“蝴蝶效应”也能获诺贝尔奖？

昨日，诺贝尔物理学奖揭晓。

众所周知，每年的十一不仅是黄金周，也是一年一度的诺奖周。继医学奖颁布之后，昨日公布了诺贝尔物理学奖的获得者。

三位获奖者的研究涵盖了统计物理和复杂系统领域，其中，美籍日裔科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼作为一个整体获得了一半的荣誉，主要因为“对地球气候的物理建模，量化变异性并可靠地预测全球变暖”。另一半的荣誉则属于意大利罗马大学乔治·帕里西，理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。

两个气象学家和一个物理学家，共同对复杂物理系统理论做出了开创性贡献。这个令人意外又神奇的组合，不仅让我们再次关注到了物理，也再次聚焦在了气候变暖的问题上。

01 温室效应不是骗局

其实温室效应已经被人们所熟知，现在几乎所有人都对气候变化和二氧化碳危害等方面有了一个基础的了解，然而这都是基于100多年前，这些科学家们建立的模型。

真锅淑郎今年已经90岁了。1960年代，真锅淑郎就开始了对大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高的研究。

（美籍日裔气象学家真锅淑郎）

面对复杂的气候模型，真锅淑郎选择了将模型缩减为一维，成为第一个探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为气候模型的发展奠定了基础。

众所周知，温室气体实际上仅仅占据干燥空气的很少一部分，因为空气的主要成分是氮气与氧气，它们加起来占据了99%的体积，而二氧化碳仅仅占据0.04%。

而在温室效应最强的气体是水蒸气，虽然我们不能控制大气中的水蒸气的浓度，但我们可以影响空气中的二氧化碳浓度。

真锅淑郎通过研究发现，当二氧化碳水平翻倍时，全球温度会上升超过2度。也就是说二氧化碳直接影响了全球气候变暖。

而后，他建立了垂直模型，化繁为简。直接证实了我们高中课本上所学的，随着靠近地面，温度会升高，而远离地面，即在高层的大气层温度则会将降低。

就是这样一个直观的模型，准确帮我们梳理了气候的规律，打开了气候研究的新旅程。

在大约十年后，克劳斯·哈塞尔曼在此基础上，继续了气候的研究，不过放在了一个更庞大的纬度和时间上探索。

（德国气象学家克劳斯·哈塞尔曼）

还记得我们高中学的布朗运动吗？它是指悬浮在液体或气体中的微粒所做的永不停息的无规则运动。

但是当下看似都是没有规则的，但其实都是带着某种趋势前进。

所以哈塞尔曼不局限于单纯的天气变化，也不局限于一天或者一个月，而是更为宏观的气候变化。

因此他创建了一个包含随机性的气候模型，统计下来发现在长时间无序天气变化中，气候自然的变化影响非常小，反而是人类活动会影响气候的激烈变化。

而后他将杂乱而快速的天气变化作为噪声纳入计算中，如风力、气温、冰盖融化、海洋变暖等，并展示了这种噪声如何影响气候。

此外，他还发展了用于识别自然现象和人类活动影响气候的特异性信号、指纹的方法，也就是把太阳辐射、火山灰颗粒、温室气体浓度等留下独特的信号分离出来，就像指纹一样。而他的方法最终被用来证明了，大气中温度的升高确实是由于人类排放的二氧化碳所造成的。

温室效应是骗局的说法也就不攻自破了。

02 复杂无序系统

如果说以上两个气候学家是对温室效应的模型和研究做出了直接贡献，那么物理学家乔治·帕里西则为研究这种复杂随即而无序的系统提供了解决方案。

那么什么是复杂无序系统呢？

还记得美国气象学家爱德华·洛伦兹用“蝴蝶效应”解释了大气中的混沌现象：一只南美洲亚马逊河流域热带雨林中的蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可以在两周以后引起美国得克萨斯州的一场龙卷风。

