科普：他們揭示了“復(fù)雜物理系統(tǒng)”背后的奧秘

——2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)成果解讀

2021-10-06 16:12:09  來源：新華社  作者：記者 彭茜  閱讀：

物理學(xué)世界存在著很多“復(fù)雜系統(tǒng)”，大到多變的天氣，小到金屬中的原子運(yùn)動(dòng)……它們混亂隨機(jī)，令人難以揣摩。而2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就授予了三名科學(xué)家，以表彰他們對(duì)“理解復(fù)雜物理系統(tǒng)做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。

　　對(duì)人類至關(guān)重要的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)正是我們的地球氣候。日裔美籍科學(xué)家真鍋淑郎和德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼的工作為人類對(duì)氣候的認(rèn)知打下了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。

　　如今，二氧化碳等溫室氣體是導(dǎo)致地球大氣升溫的“罪魁禍?zhǔn)住边@一認(rèn)知已經(jīng)為大眾所熟知，但正是真鍋淑郎論證了大氣中二氧化碳濃度增加如何導(dǎo)致地球表面溫度的升高。20世紀(jì)60年代，他領(lǐng)導(dǎo)了地球氣候物理模型的開發(fā)，是第一個(gè)探索輻射平衡和氣團(tuán)垂直輸送之間相互作用的人，他的工作為建立氣候模型奠定了基礎(chǔ)。

　　當(dāng)代氣候模型是基于物理法則，并從天氣預(yù)測(cè)模型演變而來。天氣由溫度、降水、風(fēng)或云等氣象指標(biāo)描述，并受海洋和陸地事件影響，氣候模型是基于天氣計(jì)算的統(tǒng)計(jì)屬性，如平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最高和最低測(cè)量值等。比如，氣候模型無法明確告訴我們明年12月北京的天氣情況，卻能告訴我們那個(gè)月北京的平均氣溫和降雨量。

　　氣候模型不僅有助于理解氣候，也有助于理解人類造成的全球變暖。為了解二氧化碳水平增加如何導(dǎo)致氣溫升高，真鍋淑郎把空氣團(tuán)因?qū)α鞫a(chǎn)生的垂直輸送以及水蒸氣的潛熱納入其中。為方便計(jì)算，他構(gòu)建了一個(gè)一維模型，深入到大氣層中40公里，并通過改變大氣中氣體的濃度來測(cè)試模型。他發(fā)現(xiàn)，氧和氮對(duì)地表溫度影響可忽略不計(jì)，而二氧化碳的影響則很明顯：當(dāng)二氧化碳水平翻倍，全球溫度上升超過2攝氏度。

　　天氣是混亂多變系統(tǒng)的經(jīng)典例子，為何氣候模型依然可靠呢？在真鍋淑郎的研究約10年后，克勞斯·哈塞爾曼創(chuàng)建了一個(gè)將天氣和氣候相關(guān)聯(lián)的模型，回答了這一問題。

　　哈塞爾曼將混亂變化的天氣現(xiàn)象作為快速變化的噪音納入計(jì)算，并證明這種噪音如何影響氣候，從而為長期氣候預(yù)報(bào)奠定了堅(jiān)實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)。受愛因斯坦有關(guān)布朗運(yùn)動(dòng)的理論啟發(fā)，他創(chuàng)建了一個(gè)隨機(jī)氣候模型，證明了快速變化的大氣實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致海洋緩慢變化。

　　哈塞爾曼還開發(fā)出可識(shí)別人類對(duì)氣候系統(tǒng)影響的方法。他發(fā)現(xiàn)，氣候模型以及觀測(cè)和理論考量，均包含了有關(guān)噪音和信號(hào)特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山有關(guān)顆?；驕厥覛怏w水平的變化會(huì)留下獨(dú)特的信號(hào)和印記，可被分離出來。這種印記識(shí)別方法也可應(yīng)用于研究人類對(duì)氣候系統(tǒng)的影響，為進(jìn)一步研究氣候變化掃清障礙。

　　與真鍋淑郎和哈塞爾曼相比，意大利科學(xué)家喬治·帕里西的研究更聚焦于微觀尺度。1980年左右，他發(fā)現(xiàn)了明顯的隨機(jī)現(xiàn)象如何受隱秘法則的支配，奠定了復(fù)雜系統(tǒng)理論的基石。

　　帕里西的研究與一個(gè)有趣的概念密切相關(guān)——“自旋玻璃”。這可不是一種玻璃，而是指磁性合金材料的一種亞穩(wěn)定狀態(tài)?！白孕ＡА笔且环N超復(fù)雜和混亂的系統(tǒng)，如果我們觀察一種“自旋玻璃”合金材料中的原子運(yùn)動(dòng)，就會(huì)發(fā)現(xiàn)當(dāng)中的鐵原子和銅原子隨機(jī)混合。材料中占比很少的鐵原子以一種令人迷惑的方式改變了整個(gè)材料的磁性，每個(gè)鐵原子都相當(dāng)于一個(gè)小磁鐵，即一個(gè)“自旋”，同時(shí)受到身邊其他鐵原子影響。在普通磁鐵中，所有“自旋”都指向同一個(gè)方向，而在“自旋玻璃”中，它們會(huì)“受挫”，有些“自旋”試圖指向同一個(gè)方向，而另一些則完全指向相反的方向。

　　“研究‘自旋玻璃’就好像觀看莎士比亞所寫的人類悲劇，”帕里西說，“如果你想和兩個(gè)人同時(shí)交朋友，但他們彼此厭惡，這就令人受挫?！?/span>

　　“自旋玻璃”為研究復(fù)雜系統(tǒng)提供了物理模型。1979年，帕里西取得突破性進(jìn)展，成功利用一種名為“副本戲法”的數(shù)學(xué)工具描繪 “自旋玻璃”問題。這一方法后來也被用于很多復(fù)雜系統(tǒng)研究。

　　帕里西的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)使理解和描述許多不同的、顯然完全隨機(jī)的復(fù)雜材料和現(xiàn)象成為可能，不僅對(duì)物理學(xué)影響深遠(yuǎn)，也給數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的研究帶來啟示。（記者 彭茜）（新華社）







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