製圖 | 王若男
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2001年，日本號稱要在50年獲得30個諾貝爾獎。有人指出此前一百年日本只有九個諾獎，從而批評這一說法為 “口出狂言”。
結果，21年來，20位日本或日裔科學家已經獲獎，批評日本的人可能才是“口出狂言”。讓我們看看諾獎委員會為什麼第一次獎勵與全球變暖有關的大氣物理。
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剛剛，瑞典皇家科學院決定將 2021 年諾貝爾物理學獎授予真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）和 喬治·帕裡西（Giorgio Parisi），以表彰他們對 “理解複雜物理系統的開創性貢獻”。
其中，Syukuro Manabe 和 Klaus Hasselmann 因“對地球氣候的物理建模、量化可變性和可靠地預測全球變暖”，而共同獲得 2021 年諾貝爾物理學獎的一半。
獎項的另一半則歸屬於喬治·帕裡西 (Giorgio Parisi) ，“因為他發現了從原子到行星尺度的物理系統中的無序和波動之間的相互作用。”
“複雜系統的特點是隨機性和無序性，難以理解。今年的獎項表彰描述它們和預測它們長期行為的新方法。” 瑞典皇家科學院在新聞稿中說。Syukuro Manabe和Klause Hasselmann的工作致力於解釋地球氣候這個複雜系統，而Giorgio Parisi在物理領域的工作則能延展到數學、生物、神經科學和機器學習等領域。
“今年獲獎的發現表明，我們對氣候的瞭解建立在堅實的科學基礎之上，基於對觀測的嚴格分析。”諾貝爾物理學委員會主席Thors Hans Hansson 說，今年的獲獎者都為我們更深入地瞭解複雜物理系統的特性和演化做出了貢獻。
“首先是意外，因為之前沒有給過大氣或者氣候的人（之前IPCC評估報告獲得過諾貝爾和平獎）。” 中科院大氣物理所成裡京副研究員告訴《知識分子》，“但又在情理之中，因為氣候系統是一個超級複雜的系統，對氣候系統及其變化的理解是非常重要的研究領域，非常（高興）這個領域的奠基人之一獲得諾貝爾獎。”
中科院大氣物理所研究員俞永強說，Manabe是最早基於數值模式定量估計二氧化碳對氣候的影響的先驅。“以前的諾貝爾物理學獎都主要頒給基礎做基礎物理的工作的人，這一次是頒給做數值模式的人，所以整個學界非常驚喜。”
“這次Manabe得諾貝爾物理學獎，主要還是反映了整個世界對氣候問題的重視，而數值模擬是研究社會問題非常非常重要的一個工具。” 他說，Manabe對於氣候敏感度的估計大概是3度左右，而從第一次IPCC報告到第六次報告，對於氣候敏感度的結論跟Manabe的結論，沒有非常大的出入。俞永強認為，Manabe六七十年代的工作非常有先見，且影響非常深遠的。
撰文 | 施鬱 知識分子
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獲獎者簡介
克勞斯·哈塞爾曼
（Klaus Hasselmann ）
1931年出生於德國漢堡，1957年從德國哥廷根大學博士畢業，在德國馬克斯普朗克氣象研究所任職。1964-1975，他在漢堡大學擔任理論地球物理教授以及地球物理所的主管。1975年2月到1999年11月，馬克斯普朗克氣象所的創始董事。1988年1月到1999年11月，德國氣候計算中心的科學主管。目前Klaus Hasselmann是歐洲氣候論壇的副主席。歐洲氣候論壇是 Carlo Jaeger教授和他在2001年9月建立的。
Klaus Hasselmann建立了一個將天氣和氣候聯絡起來的模型，從而回答了為什麼氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。他還開發了識別特定訊號、指紋的方法，自然現象和人類活動都在氣候中留下印記。他的方法已被用來證明大氣溫度升高是由於人類排放的二氧化碳。
真鍋淑郎
（ Syukuro Manabe）
真鍋淑郎是美籍日本氣象學家，1931年9月21日出生於日本愛媛縣。1953年畢業於東京大學理學院。1958年在東京大學研究生院完成博士課程。真鍋淑郎開發了一種新的大氣-海洋耦合模型，將海洋環流視為大氣環流，並將其應用於氣候變化研究。他是地球科學領域引入數值模擬的先驅。尤其以對全球變暖的研究而聞名於世，1988年宣佈北半球氣候變暖而引起關注。1968年起任普林斯頓大學客座教授，1997年回到日本。之後，他於2001年返回美國，成為普林斯頓大學的研究員。
地球氣候是一個對人類來說至關重要對複雜系統。大氣動力學家真鍋淑郎證明了大氣中二氧化碳含量對增加如何導致地球表面溫度升高。1960年代，他領導了地球氣候物理模型的開發，並且第一個探索輻射平衡與氣團垂直輸送之間相互作用。
1975年，美國地球物理流體動力學實驗室（GFDL）的真鍋淑郎發展了一個理想海陸分佈下墊面的三維大氣環流模式，並模擬了二氧化碳加倍情景下氣候狀況的變化。根據他的模擬，二氧化碳若增加一倍（300ppm加至600ppm），全球平均溫度將上升2.93攝氏度。
諾貝爾獎委員會評價說，他的工作為當前氣候模型的發展奠定了基礎。
