诺贝尔物理学奖解读：他们在复杂系统中寻找隐藏的秘密科技日报记者刘霞北京时间1

科技日报采访人员刘霞
北京时间10月5日，瑞典皇家科学院宣布，美籍日裔科学家真锅淑郎（SyukuroManabe）、德国科学家克劳斯·哈塞尔曼（KlausHasselmann）和意大利科学家乔治·帕里西（GiorgioParisi）荣膺2021年诺贝尔物理学奖， “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” 。

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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” 。
因揭示复杂系统的秘密而获奖
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。这些复杂系统以随机、无序和混沌而“臭名昭著” ，比如天气，初始值的微小偏差会导致结果迥然不同。
而今年获奖的这三位科学家迎难而上，创造性地提出了很多描述它们和预测它们长期行为的新方法，从而揭示了这些复杂系统背后隐藏的秘密，有助于我们更好地理解此类系统及其长期发展趋势。
诺奖官网称：“今年获奖的三位科学家深入研究了混沌现象和明显的随机现象。真锅淑郎和哈塞尔曼的相关研究为我们了解地球气候以及人类如何影响它奠定了坚实的基础；而帕里西因其对无序材料和随机过程理论的革命性贡献而获奖。 ”
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的升高。
在20世纪60年代，他领导了地球气候物理模型的开发，成为探索辐射平衡与对流引起的空气垂直输送以及水蒸气的潜热之间相互作用的第一人，他的开创性研究为此后气候模型的开发奠定了基础。

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图片说明：真锅淑郎的气候模型。二氧化碳水平的增加导致低层大气温度升高，而高层大气温度降低。真锅淑郎证实气温的变化是由于二氧化碳浓度的增加，如果它是由太阳辐射引起，那么整个大气都应该变暖。
真锅淑郎在其工作的普林斯顿大学官网介绍称：“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。 ”
六十年前，计算机的运行速度比现在慢数十万倍，所以这个模型相对简单，但关键功能是正确的。真锅淑郎说：“你必须简化，你无法与自然界的复杂性抗衡——每一滴雨滴都涉及到如此多的物理因素，因此永远不可能计算出所有的一切” 。

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图片说明：二氧化碳使气候变暖真锅淑郎首次探索了辐射平衡与对流造成的空气垂直输送之间相互作用，并考虑了水循环贡献的热量。
大约十年后，哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系起来的模型，从而回答了为什么气候模型在天气多变且混乱的情况下仍然可靠的问题。他还开发出了新方法，可用来鉴别出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、火山灰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。哈塞尔曼因此为进一步研究气候变化扫清了道路，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。

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图片说明：确定气候中的“指纹” 。克劳斯·哈塞尔曼开发了区分导致大气升温的自然和人为原因（指纹）的方法，图为1901—1950年间的平均气温变化。
在上述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摄氏度。