2021年物理諾獎：統(tǒng)計物理與復雜系統(tǒng)的成功，不只是理論創(chuàng)新！更是物理學應用于解決人類重大問題的典型案例｜解讀

北京時間10月4日下午5點30分，2021諾貝爾物理學獎評選結果揭曉，諾貝爾委員會宣布，意大利科學家喬治·帕里西（Giorgio Parisi ）、美國科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）獲得2021年諾貝爾物理學獎，“以表彰他們?yōu)槲覀兝斫鈴碗s物理系統(tǒng)所作出的開創(chuàng)性貢獻”。
因對混沌和表觀隨機現(xiàn)象的研究，三位諾獎得主分享了今年的諾貝爾物理學獎。其中，一半獎項授予喬治·帕里西，獲獎理由為“對從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)的無序和波動的相互作用的貢獻”。另一半獎項則聯(lián)合授予真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼，“以表彰他們在對地球氣候進行物理建模、量化全球變暖預測的變異性和可靠性方面的貢獻”。

諾貝爾物理學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示：“今年獲獎的發(fā)現(xiàn)表明，我們對氣候的知識建立在堅實的科學基礎上，是基于觀察結果的嚴格分析。今年獲獎者的工作都有助于我們更深入地了解復雜物理系統(tǒng)的性質和演化。”

對于今年物理諾獎的獲獎情況，上海交通大學物理與天文學院教授李亮告訴向DeepTech總結稱：“諾獎物理獎一般頒發(fā)給基礎研究的前沿方向（大自然和宇宙的基本規(guī)律）或者是對人類社會進步產生重大影響的方向（包括技術發(fā)明），今年顯然是屬于后者。氣候本身就是一個典型的復雜系統(tǒng)，在此方向上的研究顯然對人類社會生活有著重大影響，科學意義當然更是非常重大，所以獲獎也是實至名歸?！?/span>

華僑大學系統(tǒng)科學研究所所長鄭志剛教授告訴DeepTech，英裔美國籍物理學家馬克·紐曼（Mark Newman）沒能獲獎讓他感到有些意外，一方面他是近些年復雜網絡研究方面卓有成就的物理學家，今年他和帕里西均獲得湯姆路透引文獎，并且復雜網絡也是復雜系統(tǒng)近年來研究的熱點。他表示：“今年的諾貝爾獎關于復雜系統(tǒng)是意料之中，獲獎人稍微有點意料之外。紐曼沒有獲獎令人遺憾，但帕里西獲獎仍然（讓人）為復雜系統(tǒng)研究的工作者所高興！”

維基百科介紹稱：“作為一個跨學科的領域，復雜系統(tǒng)吸收了許多不同領域的貢獻。例如：來自物理學的自我組織研究、來自社會科學的自發(fā)秩序研究、來自數(shù)學的混沌理論研究、來自生物學的適應等等。因此，復雜系統(tǒng)經常被用來作為一個廣泛的術語，涵蓋了許多不同學科問題的研究方法，包括：統(tǒng)計物理學、信息論、非線性動力學、人類學、計算機科學、氣象學、社會學、經濟學、心理學、和生物學?！?/span>

復雜系統(tǒng)以隨機和無序為特點，且難以理解。今年的獎項表彰了描述它們和預測它們長期行為的新方法。1980年左右，在無序的復雜材料中，喬治·帕里西發(fā)現(xiàn)了隱藏模式，這一發(fā)現(xiàn)是復雜系統(tǒng)理論最重要的貢獻之一。這使人類理解和描述不同的、表面看起來完全隨機的材料和現(xiàn)象成為可能，其貢獻不僅在物理學上，也體現(xiàn)在數(shù)學、生物學、神經科學和機器學習上。

喬治·帕里西的研究方向之一正是復雜系統(tǒng)，他最著名的貢獻是與意大利理論物理學家圭多·阿塔雷利（Guido Altarelli）共同發(fā)現(xiàn)的帕頓密度的QCD演化方程，亦叫Altarelli - parisi或DGLAP方程。他的其余貢獻是自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精確解、描述生長界面的動態(tài)縮放的Kardar-Parisi-Zhang方程、以及旋轉鳥群的研究。

對于帕里西的獲獎，前文的李亮表示：“喬治·帕里西獲獎的主要方向是‘統(tǒng)計力學和復雜系統(tǒng)’，特別是無序和復雜系統(tǒng)，這屬于統(tǒng)計物理，不僅應用面比較廣，并且也和氣候模型相關?！?/span>

中國科學院理論物理研究所研究員張潘告訴DeepTech：“喬治·帕里西獲獎并不意外，這位著名的意大利理論物理學家在統(tǒng)計物理無序系統(tǒng)領域和粒子物理領域中都做出了突出的貢獻。帕里西此前已經獲得了除諾貝爾獎之外幾乎所有重要的理論物理大獎，這一次獲諾獎也是眾望所歸。他的一些例如自旋玻璃的副本破缺理論等工作都有著非常天才的想法?！?br />