大气系统就是混沌系统，它是不确定性、不可重复、不可预测。它只能在宏观上进行预测，而不能描述细节。其实，气候变暖、天气混沌、生态系统甚至整个宇宙都可以看做一个复杂理论系统，因此关于温室效应等问题也都可以基于复杂无序系统去看待。

这么看来，乔治·帕里西的工作直到现在依旧被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一，也是无可厚非的。

（意大利物理学家乔治·帕里西）

其实，复杂系统的现代研究植根于下19世纪下半叶发展起来的统计力学。

1980年左右，乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式，使得理解和描述许多不同的、表面上完全随机的复杂材料和现象成为可能，不仅在物理学领域，在数学、生物学、神经科学和机器学习等其他非常不同的领域也是如此。

而他的主要贡献就是给出了自旋玻璃模型一个精确解，这是非平衡统计的一个奠基性的数学模型。

关于自旋玻璃理论，用帕里西自己书中前言说，就是“仿佛是莎士比亚的四大悲剧。在一个空间内，你想同时和两个人做朋友，而这两个人恰好是敌人，彼此憎恨，这可能会让人沮丧。怎样才能把悲剧降到最低水平呢？”

再通俗点说，自旋玻璃并不是玻璃，是类似玻璃的一种状态。我们都知道玻璃是固体中的非晶体，它本身就是没有固定的凝固温度的，而自旋的冻结也没有一个固定的温度。所以被称为自旋玻璃。

在自旋玻璃模型中，它可以用来描述各种无序材料，也可以描述各种复杂的系统。帕里西发现所有无序副本粒子组合的背后，都有隐藏的结构，同时找到了用数学描述该结构的方案，所以成为了后世复杂系统理论的基石。

在此基础上，帕里西还研究了许多其他现象，在这些现象中，随机的过程在结构的创建和发展过程中起着决定性作用。

而他也基于此陆续解决了很多问题，包括冰河时代为什么会周期性的重复出现？是否有更一般的关于混沌和湍流系统的数学描述？成千上万只椋鸟的喃喃声中究竟有怎样的规律？这些问题似乎与自旋玻璃相去甚远。但是帕里西说过，他的大部分研究都涉及简单的行为如何产生复杂的集体行为，这对于自旋玻璃和椋鸟而言同样适用。

可以看到，今年获奖的3位科学家，都为人类认知复杂系统及其长期变化和规律作出了贡献，也解决了很多被人们怀疑的现象和定律，完美阐释了颁布诺贝尔奖对人类发展的意义。

03 能源危机vs全球变暖

今年的物理学奖让我们知道，人类对气候的了解是建立在坚实的科学基础上的，全球变暖不再是骗局，接受、控制和解决才是最好的方式。

而结合目前全球面对的能源危机的困境，碳中和的意义再次凸显。

近月，欧洲天然气期货价格已同比上涨了超过6倍，欧洲到处都是“电荒”、“油荒”、“天然气慌”。欧洲能源危机已经演化到，是否需要呼吁下调室内温度、降低消费、节省能源的地步，此外工厂也面临关闭，整个供应链受到威胁。

而能源危机不仅困扰着欧洲，也正在蔓延至全球，包括美国美国原油库存显著下降、印度电荒、巴西水力发电崩溃等。

在全球都陷入能源危机的焦虑中时，很多人都把这归咎于强制减少化石能源使用，推广可再生能源的问题上，认为碳中和政策过于激进。

但是，今年诺贝尔物理学奖的颁布，似乎为这场全球能源危机提供了一个新的视角。温室效应是一个不争的事实，而减少化石燃料的使用是阻止全球变暖，维护地球环境的必行之路。从全人类发展的角度看，脱碳实在必行，而能源转型上的阵痛无可避免。

因此，无论从温室效应的危害看，还是全人类未来发展的角度看，各国对能源使用的强制手段和共识都是有前瞻性的。只能说，目前的节奏确实存在一定问题，能源危机亟待解决。而度过这一转型期之后，未来地球环境的保护，则更要靠科学家乃至全人类的共同努力。

诺贝尔奖的颁布，也为人类需要注意保护世界环境再次敲响了警钟。