親都是建筑工人，他們曾經(jīng)都希望帕里西成為工程師。但是帕里西小時(shí)候閱讀了大量的科普書籍，培養(yǎng)了對基礎(chǔ)科學(xué)的興趣。在大學(xué)時(shí)，他曾為選擇從事物理學(xué)研究還是數(shù)學(xué)研究而為難，最終被當(dāng)時(shí)物理學(xué)家所獲得的輝煌成就所吸引而選擇了物理學(xué)。帕里西的研究興趣十分廣泛，他在粒子物理學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、凝聚物、超級計(jì)算機(jī)等物理學(xué)領(lǐng)域做出了突出貢獻(xiàn)，并得到了廣泛認(rèn)可；他還利用物理學(xué)的方法從事生物學(xué)研究，發(fā)表過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、免疫系統(tǒng)、動(dòng)物種群運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文。
自旋玻璃的磁性
帕里西教授在中國改革開放之初就與中國科學(xué)界展開了學(xué)術(shù)交流。1980年春，他訪問了中國科學(xué)院理論物理研究所，與吳詠時(shí)教授合作，用統(tǒng)計(jì)物理學(xué)的方法研究量子場論，深入研究了量子化和量子漲落。他們的合作論文發(fā)表在《中國科學(xué)》雜志上，引發(fā)了國際粒子物理學(xué)界的關(guān)注。
復(fù)雜系統(tǒng)研究的實(shí)際用途
現(xiàn)代科學(xué)分支越來越細(xì)，導(dǎo)致科學(xué)家對宏觀現(xiàn)象和復(fù)雜現(xiàn)象的研究十分欠缺。不少科學(xué)家認(rèn)識到這樣的問題，開始了復(fù)雜性科學(xué)的研究。復(fù)雜性科學(xué)興起于20世紀(jì)80年代，主要研究復(fù)雜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和演化，是一門新興的交叉性、綜合性學(xué)科，也是當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的前沿領(lǐng)域之一。英國物理學(xué)家霍金曾表示：“21世紀(jì)是復(fù)雜性科學(xué)的世紀(jì)?！?/p>
復(fù)雜系統(tǒng)普遍存在于自然界和人類社會(huì)，從復(fù)雜物理系統(tǒng)到生態(tài)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、社會(huì)系統(tǒng)等。三位獲獎(jiǎng)科學(xué)家的研究表明，對于各部分處于無序擾動(dòng)的復(fù)雜系統(tǒng)，用合理的統(tǒng)計(jì)方法，就可以找出整體上有序的性質(zhì)。這樣的研究并非只有理論意義，而是具有實(shí)際用途。比如，我們每天看的天氣預(yù)報(bào)，就是氣象學(xué)家對大氣運(yùn)動(dòng)這種無序現(xiàn)象建模過后所得到的預(yù)測結(jié)果。
人類的思維和意識也是一個(gè)復(fù)雜性系統(tǒng)
真鍋淑郎和哈塞爾曼的研究是復(fù)雜系統(tǒng)理論和實(shí)際用途（氣象預(yù)測）充分結(jié)合的典范。當(dāng)面臨越來越多的高溫酷暑、暴雨洪澇、超級臺風(fēng)等氣象災(zāi)害時(shí)，人們越來越多地意識到氣候變化對人類生存帶來的巨大威脅。而政府在制定相關(guān)氣候政策時(shí)，不能只是依據(jù)人們的直觀感受，只有明確氣候變化的根源，才能有的放矢地采取相應(yīng)的措施。哈塞爾曼的隨機(jī)氣候模型表明，全球平均氣溫的升高不是自然事件，而是人類活動(dòng)（主要是二氧化碳排放增多）導(dǎo)致的結(jié)果。兩人的研究都表明氣候變化與二氧化碳排放之間的關(guān)系，因此近年來，各國政府及聯(lián)合國相關(guān)組織都在大力倡導(dǎo)“碳達(dá)峰”和“碳中和”。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評獎(jiǎng)委員會(huì)主席、瑞典皇家科學(xué)院院士托爾斯·漢斯·漢森強(qiáng)調(diào)說：“這三位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)獲得了評獎(jiǎng)委員會(huì)的認(rèn)可，表明我們對氣候的認(rèn)識建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)上，而且基于對觀測的嚴(yán)謹(jǐn)分析。他們的發(fā)現(xiàn)有助于我們更深入地了解復(fù)雜物理系統(tǒng)的性質(zhì)和演化?！?真鍋淑郎也表示：“世界比以往任何時(shí)候都更清楚地了解到，氣候變化正在一步步地成為人類的重大危機(jī)。這才是我獲獎(jiǎng)背后的意義。”
我們相信，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對氣象、材料、天文等領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)識會(huì)越來越深入，人們趨利避害的本領(lǐng)也將會(huì)越來越強(qiáng)大。
獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/h3>
真鍋淑郎（Syukuro Manabe），1931年出生于日本，1958年從日本東京大學(xué)獲得理學(xué)博士學(xué)位，隨后到美國氣象局工作，現(xiàn)供職于美國普林斯頓大學(xué)。
克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann），1931年出生于德國，1957年從德國哥廷根大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任歐洲氣候論壇副主席。
喬治·帕里西（Giorgio Parisi），1948年出生于意大利羅馬，1970年從意大利羅馬大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為意大利羅馬智慧大學(xué)理論物理系教授，意大利國家核物理研究所研究員。
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