2021诺奖物理学奖花落“复杂系统”！你知道自然界有多复杂？

来源：交汇点新闻客户端

交汇点讯 10月5日，2021年诺贝尔物理学奖揭晓，美国普林斯顿大学气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国马克斯·普朗克气象研究所的克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）和意大利罗马大学的理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）同获诺贝尔物理学奖。两位气象学家摘得一半物理学奖，让不少人感觉意外，其实这三位科学家都是因为在复杂物理系统方面的开创性贡献而摘得桂冠。 鸟群协同飞行的机理是什么？数以亿计的神经元是如何产生出意识?事实上，自然界就是由各种复杂系统组成，复杂物理系统的研究在“混沌”中找出规律，将帮我们更好地认识真实的世界。

自然界由各种复杂系统组成

此次诺奖物理学奖，将一半奖项颁发给了乔治·帕里西 （Giorgio Parisi），以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互影响”。 乔治·帕里西是意大利理论物理学家，研究领域主要集中在量子场论、统计力学以及复杂系统，他在多个尺度对复杂系统作出了重要的贡献，为无序世界寻找物理规律。 在牛顿经典力学世界，人们曾经认为，只要知道任意物体（或粒子）的初始状态，用经典力学方程就能精确预测后面的状态。南京大学物理学院助理教授雷群利科普道，“就像我们大学里所求解的线性动力学方程，它的解是完全确定的。” 但后来对三体模型的研究否定了这个结论，“这是因为三体问题本质上是复杂的非线性动力学问题，方程的演化对初始扰动异常敏感。” 实际上，自然界就是由各种复杂系统组成，比如气象系统就是其中一个典型的复杂系统，“随着时间演化，预测误差会越来越大，这也是天气预报时间越长，预测越发不准的原因。”这其实就是人们所熟知的蝴蝶效应，即初始条件的微小变化就能使整个系统产生长期巨大的变化。

在无序中发现物理规律

乔治·帕里西早年的代表性工作是在粒子物理和场论方面，提出了著名的“部分子”密度的量子色动力学演化方程。 后来，乔治·帕里西对自旋玻璃等复杂系统进行了开创性研究。自旋玻璃是磁性合金材料的一种亚稳定的状态。它具有和其他无序体系的一个共同特征，即“阻挫”。“可以简单认为体系不存在满足所有粒子能量最低的最优构型，如完美晶体，而是存在大量等价的次优构型。这种由阻挫导致的无序使体系很难通过简化模型去研究。”雷群利说。但是乔治·帕里西找到了一种巧妙的方法来研究这种无序体系，并得到了自旋玻璃模型的精确解，这种方法最后被发现也可以用来研究其它的无序和复杂系统。 统计力学是研究复杂系统的一种重要方法。 “它不追求对单个粒子精确的轨迹描述，而是试图描述大量无规运动粒子的统计行为。” 雷群利说。利用统计力学，乔治·帕里西还曾经研究过一类有趣的复杂系统，目前一般泛指为活性物质，比如鸟群，鱼群和细胞组织，其中鸟群最具代表性。如果我们观察天空的鸟群，会发现鸟群中相近邻的鸟之间总能保持一定的距离，同时在觅食或规避天敌时，不同位置的鸟之间会进行优美的协同运动。乔治·帕里西对像鸟群这样的低智能群体中如何产生复杂的自组织行为这一问题进行了深入的研究，并取得了众多重要成果。 目前物理学主流思想认为，不同尺度受到不同物理规律的支配，即多者异也。从粒子物理、原子分子到细胞生物层面，都存在着不同规律。雷群利认为，从复杂无序的体系中找出普适的物理规律将有深远的意义。如果凝聚态物理和量子物理等领域会从“硬件”角度推动社会发展，那么对复杂系统的研究，将从“软件”角度促进人类社会的进步。雷群利说，自然和社会存在很多复杂系统，比如机器学习中的人工神经网络，“神经网络就是一个非线性的复杂系统，它不仅可以完成复杂的功能，还可以产生智能。如果我们能够掌握更多关于复杂系统的知识，我们也许可以设计出一些基于复杂网络的非线性分布式系统，从而实现类似生物体系的鲁棒和自适应功能。”

两位气候学家，对全球变暖研究“领先一步”

今年物理学奖为啥会破天荒第一次颁给气候研究专家？南京信息工程大学气候与应用前沿研究院院长罗京佳教授告诉记者，物理学是一门基础学科，而气候研究则是物理学科的应用方向。此次获奖，与全球对气候变化的关注不无关系。 近年来，我们对气候的关注大多源自一个词“全球变暖”，这一次获奖的两位气候学家，对于全球变暖的研究都“领先一步”。 罗京佳告诉记者，真锅淑郎是日本战后较早留美的气候学者，在上世纪六十年代就到美国海洋大气局的地球物理流体动力学实验室开展研究。“真锅淑郎和他的合作团队们提出了一个简化的辐射对流平衡模型，他们发现，随着大气中二氧化碳浓度的变化，地球表面和对流层的温度会上升，而平流层的温度下降。” 曾经，科研工作者对于气候的研究停留在'大气’或是'海洋’的单一圈层。罗京佳介绍，真锅淑郎在海洋和大气的耦合模式研究方面有原创性突破，团队利用计算机建立了气候模式进行了数值模拟，不只如此，他和合作者们还用他们的模式分析了历史上曾经出现过的一些气候变化。 另一位摘得诺贝尔物理学奖的“气候大咖” 克劳斯·哈塞尔曼的研究，则同样聚焦在大气和海洋之间的“拉锯战”。“我们都知道，大气状态变换是'急吼吼’的，每个小时都不一样。但海洋的变化就有些'慢性子’，海温的波动很慢，它们之间到底怎样互相产生'关联’，这正是克劳斯·哈塞尔曼的研究内容之一。”罗京佳介绍，克劳斯·哈塞尔曼对于气候研究的贡献，在于他提出了描述气候变化的随机气候模型，后来模型便以他的名字“哈塞尔曼”命名。此外，他还发展了识别自然现象和人类活动在气候中留下的印迹的“指纹”方法，这个方法被用来证明大气中温度的升高是由于人类排放的二氧化碳造成的。“两位气候学者的研究，为我们的气候研究形成了一个大的方向。”罗京佳归纳道。

他眼中的真锅淑郎：演讲时富有激情

2001年，罗京佳在博士毕业后，来到了日本横滨的全球变化前沿研究中心做研究，与本次诺奖得主之一真锅淑郎在同一研究所的同一楼层一起工作。那一年，真锅淑郎已经70高龄。 “我们做的都是气候变化的相关研究，基本原理是一致的，因此大家经常有很多交流。中午一起喝咖啡，吃饭。研究所里有报告时大家也会一起分享。” 诺奖得主的日常样貌，罗京佳的概括非常“白描”： 真锅淑郎头发白白的，眼镜也比较老式，是个矮小的日本老人。但在对待科研时，却充满热情。 “尤其是他在作报告时的演讲，是比较有激情的。” 20年后，“矮小的日本老人” 真锅淑郎凭借其对二氧化碳影响地表温度的研究获奖，他证明了大气中二氧化碳水平的增加如何导致地球表面温度的上升，为当前气候数值模式的发展奠定了基础。真锅淑郎的获奖让罗京佳表示“没想到”：“因为气象和海洋等相关基础研究都还没能在诺奖中获得过奖项，气候研究却抢先一步获了奖。或许，这是因为大家对于全球变暖的关注越来越高的缘故吧。” 交汇点记者 杨频萍

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