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北京時間10月5日下午5點45分，2021諾貝爾物理學獎評選結果揭曉，諾貝爾委員會宣佈，義大利科學家喬治·帕裡西（Giorgio Parisi ）、美國科學家真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、德國科學家克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）獲得2021年諾貝爾物理學獎，

“以表彰他們為我們理解複雜物理系統所作出的開創性貢獻”。

圖 | 真鍋淑郎（Syukuro Manabe）、克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）、喬治·帕裡西（Giorgio Parisi ）

因對混沌和表觀隨機現象的研究，三位諾獎得主分享了今年的諾貝爾物理學獎。其中，一半獎項授予喬治·帕裡西，獲獎理由為“對從原子到行星尺度的物理系統的無序和波動的相互作用的貢獻”。另一半獎項則聯合授予真鍋淑郎與克勞斯·哈塞爾曼，“以表彰他們在對地球氣候進行物理建模、量化全球變暖預測的變異性和可靠性方面的貢獻”。

諾貝爾物理學委員會主席托爾斯·漢斯·漢森（Thors Hans Hansson）表示：“今年獲獎的發現表明，我們對氣候的知識建立在堅實的科學基礎上，是基於觀察結果的嚴格分析。今年獲獎者的工作都有助於我們更深入地瞭解複雜物理系統的性質和演化。”

對於今年物理諾獎的獲獎情況，上海交通大學物理與天文學院教授李亮告訴向DeepTech總結稱：“諾獎物理獎一般頒發給基礎研究的前沿方向（大自然和宇宙的基本規律）或者是對人類社會進步產生重大影響的方向（包括技術發明），今年顯然是屬於後者。

氣候本身就是一個典型的複雜系統，在此方向上的研究顯然對人類社會生活有著重大影響，

科學意義當然更是非常重大，所以獲獎也是實至名歸。”

華僑大學系統科學研究所所長鄭志剛教授告訴DeepTech，英裔美國籍物理學家馬克·紐曼（Mark Newman）沒能獲獎讓他感到有些意外，一方面他是近些年複雜網路研究方面卓有成就的物理學家，今年他和帕裡西均獲得湯姆路透引文獎，並且

複雜網路也是複雜系統近年來研究的熱點。

他表示：“今年的諾貝爾獎關於複雜系統是意料之中，獲獎人稍微有點意料之外。紐曼沒有獲獎令人遺憾，但帕裡西獲獎仍然（讓人）為複雜系統研究的工作者所高興！”

複雜系統：涵蓋多學科的研究方法

維基百科介紹稱：“作為一個跨學科的領域，複雜系統吸收了許多不同領域的貢獻。例如：來自物理學的自我組織研究、來自社會科學的自發秩序研究、來自數學的混沌理論研究、來自生物學的適應等等。因此，複雜系統經常被用來作為一個廣泛的術語，涵蓋了許多不同學科問題的研究方法，包括：統計物理學、資訊理論、非線性動力學、人類學、計算機科學、氣象學、社會學、經濟學、心理學、和生物學。”

圖 | 複雜性科學發展的視角（來源：鄭志剛供圖）

複雜系統以隨機和無序為特點，且難以理解。今年的獎項表彰了描述它們和預測它們長期行為的新方法。1980年左右，在無序的複雜材料中，喬治·帕裡西發現了隱藏模式，這一發現是複雜系統理論最重要的貢獻之一。這使人類理解和描述不同的、表面看起來完全隨機的材料和現象成為可能，其貢獻不僅在物理學上，也體現在數學、生物學、神經科學和機器學習上。

圖 | 喬治·帕裡西（Giorgio Parisi）

喬治·帕裡西的研究方向之一正是複雜系統，他最著名的貢獻是與義大利理論物理學家圭多·阿塔雷利（Guido Altarelli）共同發現的帕頓密度的QCD演化方程，亦叫Altarelli - parisi或DGLAP方程。他的其餘貢獻是自旋玻璃Sherrington-Kirkpatrick模型的精確解、描述生長介面的動態縮放的Kardar-Parisi-Zhang方程、以及旋轉鳥群的研究。

對於帕裡西的獲獎，前文的李亮表示：“喬治·帕裡西獲獎的主要方向是‘統計力學和複雜系統’，特別是無序和複雜系統，這屬於統計物理，不僅應用面比較廣，並且也和氣候模型相關。”

中國科學院理論物理研究所研究員張潘告訴DeepTech：“喬治·帕裡西獲獎並不意外，這位著名的義大利理論物理學家在統計物理無序系統領域和粒子物理領域中都做出了突出的貢獻。帕裡西此前已經獲得了除諾貝爾獎之外幾乎所有重要的理論物理大獎，這一次獲諾獎也是眾望所歸。他的一些例如自旋玻璃的副本破缺理論等工作都有著非常天才的想法。”