中國科學院理論物理研究所博導金瑜亮在博后期間，曾在喬治·帕里西課題組從事博后研究，他告訴DeepTech：“他在統(tǒng)計物理方面做了非常重要的工作。從個人角度來講，他是一個實至名歸的天才。在各個領域都有很大影響，并已經超越物理學范疇。大家也一直認為他應該獲得諾貝爾獎，只是時間問題?！?/span>

“帕里西的工作涉及量子場論和復雜系統(tǒng)等前沿理論物理，而他在無序材料和隨機現(xiàn)象理論中的相關發(fā)現(xiàn)，對深入理解復雜系統(tǒng)的特性和演化均具有革命性貢獻?！比毡敬筅娲髮W產業(yè)科學研究所助理教授任慧告訴DeepTech。與此同時，真鍋淑郎的研究表面看起來是研究氣候變暖，但其內核也和復雜系統(tǒng)相關。

在使用計算機進行全球變暖的模擬上，真鍋淑郎絕對是一位先驅。中國科學院大氣物理研究所副研究員魏科告訴DeepTech，這也是真鍋淑郎獲獎的主要原因，他分析稱：“雖然全球變暖的現(xiàn)象，直到20世紀80年代末才得到重點關注，但是早在20世紀60年代，真鍋淑郎就已經在做全球變暖的理論模擬工作。經過三十多年的發(fā)展，大家已經從觀測上印證了全球氣候確實在發(fā)生劇烈變化，”

大家都知道全球變暖的現(xiàn)象，是因為二氧化碳的增加，定量化地討論二氧化碳的增加會引起多大的全球溫度增加，這項研究由真鍋淑郎先生于20世紀60年代最早進行的，他建立了一套數(shù)值模型，進行模擬計算。因此，真鍋淑郎的研究跟每個人都密切相關。

他的模擬給出了全球變暖的定量化工作，當全球二氧化碳加倍時，全球溫度就會增加，他給出了全球溫度增加的數(shù)值約為2.36°C，這一數(shù)值非常接近現(xiàn)在的認識，例如，2021年8月9日IPCC第六次氣候變化評估給的數(shù)值是約2.5~4°C 。二氧化碳增加造成大氣低層溫度增加，而平流層（距離大氣地面10km到50km）內大氣的溫度會降低。

概括來說，真鍋淑郎的研究屬于大氣物理，和物理學關系密切，其研究方法也和其他物理領域的方法保持一致，即根據(jù)物理規(guī)律建立一套完整的方程組，然后對這套復雜方程組進行數(shù)值化求解，最終得到天氣和氣候變化的數(shù)值模擬。

和真鍋淑郎分享獎項的克勞斯·哈塞爾曼是德國海洋學家和氣候學家，他曾開發(fā)出將天氣和氣候聯(lián)系起來的模型，解釋了為何氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。他還開發(fā)了識別自然現(xiàn)象和人類活動在氣候中留下的特定信號、印記的方法。目前。他的方法已被用來證明大氣溫度升高是由于人類排放的二氧化碳。

哈塞爾曼的另一著名貢獻是開發(fā)了研究氣候變率的“哈塞爾曼模型”，包括一個具有長記憶力的系統(tǒng)（海洋）整合了隨機強迫，從而將白噪聲信號轉換為紅噪聲信號，進而解釋了在沒有特殊假設的情況下氣候中無處不在的紅噪聲信號。

任慧認為，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的研究成果對于地球科學，更具體地說對于全球變暖的重大意義都是不容爭辯的。他們兩位建立了一個解釋全球變暖的模型，并且回答了一個重要的問題：即為什么在天氣如此之變幻莫測的復雜系統(tǒng)中，模型依然是可靠的，原因在于模型建立在嚴格的物理學方法之上。

鄭志剛認為，今年的諾獎頒給復雜系統(tǒng)這一大方向，對他來說有點意料之中，且有著充分理由。今年的物理學獎頒給三位看似完全不同學界的科學家，反映出復雜系統(tǒng)研究的高度交叉性和物理普適性，也體現(xiàn)出物理學獎的包容性。

他說，關于復雜系統(tǒng)的學者應當獲得諾貝爾獎的呼聲已經持續(xù)多年，此次獲獎的三位科學家，主要是因為他們在復雜系統(tǒng)領域做出了一些相對成熟的研究。

復雜系統(tǒng)研究的真正熱度，開始于最近20年到25年間，一般想要拿出令人信服的成果，并且讓大家都熟知和談論，則需要30到40年。從今年獲獎的三位得主都已年歲已高也能看出來，在一個較新的領域做出成熟的成果的確需要時間。

而且他感覺此次頒給復雜系統(tǒng)的研究者，可能還只是開始，未來很可能還會有更多復雜系統(tǒng)的科學家獲獎。

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