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  • 大气与海洋科学领域首获物理学奖

    发布时间: 2021-10-06 10:41首页:房产新闻 > 头条热点 > 科技新闻 > 阅读()

      ■记者 姜澎

      诺贝尔物理学奖,第一次颁给大气与海洋科学领域!

      2021年诺贝尔物理学奖昨天揭晓,由三位科学家分享:一半授予日裔美籍科学家真锅淑郎(Syukuro Manabe)和德国科学家克劳斯・哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),另一半授予意大利科学家乔治・帕里西(Giorgio Parisi),以表彰他们在理解复杂物理系统方面作出的开创性贡献。

      我们所在这个世界,其结构之美妙,有时候体现为“有序而又精细”,但大多数时候却看似无序。复杂系统的特点就是随机性和无序性,让人难以理解。而今年的诺奖物理学奖成果,用一句话概括,就是“在复杂系统的看似无序中,寻找到描述它们和预测它们长期行为的新方法”。正如诺贝尔物理学委员会主席托尔斯汉斯汉森所言,“今年获得认可的发现表明,我们对气候的了解建立在坚实的科学基础之上,基于对观测的严格分析。今年的获奖者,都为我们更深入地了解复杂物理系统的特性和演化作出了贡献。”

      他们的研究验证了二氧化碳对全球变暖的影响

      “过去,要在科学层面做出长期气候预测是非常困难的,而真锅淑郎和哈塞尔曼的研究成果,在某种程度上解决了这一难题。”复旦大学大气与海洋科学研究员袁嘉灿在接受本报记者采访时说,今年的诺贝尔物理学奖第一次颁给大气与海洋科学领域,令不少学界人士感到振奋。真锅淑郎从上世纪50年代就开始研究二氧化碳水平的增加如何导致温度升高。他基于物理原理建立数值模式,证明了氧气和氮气对于地表温度的影响可忽略不计,而二氧化碳则有明显影响,当二氧化碳水平翻倍时,全球温度升高了2摄氏度以上。

      据诺奖委员会介绍,真锅淑郎的成果大约在上世纪60年代完成,当时的计算机速度比现在慢了几十万倍,而他却通过构建一个简单有效的模式,解答了二氧化碳和气候变暖之间的关系,并于1975年发表了该成果,被认为是“解密气候变化的里程碑之一”。他也被认为是世界上最知名的气象学家之一。

      大约10年后,哈塞尔曼在快速而混乱的天气变化中找到了气候变化的规律,他也创建了一个随机模型,将天气和气候联系起来,从而回答了为什么虽然天气混沌多变,但气候模型能可靠模拟气候变化的问题。◆下转第三版(上接第一版)

      同时,哈塞尔曼还发现,太阳辐射、火山颗粒或温室气体水平的变化在大气变化中留下的独特信号可以分离出来,并且,他的这些方法已被用来证明人类活动对气候的影响。同时,他还创建了一个随机气候模型,证明快速变化的大气实际上会导致海洋的缓慢变化。

      袁嘉灿曾经参加过真锅淑郎组织的学术研讨会,她感慨地说,真锅淑郎的成果在上世纪发表时,当时在科学界并没有很多人意识到二氧化碳和气候变化之间的关系,“其后经历了很长时间,科学界和全社会才开始关注到人类活动与全球气候变暖之间的关系。气候模式和预测模型的开发和发展为人类提供了预知未来的能力。这也是为什么经过了那么长时间,大气和海洋领域才会有了第一个诺贝尔物理学奖。”

      看似无序的复杂系统,实有规律可循

      分享今年另一半诺贝尔物理学奖的帕里西,则是一位纯粹的物理学家。1980年左右,帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏模式。正是基于他的研究,使理解和描述许多不同的、貌似完全随机的材料和现象成为可能。

      “帕里西获得诺贝尔物理学奖可以说是众望所归,他已经把物理学界可以拿的重要奖项都拿了个遍了。”上海交通大学自然科学研究院、物理与天文学院教授张何朋在接受本报记者采访时介绍,根据帕里西的发现,随机现象也受到隐藏规则支配。他对于自旋玻璃的研究成果,被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一,也是突破性进展。

      诺奖委员会介绍称,帕里西通过旋转玻璃来对复杂系统进行研究。所谓旋转玻璃,是一种特殊类型的金属合金。在普通磁铁中,所有铁原子的自旋都指向同一个方向,但在自旋玻璃中,一些自旋指向同一个方向,而另一些则指向相反的方向,那么它们是如何找到最佳方向的?帕里西就在这些看似随机的变化中,找到了其中的规律。而他对自旋玻璃的研究发现不仅影响了物理学,而且影响了数学、生物学、神经科学和机器学习等众多领域。如果这些解释还都太学术,那么帕里西最近参与的一项研究,则可以让大家理解得更清楚。张何朋告诉记者,在位于罗马的办公室,帕里西正研究着鸟群飞行问题。为什么欧椋鸟在空中没有“指挥”也能排好队?他设置了几台相机观察鸟群三维的活动情况,并构建了模型,发现每一只鸟都会观察离自己最近的六只鸟的飞行方向,然后根据平均值调整自己的飞行方向,从而保持鸟群飞翔的路线一致。

      “这就是在随机中发现规律。”张何朋说,复杂系统的研究目前仍然在进展之中。他还提及帕里西的另一项重要成果,即对界面问题的研究,这也是对复杂系统的突破性成果。不妨先想象一下:燃烧一张纸再熄灭它,纸张边缘留下的界面看似每次都不一样,但科学家却告诉你,这里面其实有规律可循。“他们之所以会共享诺贝尔物理学奖,正是因为帕里西的理论和其他两位学者的发现共同推动了我们对复杂系统中无序、随机行为的理解。”张何朋说。

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