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科普:他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘——2021年诺贝尔物理学奖成果解读

科普:他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘——2021年诺贝尔物理学奖成果解读

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06.gif 科普:他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘——2021年诺贝尔物理学奖成果解读 第1张

  北京10月5日电(记者彭茜)物理学世界存在着很多“复杂系统”,大到多变的天气,小到金属中的原子运动……它们混乱随机,令人难以揣摩。而2021年诺贝尔物理学奖就授予了三名科学家,以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献”。

  对人类至关重要的一个复杂系统正是我们的地球气候。日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼的工作为人类对气候的认知打下了坚实的科学基础。

  如今,二氧化碳等温室气体是导致地球大气升温的“罪魁祸首”这一认知已经为大众所熟知,但正是真锅淑郎论证了大气中二氧化碳浓度增加如何导致地球表面温度的升高。20世纪60年代,他领导了地球气候物理模型的开发,是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人,他的工作为建立气候模型奠定了基础。

  当代气候模型是基于物理法则,并从天气预测模型演变而来。天气由温度、降水、风或云等气象指标描述,并受海洋和陆地事件影响,气候模型是基于天气计算的统计属性,如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等。比如,气候模型无法明确告诉我们明年12月北京的天气情况,却能告诉我们那个月北京的平均气温和降雨量。

  气候模型不仅有助于理解气候,也有助于理解人类造成的全球变暖。为了解二氧化碳水平增加如何导致气温升高,真锅淑郎把空气团因对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。为方便计算,他构建了一个一维模型,深入到大气层中40公里,并通过改变大气中气体的浓度来测试模型。他发现,氧和氮对地表温度影响可忽略不计,而二氧化碳的影响则很明显:当二氧化碳水平翻倍,全球温度上升超过2摄氏度。

  天气是混乱多变系统的经典例子,为何气候模型依然可靠呢?在真锅淑郎的研究约10年后,克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候相关联的模型,回答了这一问题。

  哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算,并证明这种噪音如何影响气候,从而为长期气候预报奠定了坚实科学基础。受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发,他创建了一个随机气候模型,证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。

  哈塞尔曼还开发出可识别人类对气候系统影响的方法。他发现,气候模型以及观测和理论考量,均包含了有关噪音和信号特性的充分信息。例如,太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记,可被分离出来。这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响,为进一步研究气候变化扫清障碍。

  与真锅淑郎和哈塞尔曼相比,意大利科学家乔治·帕里西的研究更聚焦于微观尺度。1980年左右,他发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配,奠定了复杂系统理论的基石。

  帕里西的研究与一个有趣的概念密切相关——“自旋玻璃”。这可不是一种玻璃,而是指磁性合金材料的一种亚稳定状态。“自旋玻璃”是一种超复杂和混乱的系统,如果我们观察一种“自旋玻璃”合金材料中的原子运动,就会发现当中的铁原子和铜原子随机混合。材料中占比很少的铁原子以一种令人迷惑的方式改变了整个材料的磁性,每个铁原子都相当于一个小磁铁,即一个“自旋”,同时受到身边其他铁原子影响。在普通磁铁中,所有“自旋”都指向同一个方向,而在“自旋玻璃”中,它们会“受挫”,有些“自旋”试图指向同一个方向,而另一些则完全指向相反的方向。

  “研究‘自旋玻璃’就好像观看莎士比亚所写的人类悲剧,”帕里西说,“如果你想和两个人同时交朋友,但他们彼此厌恶,这就令人受挫。”

  “自旋玻璃”为研究复杂系统提供了物理模型。1979年,帕里西取得突破性进展,成功利用一种名为“副本戏法”的数学工具描绘 “自旋玻璃”问题。这一方法后来也被用于很多复杂系统研究。

  帕里西的开创性发现使理解和描述许多不同的、显然完全随机的复杂材料和现象成为可能,不仅对物理学影响深远,也给数学、生物学、神经科学和机器学习等领域的研究带来启示。

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