为复杂世界寻找最简科学规律

真锅淑郎

克劳斯·哈塞尔曼

乔治·帕里西

2021年诺贝尔物理学奖昨天揭晓，美国普林斯顿大学气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）教授和德国马克斯·普朗克气象研究所的克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）教授因“物理模拟地球气候、量化变化和可靠地预测全球变暖”而共同分享一半奖金。另一半奖金由意大利罗马大学乔治·帕里西（Giorgio Parisi）教授获得，理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。物理学奖由两位气象学家摘得一半，令人有些意外，而另一半得主则被视为“意料之中”。

探寻地球变暖的原因

瑞典皇家科学院决定将2021年诺贝尔物理学奖授予3位科学家，是因为他们对“理解复杂物理系统的开创性贡献”。

地球气候是对人类至关重要的一个复杂系统，真锅淑郎和哈塞尔曼的工作为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定基础。在上世纪60年代，真锅淑郎领导地球气候物理模型的开发，展示大气中二氧化碳含量增加如何导致地球表面温度升高，为当前气候模型发展奠定基础。约十年后，哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型，回答为何气候模型在天气多变且混乱情况下仍然可靠；自然现象和人类活动都在气候中留下印记，哈塞尔曼开发的研究方法捕捉这些印记，并且被用来证明大气温度升高是由于人类排放的二氧化碳。

1980年，帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式，这使得理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能。

尽管气象学家获奖并未在许多热门猜测的候选榜单中，但在上海交通大学自然科学研究院和物理与天文学院教授张何朋看来，气象学家虽然领域不同，但三位科学家都在用相似的方法工作，即用复杂系统的视角看问题。

新范式研究无序随机

乔治·帕里西摘得诺奖并不意外。实际上他学术主页现实引用次数已超9万，此前他斩获了除诺奖之外几乎所有科学奖项中的物理学奖。“帕里西是非常有影响力的理论物理学家，他通过统计物理和复杂系统的方法开展研究”，张何朋解释，“一般晶体中的原子按照周期性结构排列，但很多复杂系统没有这种晶体中的空间序、且处在随机性很强的热力学非平衡态，这使得一些传统的物理研究方法难以在复杂系统中奏效，但帕里西发展了很多方法研究无序、随机的复杂系统。”

今年帕里西还获得沃尔夫奖，颁奖词这样评价：“他的工作对物理学不同分支有极大的影响，包括粒子物理、临界现象、无序系统、以及优化理论和数学物理。”张何朋认为，复杂系统的研究进展需要多学科的融合和交叉；随着大数据、计算能力等方面的发展，这一领域也将迎来快速推进，帮助科学家探索出更好地探究真实世界的新研究范式。

值得注意的是，帕里西的研究非常有趣，有些超出了传统物理研究的范畴，比如纸张燃烧后不规则的边界、和谐飞舞的鸟群等。“这些起源于生物学和材料学的问题至今还未有完整的解答，物理学家积极介入这些交叉研究，试图为复杂问题寻找到最简单、最普适的模型和机制，帮助人类更好地认识世界”，张何朋说，而目前，这些领域也有中国科研团队在努力。

本报记者 易蓉