2021诺贝尔物理学奖:他们破译了地球气候及其他复杂系统的隐秘规律

来源: 环球科学

发布日期: 2021-10-05

2021年诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,表彰他们在理解复杂系统方面的开创性贡献,特别是在地球气候模型和无序系统理论方面的研究。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼因在气候模型开发和全球变暖预测中的贡献获奖,而乔治·帕里西则因在复杂系统理论中的理论解决方案获奖。他们的工作不仅在物理学领域有深远影响,还扩展到了数学、生物学、神经科学和机器学习等多个领域。

2021年诺贝尔物理学奖被授予“对我们理解复杂系统的开创性贡献”,一半授予真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),表彰他们对地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖的贡献,另一半授予乔治·帕里西(Giorgio Parisi),表彰他发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落之间的相互影响。

2021年诺贝尔物理学奖得主:真锅淑郎(Syukuro Manabe),克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),乔治·帕里西(Giorgio Parisi)。

真锅淑郎(Syukuro Manabe),美国普林斯顿大学高级气象和气候学家,美国国家科学院院士,日本科学院、欧洲科学院和加拿大皇家学会外籍院士。克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),德国马克斯·普朗克气象学研究所教授。乔治·帕里西(Giorgio Parisi),意大利罗马第一大学理论物理学教授,意大利国家科学院院士,法国科学院、美国科学院外籍院士。

所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。今年的获奖者都为我们获得有关此类系统及其长期发展的更多知识做出了贡献。地球气候是复杂系统的众多例子之一。真锅淑郎和克劳斯·哈塞尔曼因为在开发气候模型方面的开创性工作而获得诺贝尔奖。帕里西则因为对复杂系统理论中的大量问题提出了理论解决方案而获奖。

真锅淑郎展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,从而回答了为什么尽管天气多变而混沌,气候模型却仍然可靠的问题。乔治·帕里西在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式。

温室效应对生命至关重要。气候学家的任务与傅立叶当年的工作无甚差别,即研究进入地球的短波太阳辐射与地球发出的长波红外辐射之间的平衡。气候模型从用于预测天气的模型发展而来,基于物理定律建立。

理解二氧化碳的作用。温室效应对地球上的生命至关重要,它控制着地球的温度,因为大气中的温室气体,即二氧化碳、甲烷、水蒸气和其他气体,会先吸收地球的红外辐射,然后将吸收的能量释放,加热周围的空气和空气之下的地面。

发现二氧化碳对气温影响之谜的第一块拼图的人,是瑞典科学家、1903诺贝尔化学奖获得者斯万特·阿伦尼乌斯。真锅淑郎展示了大气中二氧化碳浓度的增加如何导致地球表面温度升高。克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,从而回答了为什么尽管天气多变而混沌,气候模型却仍然可靠的问题。

无序系统的研究方法。随机现象显然是由背后隐藏的规律支配的。乔治·帕里西报告了他的发现,他的研究贡献如今被认为是复杂系统理论最重要的成果之一。

理解复杂性。帕里西最初研究的对象是自旋玻璃。这是一种特殊的金属合金,例如向铜原子网格中随机混入铁原子所得的合金。尽管它只包含少量的铁原子,它却能以一种强烈而令人费解的方式改变磁性。

“阻挫”研究的丰富成果。自旋玻璃和颗粒状材料都是阻挫系统的例子。在这些系统中,各种成分必须以一种能平衡相反的作用力的方式进行排列。问题在于它们的行为如何、结果如何。帕里西是回答这些问题的大师。

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