物理学奖发布现场

每年国庆假期间陆续揭晓的诺贝尔奖，总能引起各方的密切关注。作为一名物理教师，我对其中的物理学奖也非常关心。

10月5日傍晚，瑞典皇家科学院宣布，将2021年诺贝尔物理学奖授予三位科学家——日裔美籍科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann)、意大利科学家乔治·帕里西(Giorgio Parisi)。真锅淑郎和哈塞尔曼因“建立地球气候的物理模型、量化其可变性并可靠地预测全球变暖”分享一半奖金，帕里西因“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”获得另一半奖金。

物理学世界存在着很多“复杂系统”，大到多变的天气，小到金属中的原子运动……它们混乱随机，令人难以揣摩。地球气候对人类来说就是一个至关重要的复杂系统，而复杂系统的特点是随机性和无序性，难以理解，但三位获奖者开发了描述和预测它们长期行为的新方法。虽然此前也有气候学家获得过其他诺贝尔奖项，但此次是诺贝尔物理学奖首次颁发给气候学家。这反映了国际社会对气候变化问题的高度关注。

一、真锅气候模型

如今，全球气候变暖已成为科学界的共识，但在上世纪60、70年代，当全球气候变暖已露端倪时，很多科学家并不相信这是事实，认为这是危言耸听。当时，在普林斯顿大学地球物理流体动力学实验室工作的真锅秀郎开始用理论模型研究这个问题，通过计算机模型预测全球是否真的在发生气候变化。他的研究成果被称作“真锅气候模型”，这是人类第一次通过计算机模型模拟气候变化。

当代气候模型是基于物理法则，并从天气预测模型演变而来。天气由温度、降水、风或云等气象指标描述，并受海洋和陆地事件影响，气候模型是基于天气计算的统计属性，如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等。比如，气候模型无法明确告诉我们明年12月北京的天气情况，却能告诉我们那个月北京的平均气温和降雨量。

气候模型不仅有助于理解气候，也有助于理解人类造成的全球变暖。真锅淑郎领导了地球气候物理模型的开发，他是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人，他的工作为建立气候模型奠定了基础。为了解二氧化碳水平增加如何导致气温升高，真锅淑郎把空气团因对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。为方便计算，他构建了一个一维模型，深入到大气层中40公里，并通过改变大气中气体的浓度来测试模型。他发现，氧和氮对地表温度影响可忽略不计，而二氧化碳的影响则很明显：当二氧化碳水平翻倍，全球温度上升超过2摄氏度。

二、哈塞尔曼模型

天气是混乱多变系统的经典例子，为何气候模型依然可靠呢？在真锅淑郎的研究约10年后，克劳斯•哈塞尔曼受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发，创建了一个将天气和气候相关联的模型——“哈塞尔曼模型”，回答了这一问题。在这个模型中，具有长记忆的系统集成了随机驱动力，从而将白噪声信号转换为红噪声信号，从而解释了气候中为何普遍存在红噪声信号。

白噪声是指频谱能量密度在整个频率范围内是常数的噪声，即频谱能量密度与频率无关。红噪声是指频谱能量密度与频率平方的倒数成正比的信号或过程，即一种主要在较低频率下，在某些特性上表现出最大可变性的现象。红噪声信号在气候中普遍存在。因为天气波动剧烈，对于天气和气候的预测计算常常会产生统计误差。误差太大，就会导致结果失真，所以为了准确估计气候噪声，需要研究各种条件引起的气候变化，这对气候预测具有非常重要的作用。

哈塞尔曼还开发了用来识别自然现象和人类活动对气候影响的特定信号，他称其为“指纹”。他发现，气候模型以及观测和理论考量，均包含了有关噪音和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记，可被分离出来。这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响，为进一步研究气候变化扫清障碍。他的证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。

科学家对这两类信号的深入研究，逐渐揭示了全球气候变暖的趋势及其背后的人类活动因素。为人类对气候的认知打下了坚实的科学基础。为此，真锅淑郎和克劳斯•哈塞尔曼各分享了2021年诺贝尔物理学奖1/4的奖金。

三、帕里西的“自旋玻璃”

与真锅淑郎和哈塞尔曼相比，意大利科学家乔治•帕里西的研究更聚焦于微观尺度。1980年左右，他发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配，奠定了复杂系统理论的基石。

同为固体物质，有的内部结构是有序的，包括常用的金属，如铁；有的结构则是无序的，如玻璃。有了X光等观测手段，人们可以很容易地发现有序排列的微观结构。但无序结构的玻璃，透明却又含混，尽管也十分常用，对其物理本质并无清晰而深刻的理解。在磁铁体系中，有无数小磁条，它们要么箭头朝上，要么箭头朝下，“一上一下”地单一指向，产生了铁磁相变过程。而在玻璃体系中，原子和分子都在无规则自旋状态下，朝向不一、相变不同。

帕里西试图用一个统计物理学的模型系统，来模拟真实的物理系统。他的研究与一个有趣的概念密切相关——“自旋玻璃”。这可不是一种玻璃，而是指磁性合金材料的一种亚稳定状态。“自旋玻璃”是一种超复杂和混乱的系统，如果我们观察一种“自旋玻璃”合金材料中的原子运动，就会发现当中的铁原子和铜原子随机混合。材料中占比很少的铁原子以一种令人迷惑的方式改变了整个材料的磁性，每个铁原子都相当于一个小磁铁，即一个“自旋”，同时受到身边其他铁原子影响。在普通磁铁中，所有“自旋”都指向同一个方向，而在“自旋玻璃”中，它们会“受挫”，有些“自旋”试图指向同一个方向，而另一些则完全指向相反的方向。就像原子、分子在玻璃体系中产生的行为一样。

“研究‘自旋玻璃’就好像观看莎士比亚所写的人类悲剧，”帕里西说，“如果你想和两个人同时交朋友，但他们彼此厌恶，这就令人受挫。”1979年，帕里西取得突破性进展，成功利用一种名为“副本戏法”的数学工具描绘“自旋玻璃”问题。这一方法后来也被用于很多复杂系统研究。

帕里西的开创性发现使理解和描述许多不同的、显然完全随机的复杂材料和现象成为可能，不仅对物理学影响深远，也给数学、生物学、神经科学和机器学习等领域的研究带来启示。譬如在优化理论上，人们往往需要对“约束条件下的竞争行为机制”作出更优化的解释。比如说，你想这样、他想那样，你爱吃甜豆浆、他爱吃咸豆浆，生活中众口难调的现象不胜枚举。通过约束与竞争，最终的结果不可能完全统一，通常就是折中后取得一致。这就运用到了帕里西关于无序化的自旋玻璃理论模型。

在实际应用中，至今科学家仍在尝试向着人类需要的方向改造玻璃的本性。众所周知，玻璃很硬，但也很脆。那么，玻璃如何担当工程上的结构材料？只有在掌握玻璃无序结构的微观物质基础上，人们才能让现实中的玻璃“取长补短”，甚至像金属一样提升其韧性，硬却不脆，进而发展出新一代结构材料。

帕里西在统计物理学和粒子物理学领域都做出了重要的贡献，在量子色动力学中与阿尔塔雷里合作提出的阿尔塔雷里—帕里西方程，也是具有诺贝尔奖级别的成就。他是一位涉猎甚广、创新性很强的大师级人物。