他们揭开复杂系统内隐藏的秘密

2021-10-10 19:59:41 科技日报 阅读(7)

  左:真锅淑郎,1931年出生于日本新宫,现在为美国普林斯顿大学资深气象学家。

  中:克劳斯·哈塞尔曼,1931年生于德国汉堡,现为德国马克斯·普朗克气象研究所教授。

  右:乔治·帕里西,1948年生于意大利罗马,现为意大利罗马大学教授。

  所有复杂系统都由许多不同且相互作用的部分组成,物理学家已经对它们展开了几个世纪的研究,但很难用数学方法来描述它们——它们可能包含很多部分,也可能由偶然因素决定。这些复杂系统随机、无序而混沌,比如天气,初始值的微小偏差会导致结果迥然不同。

  今年的诺贝尔物理学奖颁给了美国科学家真锅淑郎、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼和意大利科学家乔治·帕里西,以表彰他们为我们理解复杂物理系统所作出的开创性贡献。

  其中一半奖金授予真锅淑郎和哈塞尔曼,以表彰他们“为地球的气候进行物理建模,量化其可变性并可靠地预测全球变暖”;另外一半奖金授予帕里西,以表彰他“发现从原子到行星尺度的物理系统内的无序和波动的相互作用”。

  这3位科学家迎难而上,创造性地提出了很多描述和预测它们长期行为的新方法,揭示了这些复杂系统背后隐藏的秘密,有助于人们更好地理解此类系统及其长期发展趋势。

  揪出全球变暖背后的“真凶”

  一个对人类至关重要的复杂系统是地球气候,真锅淑郎揭示了地球大气中二氧化碳含量的增加如何导致地球表面温度升高。

  真锅淑郎介绍:“在20世纪60年代初,我们开发了一个大气辐射对流模型,并探索了水蒸气、二氧化碳和臭氧等温室气体在维持和改变大气热结构中的作用,这是科学家们对全球变暖长期研究的开始。随后的20世纪60年代末,我和同事开始开发一个大气—海洋—陆地耦合系统的大气环流模型,该模型最终成为模拟全球变暖的一个非常强大的工具,而我也一直在从事这一方面的研究。”

  对一维模型的分析催生了三维气候模型,该模型于1975年面世,成为理解气候秘密道路上的又一个里程碑。

  哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系起来的模型,还开发出了新方法来鉴别自然现象和人类活动在气候变化中留下的“蛛丝马迹”。他发现,太阳辐射、火山颗粒或温室气体浓度的变化会在气候系统中留下独特的信号,这些信号可以鉴别出来,而这种识别“指纹”的方法也可以应用于人类对气候系统的影响。他的方法被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

  在这两位科学家研究的基础上,气候模型越来越精准。这些模型清楚地显示了温室效应在加速——自19世纪中叶以来,大气中二氧化碳的浓度增加了40%。几十万年来,地球大气中都没有这么多二氧化碳。而且,温度测量表明,过去150年全球变暖1℃。

  自旋玻璃为复杂系统提供模型

  到了1980年左右,人们对复杂系统的理解愈发深入。帕里西提出了他关于随机现象如何受隐藏规则支配的发现,这被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

  他对自旋玻璃开展了深入研究。自旋玻璃是一种特殊类型的金属合金,其中铁原子随机混合进铜原子网格。每一个铁原子的行为都像一个小磁铁(或者说自旋),受到靠近它的其他铁原子的影响。在普通磁铁中,所有自旋都指向同一方向,但在自旋玻璃中,一些自旋对想要指向同一方向,而另一些自旋对想要指向相反方向——那么它们如何找到最佳方向呢?

  自旋玻璃的奇特性质为复杂系统提供了一个模型,在这些系统中,各个部分必须在各种反作用力间达到平衡。帕里西对自旋玻璃结构的基本发现非常深刻,使人们能够理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象,不仅可用于物理学领域,而且在数学、生物学、神经科学和机器学习等领域也“大显身手”。

  诺贝尔物理学奖委员会主席、瑞典皇家科学院院士托尔斯·汉斯·汉森强调说:“这3位科学家的发现获得了诺贝尔奖的认可,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。”(记者 刘 霞)

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