中國科學院理論物理研究所博導金瑜亮在博後期間，曾在喬治·帕裡西課題組從事博後研究，他告訴DeepTech：“他在統計物理方面做了非常重要的工作。從個人角度來講，他是一個實至名歸的天才。在各個領域都有很大影響，並已經超越物理學範疇。大家也一直認為他應該獲得諾貝爾獎，只是時間問題。”

“帕裡西的工作涉及量子場論和複雜系統等前沿理論物理，而他在無序材料和隨機現象理論中的相關發現，對深入理解複雜系統的特性和演化均具有革命性貢獻。”日本大阪大學產業科學研究所助理教授任慧告訴DeepTech。與此同時，真鍋淑郎的研究表面看起來是研究氣候變暖，但其核心也和複雜系統相關。

真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼：展示了複雜系統的重要應用

在使用計算機進行全球變暖的模擬上，真鍋淑郎絕對是一位先驅。中國科學院大氣物理研究所副研究員魏科告訴DeepTech，這也是真鍋淑郎獲獎的主要原因，他分析稱：“雖然全球變暖的現象，直到20世紀80年代末才得到重點關注，但是早在20世紀60年代，真鍋淑郎就已經在做全球變暖的理論模擬工作。經過三十多年的發展，大家已經從觀測上印證了全球氣候確實在發生劇烈變化，”

大家都知道全球變暖的現象，是因為二氧化碳的增加，定量化地討論二氧化碳的增加會引起多大的全球溫度增加，這項研究由真鍋淑郎先生於20世紀60年代最早進行的，他建立了一套數值模型，進行模擬計算。因此，真鍋淑郎的研究跟每個人都密切相關。

他的模擬給出了全球變暖的定量化工作，當全球二氧化碳加倍時，全球溫度就會增加，他給出了全球溫度增加的數值約為2。36°C，這一數值非常接近現在的認識，例如，2021年8月9日IPCC第六次氣候變化評估給的數值是約2。5~4°C 。二氧化碳增加造成大氣低層溫度增加，而平流層（距離大氣地面10km到50km）內大氣的溫度會降低。

圖 | 真鍋淑郎

概括來說，真鍋淑郎的研究屬於大氣物理，和物理學關係密切，其研究方法也和其他物理領域的方法保持一致，即根據物理規律建立一套完整的方程組，然後對這套複雜方程組進行數值化求解，最終得到天氣和氣候變化的數值模擬。

和真鍋淑郎分享獎項的克勞斯·哈塞爾曼是德國海洋學家和氣候學家，他曾開發出將天氣和氣候聯絡起來的模型，解釋了為何氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。他還開發了識別自然現象和人類活動在氣候中留下的特定訊號、印記的方法。目前。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。

圖 | 克勞斯·哈塞爾曼（來源：資料圖）

哈塞爾曼的另一著名貢獻是開發了研究氣候變率的“哈塞爾曼模型”，包括一個具有長記憶力的系統（海洋）整合了隨機強迫，從而將白噪聲訊號轉換為紅噪聲訊號，進而解釋了在沒有特殊假設的情況下氣候中無處不在的紅噪聲訊號。

任慧認為，真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼的研究成果對於地球科學，更具體地說對於全球變暖的重大意義都是不容爭辯的。他們兩位建立了一個解釋全球變暖的模型，並且回答了一個重要的問題：即為什麼在天氣如此之變幻莫測的複雜系統中，模型依然是可靠的，原因在於模型建立在嚴格的物理學方法之上。

更多複雜系統的相關科學家也有望獲獎

鄭志剛認為，今年的諾獎頒給複雜系統這一大方向，對他來說有點意料之中，且有著充分理由。今年的物理學獎頒給三位看似完全不同學界的科學家，反映出複雜系統研究的高度交叉性和物理普適性，也體現出物理學獎的包容性。

他說，關於複雜系統的學者應當獲得諾貝爾獎的呼聲已經持續多年，此次獲獎的三位科學家，主要是因為他們在複雜系統領域做出了一些相對成熟的研究。

複雜系統研究的真正熱度，開始於最近20年到25年間，一般想要拿出令人信服的成果，並且讓大家都熟知和談論，則需要30到40年。從今年獲獎的三位得主都已年歲已高也能看出來，在一個較新的領域做出成熟的成果的確需要時間。

而且他感覺此次頒給複雜系統的研究者，可能還只是開始，未來很可能還會有更多複雜系統的科學家獲獎。

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*採訪順序不分先後