2021年诺贝尔物理学奖颁发给研究复杂物理系统的他们

作者: 诺奖小分队

来源: 中科院物理所

发布日期: 2021-10-05 18:10:57

2021年诺贝尔物理学奖颁给了真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西,表彰他们在地球气候的物理建模、量化可变性、预测全球变暖以及发现物理系统中无序和波动的相互作用方面的贡献。

据诺贝尔奖官网消息,2021年诺贝尔物理学奖将一半颁给了真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),表彰他们“地球气候的物理建模,量化可变性并可靠地预测全球变暖”。另一半颁给了乔治·帕里西(Giorgio Parisi),表彰他“因为发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。

乔治·帕里西(Giorgio Parisi,1948-)是意大利理论物理学家,现罗马一大物理系教授(University of Roma I ‘‘La Sapienza’’)。他的研究领域主要集中在量子场论、统计力学以及复杂系统。Parisi获得荣誉无数,包括1999年Dirac奖,2002年费米奖,2005年Heineman数学物理奖和2021年沃尔夫奖等等。

Parisi早年的工作是在QCD和粒子物理场论方面,著名的贡献有部分子密度的QCD演化方程(Altarelli-Parisi方程)。统计力学方面,他得到了自旋玻璃 Sherrington-Kirkpatrick模型的精确解。他和Kardar,张翼成提出的KPZ(Kardar-Parisi-Zhang)方程,在统计物理、固体物理、偏微分方程等领域均有十分巨大的影响力。

1970年Parisi在Nicola Cabibbo的指导下从罗马一大毕业。Cabibbo本人是著名的粒子物理学家,弱作用中的混合角就是以他名字命名(Cabibbo角)。

随后Pariasi在意大利弗拉斯卡蒂国家实验室(Laboratori Nazionali di Frascati)、美国哥伦比亚大学、法国高等研究院(IHES)、巴黎高师等地工作,1981年到1992年他在罗马二大(University of Rome Tor Vergata)任教授。

简单浏览Parisi的谷歌学术个人主页,能看到他的引用次数已经超过9万。2021年沃尔夫奖的颁奖词写道:“……他是近几十年来最具创造力和影响力的理论物理学家之一。他的工作对物理学不同分支有极大的影响,包括粒子物理、临界现象、无序系统、以及优化理论和数学物理”。

1977年,Parisi和Altarelli一起发现了核子中的夸克和胶子分布的演化方程(又称DGLAP方程,为独立发现这个方程的三组工作的五个人姓氏首字母)。强相互作用的QCD理论中,部分子(夸克和胶子的统称)的分布函数随能标和参考能标(截断)相关,这个分布函数是描述深度非弹性散射截面的重要因子。

凝聚态物理中,自旋玻璃是一种有随机性的磁量子态。我们通常所说的磁自旋,一般是三维空间中指向两个磁极的自旋,比如说在铁磁性物质中,磁自旋指向同一个方向;反铁磁性物质中,相邻的自旋会交错朝向相反的方向。相比之下,自旋玻璃是一种“无序的”磁量子态,自旋取向随机,没有固定模式,自旋之间的耦合系数也是随机的,“玻璃”一词正刻画了这种无序的性质。

1975年David Sherrington和Scott Kirkpatrick提出了一个重要的精确可解的自选玻璃模型,它的形式是类似于伊辛模型(Ising model)的两体耦合,但耦合系数是一个高斯分布,且两体不需要是相邻的,体系中任意两个自旋都相互耦合。随机性和全体-全体相互作用(all-to-all)带来自旋玻璃复杂的结构。

虽然随机过程的研究已经有很深刻的数学体系,例如对布朗运动的微分方程描述等。但大自然中还有许多概率现象是人们没有理解的,比如我们要说的界面增长:最简单的例子就是,取一张四方的白纸,均匀点燃它朝下的边,然后观察燃烧部分和未燃烧部分的边界自下而上地移动。

又比如,一个一维(或者二维)的平台上,自天花板不断均匀掉落一些小颗粒,这些小颗粒在平台上堆积的表面随着时间流逝而增长(像极了一个大型的俄罗斯方块有木有~)。

这个界面变化的过程,数学上可以用一个高度函数来描述,这个函数随着时间演化而变化,因此是空间坐标和时间的函数。

Kardar,Parisi和张翼成于1986年提出用如下的偏微分方程来描述:这个过程区别于一般的布朗运动方程的地方在于,它是一个非线性方程,上面公式中的h对x导数的平方项是非线性的。如果我们抛开这个非线性项,剩余的部分里是一个高斯噪声,期望值为0,时间空间的关联函数也为0,我们得到的就是个普通的随机热方程,可以通过傅立叶变化求解。

这个非线性项也是KPZ方程核心的项,刻画了高度函数的局部的梯度对边界增长的贡献。换言之,局部看界面会有沿着法向的增长,这个增长投影到高度函数上就会给出一部分贡献。KPZ方程给出了一个特别的普适类(KPZ universality class),涨落的标准差(或简单理解称边界区域的宽度)是按时间的三分之一次方演化的(growth exponent)。

除了上述最著名的一些统计物理的工作以外,Parisi在场论、计算物理等方面也有重要建树,比如场论中的平面图大N-展开,统计场论,格点QCD等等。他的《统计场论》也是领域里十分具有代表性的著作。Parisi的工作中处处有着统计力学的简洁和近似的思想。

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