寻找复杂系统隐藏的规律

杨先碧

气候是一个变量很多的复杂系统，要预测气候变化十分困难。美国气象学家真锅淑郎和德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼迎难而上，解决了长期气候预测的部分难题，他们因此荣获2021年诺贝尔物理学奖。与他们同时获奖的还有意大利物理学家乔治·帕里西，他研究的是复杂系统中微观无序和宏观有序之间的相互作用，对推动复杂系统的理论研究和实际应用做出了突出的贡献。

解决全球变暖的预测难题

早在20世纪上半叶，人们就意识到全球平均气温在逐年升高，这就是全球变暖问题。后来，科学家发现这主要是人类活动造成二氧化碳排放过多引发的，因为二氧化碳是一种可导致大气升温的温室气体。

影响气候变化的因素很多，如何证明二氧化碳是导致全球变暖的主要因素呢？

真锅淑郎和他的同事理查德·韦瑟尔德利用物理学的方法，证明了这个难题。他们建立了辐射对流平衡模型，可以模拟大气成分变化与温度变化之间的关系。这个模型清楚地显示：随着大气中二氧化碳浓度的上升，全球平均气温会不断上升。利用这个模型，真锅淑郎预测了未来全球变暖的趋势：如果大气中二氧化碳浓度每增加一倍，全球平均气温将上升2.3℃。

真锅淑郎还发现，二氧化碳在大气中是流动的。也就是说，二氧化碳排放的增加不仅使排放者遭殃，全球都会跟着倒霉。真锅淑郎根据自己的研究模型还预测，极地的变暖程度是大于其他地区的。后来对南北两极冰川的观测结果证实了这一预测是正确的。因此，如果不实施节能减排，人们不仅会因全球变暖而遭受更多的极端天气，还会因海平面上升而失去沿海的生存领地。

真锅淑郎和中国气象学家交往密切，他多次来中国交流讲学。中国科学院大气物理研究所叶笃正院士、陶诗言院士、曾庆存院士等人都曾经和真锅淑郎共事，与他结下深厚的友谊。真锅淑郎和叶笃正院士曾合作研究，并于1982年在国际期刊发表了关于土壤湿度记忆力的学术论文，推動了国际上关于青藏高原气候影响的数值模拟研究。

人类活动对全球变暖的影响

地球历史上发生过多次全球变暖或变冷的大事件，甚至在人类没有出现之前就发生过多起。近一百多年来的全球变暖事件，真的是人类活动导致的吗？曾经有不少人对此表示怀疑，而哈塞尔曼的研究成果帮助人们消除了疑惑。

在影响气候变化的多种因素中，一些因素的短期影响和长期影响又不太相同。通常短期天气预报的准确度高于长期气候预测，但是短期天气变化的混乱程度也大于长期气候变化。因此，要从短期的天气变化中找到长期气候变化的规律，相当于从一团乱麻中找到麻线的走向。

哈塞尔曼发现，太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化，会在气象系统中留下独特的信号，这些信号可以鉴别出来，而这种像识别指纹一样的方法也可以应用于人类对气象系统影响的研究。哈塞尔曼就利用这种识别方法，建立了一个随机气候模型，创造性地从复杂气象系统中找到了规律。随机气候模型表明，全球平均气温的升高不是自然事件，而是人类活动（主要是二氧化碳排放增多）导致的结果。

哈塞尔曼对物理学的兴趣来自一台收音机。13岁时，他从一个朋友那里买了一台收音机。他说：“令我印象深刻的是，即使不用接上插座，我也可以通过耳机听到美妙的音乐。”当时，他想更好地了解这个令人困惑的现象，所以去图书馆学习相关物理知识。

复杂系统中的无序与有序

真锅淑郎和哈塞尔曼的研究让人们理解气候这种复杂系统中的运行规律，而帕里西的研究让人们了解到复杂系统的宏观性质。帕里西通过研究自旋玻璃，发现了随机现象背后的规律，大大丰富了复杂系统的理论研究。

1980年，帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。这种无序材料是自旋玻璃，它并非我们常见的玻璃，而是在特殊条件下呈现出玻璃状态的铜铁合金。虽然玻璃态物质归类于固体，但是它的性质介于固体和液体之间。自旋玻璃中的铁原子随机地混合进铜原子的晶体网格中，铁原子的自旋（有点类似行星的自转）会产生一个磁场，这使得自旋玻璃成为具有磁性的材料。自旋玻璃中的铁原子自旋方向是无序的、随机的，但是自旋玻璃表现出来的磁性是特定的、有序的。

通过对自旋玻璃的研究，帕里西提出了深奥的“复本对称破缺”理论。简单来说，它能让人们理解和描述复杂系统随机性背后隐藏的规律，这是帕里西对复杂系统理论最重要的贡献之一。这一规律不仅在物理学界如此，在其他很多看似不相关的领域，比如材料科学、生物学、神经科学，以及机器学习领域也是如此。

帕里西的爷爷和父亲都是建筑工人，曾经希望帕里西成为工程师，但是帕里西从小喜欢读科普书籍，这培养了他对基础科学的兴趣。在大学时，他曾为选择从事物理学研究还是数学研究而为难，最终被当时物理学所获得的辉煌成就所吸引而选择了物理学。

帕里西的研究兴趣十分广泛，他在粒子物理学、统计力学、流体动力学、凝聚态物理学，以及超级计算机等物理学领域做出了许多决定性贡献，并得到了广泛认可;他还利用物理学的方法从事生物学研究，发表过关于神经网络、免疫系统和动物种群运动的学术论文。

复杂系统研究的实际用途

三位科学家的研究表明，对于微观上无序扰动的复杂系统，用合理的统计方法就可以找出宏观上有序的性质。这样的研究不但有理论意义，还具有实际用途。比如，我们每天收看的天气预报，就是气象学家对大气运动这种无序现象建模之后得到的预测结果。

真锅淑郎和哈塞尔曼的研究，是复杂系统理论和实际用途（气象预测）充分结合的典范。面临越来越多的高温酷暑、暴雨洪涝、超级台风等气象灾害，人们也逐渐意识到气候变化对人类生存的巨大威胁。而政府在制定相关气候政策时，不能只是依据人们的直观感受，而是要明确气候变化的根源，才能有的放矢地采取相应的措施。两人的研究都表明气候变化与二氧化碳排放之间的关系，因此近年来，各国政府及联合国相关组织都在大力倡导“碳达峰”和“碳中和”。

诺贝尔物理学奖评选委员会主席、瑞典皇家科学院院士托尔斯·汉斯·汉森强调说：“这三位科学家的发现获得了评选委员会的认可，表明我们对气候的认识建立在坚实的科学基础上，而且基于对观测的严谨分析。他们的发现有助于我们更深入地了解复杂物理系统的性质和演化。”

我们相信，随着科学技术的不断发展，人类对气象、材料、天文等领域的复杂系统的认识会越来越深入，人类趋利避害的本领将会越来越强大。

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获奖者简介

真锅淑郎

1931年出生于日本，1958年从日本东京大学获得理学博士学位，随后到美国气象局工作，现供职于美国普林斯顿大学。

克劳斯·哈塞尔曼

1931年出生于德国，1957年从德国哥廷根大学获得博士学位，现任欧洲气候论坛副主席。

乔治·帕里西

1948年出生于意大利罗马，1970年从意大利罗马大学获得博士学位，现为意大利罗马智慧大学理论物理系教授，意大利国家核物理研究所研究员。