今年的诺贝尔物理学奖表彰了气候变化背后的复杂系统的研究

2021 年诺贝尔物理学奖授予了 Syukuro Manabe、Klaus Hasselmann 和 Giorgio Parisi，以表彰他们为我们如何理解复杂的物理系统（例如地球气候以及气候变化现象）所做出的贡献。Manabe 和 Hasselmann 分享了一半奖金，而 Parisi 获得了另一半奖金。

宇宙的物质系统似乎复杂得近乎奇迹，而比其复杂性更令人惊讶的是其看似简单。即使是像天气预报这样平凡的事情，也是基于数百万年模式的一系列预测中不可估量复杂的一部分。Manabe、Hasselmann 和 Parisi 在不断变化的环境的混乱中寻找可靠的模式，将信号与噪声分离，并在从原子级到行星级的随机性中寻找结构。Manabe 和 Hasselmann 因其在地球气候物理建模和可靠预测全球变暖方面的工作而获奖；Parisi 发现了无序复杂系统中隐藏的模式，这些模式使得通过这些规则描述看似随机的现象成为可能。

普林斯顿大学气象学家和气候学家 Syukuro Manabe 展示了大气中二氧化碳浓度升高如何导致地球表面温度升高。1960 年，他率先提出了物理气候模型，成为第一个探索辐射平衡（进入地球与离开地球的辐射）与大气中气团垂直运动之间相互作用的人。通过一个简化的模型，Manabe 发现二氧化碳水平使全球地表温度升高了 2°C 以上，而氧气和氮气几乎没有影响。

该模型证实，二氧化碳而非太阳辐射导致了地表温度升高——近地面的温度上升，而大气温度下降。如果这种变化是由于太阳辐射引起的，那么整个大气层应该同时变暖。基于这一见解，Manabe 转向了开创性的三维模型，并于 1975 年发表了该模型。

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当真锅专注于大气中的二氧化碳时，马克斯普朗克气象研究所的教授哈塞尔曼则将目光投向了气候和天气。天气每天都在剧烈波动，而气候则是天气状况的平均值。天气变化如此之快，因此很难计算。在真锅之后大约十年，哈塞尔曼创建了一个随机天气模型，即一个考虑偶然性的模型。但他更进一步——他还开发了考虑人类对气候影响的方法。这些方法使研究人员能够将气候、天气和人类干预关联到复杂的气候模型中。

大约在 1980 年，罗马罗马大学理论物理学家乔治奥·帕里西 (Giorgio Parisi) 展示了气候等系统背后的一个更大原理，表明某些现象的随机性掩盖了隐藏规则的网络。帕里西探索了一种称为自旋玻璃的特殊物质的性质。自旋玻璃是一种合金，由两种或多种金属元素组成的复合金属。例如，一种自旋玻璃是铁原子随机混合到铜原子网格中。这些少数铁原子改变了材料的整体磁性。每个原子的行为都像磁铁或自旋，通常所有自旋都指向同一方向。但在自旋玻璃中，自旋受阻，这意味着一些自旋对想要指向一个方向，而其他自旋对想要指向相反的方向。在他的书中，帕里西将这种原子行为比作莎士比亚的悲剧。想想罗密欧与朱丽叶：虽然他们彼此相爱，但每个人都从家人那里收到相反的信号，让他们鄙视对方。由于家庭原因，他们的吸引力受到阻碍，因为他们的方向不同。

自旋玻璃是许多复杂模型的基础，1979 年，帕里西将一种称为“复制技巧”的方法应用于自旋玻璃模型问题。复制技巧是一种数学技术，可以同时处理系统的多个副本，这在物理学上是不可能的。帕里西在复制品中发现了一个秘密结构，并用它来解决自旋玻璃问题。他在自旋玻璃方面的工作不仅改变了物理学，还改变了数学、生物学、神经科学和机器学习。这项研究也与气候系统有关。

诺贝尔委员会强调，今年的奖项不仅表彰了巨大的科学贡献，还呼吁世界各国领导人迅速采取行动，防止气候变化进一步加剧。帕里西在新闻发布会上表示：“我们必须立即采取行动，而且要非常迅速。”

诺贝尔奖每年 10 月颁发，奖项类别包括医学和生理学、物理学和化学。去年的物理学奖颁给了罗杰·彭罗斯，因为他发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测；莱因哈德·根泽尔和安德里亚·盖兹则因发现银河系中心的超大质量致密物体而获奖。