中科院大氣物理所研究員俞永強與真鍋教授曾有過多次接觸，“Manabe來中國做過很多次報告，來過中科院大氣物理研究所訪問，對他的印象主要有兩點，第一點是他有一個口頭禪，就是 ‘每次只改動一件事情’，因為數值模式非常非常龐大，如果多個引數改變多次的話，很難去定量地估計每個引數變動的影響，所以他每次只對數值模式，其中一個部分做一點改動。”
“第二點呢，是Manabe在評估氣候敏感度的時候，數值模式中一直用觀測的雲，也就是將雲的輻射強迫效應，作為一個外強迫放到模式中。因為對雲的模擬非常困難。當然這個有一定的爭議，但是體現了Manabe很早很早就意識到了，雲的不確定性是對氣候敏感度估計最重要且不確定性最大的一個問題。” 俞永強說。
復旦大學施鬱教授在開獎前成功預測了帕裡西獲獎，以下是他對帕裡西獲獎的解讀。
喬治·帕裡西 (Giorgio Parisi)
帕裡西1948年出生於義大利羅馬，1970 年博士畢業於羅馬薩皮恩扎大學並留校任教。
帕裡西在量子色動力學的框架中，和Altarelli提出關於部分子密度與動量關係的積分微分方程（Altarelli-Parisi 方程）[2]，解釋了深度非彈性散射的標度違反，給出了量子色動力學對部分子模型的改進。他還提出與超導磁通禁閉類似的夸克禁閉簡單解釋。
帕裡西也對無序和複雜系統做出重要貢獻。其中最重要的是，他分析自旋玻璃理論的複製方法，提出複製對稱破缺 [3]。帕裡西還給出湍流多分形分析，將超對稱方法用於統計力學，提出無規聚集生長的隨機微分方程（Kardar–Parisi–Zhang方程）。 他還研究免疫網路、鳥群現象等等複雜性問題。
帕裡西是義大利理論物理學家，羅馬大學 La Sapienza 分校教授，生於1948年8月4日。帕裡西的工作橫跨理論物理的若干領域，體現了極強的處理理論物理難題的能力。 他敢於突破數學的常規。雖然數學上不嚴格，解決無序系統問題時，引進了 “半個物體” 的想法， 二十多年後，數學家同意這是正確的。
他的爺爺和父親都是建築工人，希望他成為工程師。但是他透過閱讀科普書，培養了對更抽象的科學的興趣，發現科學演講有挑戰性，因此希望從事科學研究。在選擇物理還是數學時，發生了糾結。 但是他看到二十世紀物理學的輝煌成就，而數學比較神秘。因此決定學習物理。很快，他又希望從事物理學的研究工作。當時義大利的最高學位是在本科畢業後做一年研究所獲得的博士學位。當時粒子物理被認為時最具挑戰性、最重要的，而 卡比博（Nicola Cabibbo）被認為是當時義大利最優秀的粒子理論家。因此他在卡比博指導下獲得博士學位。然後去羅馬附近的Frascati國家實驗室工作了10年，然後成為羅馬大學Tor Vergata分校教授，1992年成為La Sapienza分校教授。
帕裡西的自旋玻璃和複雜系統工作
1978年12月，在Frascati國家實驗室，帕裡西當時在研究高維度規範理論，需要使用叫做複製方法的一種理論方法。他了解到，這個方法也用於研究自旋玻璃問題，但是所得到的結果不自洽。自旋玻璃是一種特殊的磁性合金。帕裡西去研究了為什麼這個方法不能成功用於自旋玻璃問題，發現其中有錯，從而提出自己的理論。
自旋玻璃是最簡單的玻璃系統。是研究非平衡統計物理的理想系統。 在自旋玻璃研究中積累的方法可以用到其他的無序和複雜系統，也可以用來檢驗在其他系統中發展的方法。
自旋玻璃的一個特性是阻錯效應。 在某種金屬中摻進磁性原子，如錳。錳原子無規地佔據了一些位置。這些錳原子的磁性方向是無規的，耦合常數隨機。
1970年代時，安德森和Sam Edwards提出一個平均場方法。然後David Sherrignton和Scott Kirkpatrick用類似的方法研究了無窮遠相互作用的自旋玻璃模型，發現有問題，在極低溫的情況下，熵成為負的。
人們考慮系統的很多復份，然後又根據對稱性，將這些復份分成若干組，得到了表徵系統性質的序參量，但是也導致了負熵這一不自洽的結果。 這個方法有奇怪的一點，就是要求複製份數趨向於零，這提示對稱性可能可以以無窮多種分解方法。
帕裡西將所有復份分成若干組，每組又分成若干子組，如此無限分下去。這樣導致無窮多序參量，而且，系統的熵在零溫下趨向於零。 後來，人們認為帕裡西的結果是嚴格解。這是無序系統領域的最重要的成就之一。復份及其對稱破缺又應用到計算機科學的組合最佳化問題，後者是在約束條件下求極值的問題。
參考文獻：
1. J. D. Bjorken (1968). "Current Algebra at Small Distances", in Proceedings of the International School of Physics Enrico Fermi Course XLI, J. Steinberger, ed., Academic Press, New York, pp. 55–81.
2. G.Altarelli and G. Parisi, Nucl. Phys. B126 (1977) 298.
3. Parisi, G. (1980), "The order parameter for spin glasses: a function on the interval 0-1", J. Phys. A: Math. Gen., 13 (3).
