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      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)獎成果解讀
      
            2021-10-06 16:12:09  來源：新華社  作者：記者 彭茜  閱讀：
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        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……它們混亂隨機(jī)，令人難以揣摩。而2021年諾貝爾物理學(xué)獎就授予了三名科學(xué)家，以表彰他們對“理解復(fù)雜物理系統(tǒng)做出的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”。
        　　對人類至關(guān)重要的一個復(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氣候的認(rèn)知打下了堅實(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算的統(tǒng)計屬性，如平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、最高和最低測量值等。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。為方便計算，他構(gòu)建了一個一維模型，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試模型。他發(fā)現(xiàn)，氧和氮對地表溫度影響可忽略不計，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算，并證明這種噪音如何影響氣候，從而為長期氣候預(yù)報奠定了堅實(shí)科學(xué)基礎(chǔ)。受愛因斯坦有關(guān)布朗運(yùn)動的理論啟發(fā)，他創(chuàng)建了一個隨機(jī)氣候模型，證明了快速變化的大氣實(shí)際上會導(dǎo)致海洋緩慢變化。
        　　哈塞爾曼還開發(fā)出可識別人類對氣候系統(tǒng)影響的方法。他發(fā)現(xiàn)，氣候模型以及觀測和理論考量，均包含了有關(guān)噪音和信號特性的充分信息。例如，太陽輻射、火山有關(guān)顆?；驕厥覛怏w水平的變化會留下獨(dú)特的信號和印記，可被分離出來。這種印記識別方法也可應(yīng)用于研究人類對氣候系統(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，就會發(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材料的磁性，每個鐵原子都相當(dāng)于一個小磁鐵，即一個“自旋”，同時受到身邊其他鐵原子影響。在普通磁鐵中，所有“自旋”都指向同一個方向，而在“自旋玻璃”中，它們會“受挫”，有些“自旋”試圖指向同一個方向，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，“如果你想和兩個人同時交朋友，但他們彼此厭惡，這就令人受挫。”
        　　“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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