傅渥成，统计物理 / 复杂系统 / 生物物理 阅读原文 非常让人激动的是，本次诺贝尔物理学奖颁给了统计物理和复杂系统领域的研究者。不过这次诺贝尔物理学奖带给大家更多的是震惊，尽管常常会有诺贝尔奖物理学奖颁发给两个不同的研究领域的情况， 但 2021 年这种奇特的组合方式还是让人感觉非常意外了。 本次诺贝尔物理学奖的获奖者，真锅淑郎（Syukuro Manabe）、Klaus Hasselmann 和 Giorgio Parisi 是因为他们“对我们理解复杂系统做出的突破性贡献”而获奖，而他们所关注的领域却非常不同。其中 Manabe 和 Hasselmann 建立了描述气候变化的物理模型，因为预测了全球气候变暖而获奖而分享了此次诺贝尔物理学奖的一半，诺贝尔奖委员会给他们的颁奖词为“建立地球气候的物理模型，量化其变化并可靠地预测了全球变暖”。意大利理论物理学家 Parisi 则获得了此次诺贝尔奖的另一半，他是统计物理和复杂系统领域的知名学者，他在量子场论、自旋玻璃、非平衡统计物理等领域都有突出的贡献，他的颁奖词为“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的互动关系”。 下面简单地介绍一下这几位科学家生平及其贡献。 真锅淑郎（Syukuro Manabe）是日裔美国科学家，1931 年出生在日本四国爱媛县，1958 年东京大学博士毕业后前往美国，随后，他在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的实验室从事研究。1965 年，Manabe 及其合作者们首先提出了一个简化模型，这个模型将大气抽象为“一维单柱”，利用这个简化模型，Manabe 分析了大气的辐射—对流平衡模式，并在模型中考虑了水蒸气所带来的正反馈效应。他们发现，随着大气中二氧化碳浓度的变化，地球表面和对流层的温度会上升，而平流层的温度下降。在这个简化模型的基础上，Manabe 后来又和他的合作者们进一步考虑了海洋和大气的耦合作用，用计算机对这些气候模型进行了模拟，不只如此，他和合作者们还用他们的模型分析了历史上曾经出现过的一些气候变化。 Klaus Hasselmann 是德国科学家，他同样也是 1931 年出生，先后在汉堡大学（硕士，Diplom）、哥廷根大学和马克斯 · 普朗克研究所的流体力学研究所（博士）学习，他后来是马普所气象研究所（位于汉堡）的创始主任。他的确是一位物理学家，他曾经在研究海洋波的非线性相互作用时引入了费曼图，后来他发现类似的方法也被等离子体物理学家们用于研究等离子体波。这次诺贝尔奖之所以授予他，主要是因为他提出了描述气候变化的随机气候模型（后来被称为 Hasselmann 模型），在这个模型中，长时间尺度的“气候”的变化被解释为对短时间尺度内的“天气”变化的累积，其中天气的变化用一个随机力来表示。这个模型在混沌随机的天气变化和稳定的气候变化趋势之间架起了桥梁。此外，他还发展了一系列识别自然现象和人类活动在气候中留下的印迹和“指纹”的方法，这些方法被用来证明大气中温度的升高是由于人类排放的二氧化碳造成的。 Giorgio Parisi 是意大利科学家，出生于 1948 年，毕业于罗马大学（University of Rome La Sapienza）。在获得诺贝尔奖之前，他已经获得了许多物理类的奖项，其中包括玻尔兹曼奖（1992）、费米奖（2002）、昂萨格奖（2016）、沃尔夫奖（2016）等等。Parisi 在物理领域的贡献实在太多，在粒子物理、量子场论、统计物理、湍流等领域都做出了卓越的贡献。这次诺贝尔奖主要是授予他在他在自旋玻璃相关领域的贡献。自旋玻璃是一种非常复杂的材料，在这类模型中，磁矩间存在着铁磁相互作用与反铁磁相互作用的竞争。 听起来有些难懂，不过简单解释一下你就明白了，如果我们把一块材料想象成一个队伍，那么铁磁材料中，相邻的人（自旋、磁矩）倾向于看着相同的方向排列，这样一来，一个整齐的队伍（例如所有人都“向右看齐”）就对应于铁磁材料的能量最低态。而反铁磁材料则恰好相反，队伍里相邻的人倾向于朝向相反的方向，这时，队伍里面“向左看齐”和“向右看齐”交替排列就变成能量最低的状态了。而自旋玻璃态当中，有的人跟相邻的人倾向于看着相同的方向（铁磁），有的人倾向于跟相邻的人看着相反的反向（反铁磁），这样一来自旋玻璃的能量最低态就变得非常复杂，你为了迁就一个铁磁的邻居，跟他一样向左看时，可能会得罪另一个向左看的反铁磁邻居，因为他希望你向右看，这种现象就被称为阻挫（frustration）。从这个简单的例子就能看出来，自旋玻璃体系即使是能量最低的状态都可以如此复杂。 总之，自旋玻璃模型是一个高度抽象的模型，它可以用来描述各种无序材料（胶体、颗粒态等等），也可以被用来描述各种不同尺度的包含复杂相互作用的系统（例如大脑、网络、市场、复杂网络上人与人的相互作用），更抽象地来看，自旋玻璃模型也可以被看成是一个概率图模型，在机器学习和组合优化问题中也可以发挥重要的作用，例如蛋白质折叠问题就可以用自旋玻璃模型来解释。Parisi 发展了自旋玻璃领域的许多重要的方法（副本方法、空腔法），解决了自旋玻璃相关的大量基本问题，他获得诺贝尔物理学奖实至名归。顺带一提，Parisi 本人同样也发表过气候变化有关的论文 [Benzi R, Parisi G, Sutera A, et al. Stochastic resonance in climatic change. Tellus, 1982, 34(1): 10-16.]，在这篇论文中，他的合作者与他在一个高度简化的零维的气候模型中研究了随机扰动所带来的放大效应。 阅读原文
