【2021年诺贝尔物理学奖】如何观测全球变暖？有了“气候模型”和“复杂物理系统”，我们就能做到！

2021年诺贝尔物理学奖5日下午揭晓！这一奖项由三位学者共同颁发，分别是日裔美国学者筱部修郎、德国学者哈塞尔曼和意大利学者乔治帕里西。

Kunashuro和hasman获奖是因为对全球变暖的研究建立了可预测的物理模型，有助于人类“理解全球气候”和“全球气候是如何受到人类影响的”；帕里西因成功利用物理系统描述从原子到行星尺度上的各种无序“相互作用”和“波动”而获奖。

人类活动让二氧化碳剧增，就是地球暖化元兇！

气候是一个对人类至关重要的复杂系统，舒朗正黑的研究为当前气候模型的发展奠定了基础。20世纪60年代，Masakuro领导了地球气候物理模型的发展。他也是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的科学家。在那个计算机的计算能力比现在慢几十万倍的时代，他的模型证实了全球气温上升与大气中的二氧化碳含量有关。

由Masahiro Kuo建立的模型证实了全球气温上升与大气中的二氧化碳含量有关。图//大约十年后的诺贝尔奖，哈斯曼创建了一个链接天气和气候的模型，证明了虽然气候多变混乱，但气候模型依然可靠。自然现象和人类活动都会在气候中留下痕迹。他开发的模型可以识别这些活动的特定信号和指纹，从而我们可以进一步观察人类对气候系统的影响。

哈斯曼创建的模型证实了人类活动加剧了温室效应；自19世纪中叶以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%。在这几十万年里，地球大气层从未含有如此多的二氧化碳，温度测量也显示，在过去的150年里，全球气温上升了1。这证明了大气温度的上升是由人类活动产生的二氧化碳引起的。

这两位获奖者的研究让我们清楚地知道，地球的温度确实在上升，因为大气中温室气体含量的增加，而造成这种现象的原因并不是自然因素。显然，人类是始作俑者。

哈斯曼创建的模型证实了人类活动加剧了温室效应。图//诺贝尔奖

複杂系统背后隐藏的规律

1980年1980年左右，帕里西发现了无序复杂材料中的隐藏规律。这一发现不仅能成功地解释复杂材料，而且是对复杂系统理论的最重要贡献之一。帕里西提出的定律使理解或描述各种复杂的物质和现象成为可能。它不仅用于物理学，还用于数学、生物学、神经科学和机器学习等其他领域。

一个汇编：已经努力修复。如有错误或需要补充，欢迎随时上线。(20211007)

从物理上讲复杂系统，就要从统计力学说起。

微观粒子运动是随机的，这使得精确计算每个粒子的精确运动是不可能的。为了解决这个问题，统计力学不再看“一个粒子”的运动，而是看“一整群粒子”的运动，用统计的方式计算每个粒子的平均效应，这样计算出来的结果也能解释宏观现象。最贴近生活的例子就是“温度”。在微观尺度上，温度被描述为系统中粒子的平均动能。在宏观现象上，温度也可以解释固体、液体和气体变化的原因。

但仍有一些情况是过去统计力学难以解释的。以下图为例。下图中的蓝色球体是一种微小的气体粒子。当你不断冷却或加压这些气体粒子时，气体会变成液体，最后结晶成固体。

或者冷却或加压后形成的固体晶体，通常具有固定的晶体结构，但如果温度或压力快速变化，就会挤压出不规则的晶体结构，即使同样改变温度或压力，也不会出现相同的结构(如下图A和B所示)。

同样的气体分子用同样的方法快速压缩后，会出现不同的结构。图//诺奖说这是随机的，但是这个结晶问题的背后真的没有规律吗？

帕里西最初研究的材料叫做“自旋玻璃”。自旋玻璃不是玻璃，而是在非磁性金属中混入少量磁性金属的合金，比如在铜中混入少量铁。这时候会有少量铁原子随机进入铜的结构中，但是这些铁原子的排列方式让物理学家很头疼。

我们可以把一个铁原子想象成一个小磁铁，常见的磁铁就是其中的铁原子。

都往同一个方向排列（自旋方向相同）。但自旋玻璃中的铁原子，有些会跟旁边的铁原子指向同一个方向，有些则相反，这时若有第三颗铁原子在系统中，第三颗铁原子就会面临两难的局面，不知道要往哪个方向才对，形成所谓「受挫（frustration，如下图所示）」的状态。

针对自旋玻璃的「受挫」状态，帕里西的书中提到：「就像你想同时跟两人交朋友，但这两人却互相讨厌对方。」

1970 年代，许多物理学家都研究过自旋玻璃问题，他们想用统计力学中的「副本方法（Replica method）」来解释，但最初计算的结果是失败的，直到 1979 年，帕里西巧妙地运用副本方法解决了自旋玻璃问题，并花了多年时间证明这套方法在数学上的正确性。之后，这套巧妙的副本方法被用于许多无序系统，成为複杂系统的基石。

诺贝尔物理学委员会主席Thors Hans Hansson表示，今年获奖的研究发现表明，我们对地球气候变迁的理解建立在坚实的科学基础上。3位获奖者基于严谨的观测分析，为我们更深入地了解「複杂物理系统」（complex physical systems）的特性和演化做出了贡献。

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