諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)變身“理綜”獎(jiǎng)：乍看頒給全球變暖研究，其實(shí)背后通用理論模型影響機(jī)器學(xué)習(xí)

魚羊 2021-10-05 20:37:13 來源：量子位

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剛剛，2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)結(jié)果揭曉。

今年的物理獎(jiǎng)依舊分為兩部分，授予3位對(duì)理解復(fù)雜系統(tǒng)做出突破貢獻(xiàn)的物理學(xué)家。

其中一半頒給了真鍋淑郎?（Syukuro Mnabe）和克勞斯·哈塞爾曼（Klaus Hasselmann）：

以表彰他們?yōu)榈厍驓夂蚪⒘宋锢砟Ｐ?，量化其變異性并可靠地預(yù)測(cè)全球變暖。

另一半頒給喬治·帕里西（Giorgio Parisi）：

以表彰其在原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)無序和漲落的相互作用。

也就是說，真鍋淑郎和Klaus Hasselmann將分別獲得1/4諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金，而Giorgio Parisi將獲得剩下1/2獎(jiǎng)金。

諾貝爾物理學(xué)委員會(huì)主席Thors Hans Hansson對(duì)此評(píng)價(jià)說：

今年獲獎(jiǎng)的研究表明，我們關(guān)于氣候的知識(shí)，是基于對(duì)觀測(cè)的嚴(yán)格分析、建立在堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)之上的。

今年的獲獎(jiǎng)?wù)邆優(yōu)槲覀兩钊肓私鈴?fù)雜物理系統(tǒng)的特性和演化做出了貢獻(xiàn)。

他們從混沌中發(fā)現(xiàn)隱藏的模式

這次諾貝爾物理獎(jiǎng)兩部分的共同主題是復(fù)雜系統(tǒng)。

復(fù)雜系統(tǒng)很難用數(shù)學(xué)方法來描述——它們可能包含大量的組成部分或被偶然性所支配，甚至有可能是混沌的。

比如大家都熟悉的“蝴蝶效應(yīng)”就是在描述混沌系統(tǒng)。

蝴蝶扇動(dòng)翅膀造成初始條件的微小差異，經(jīng)過時(shí)間的放大都會(huì)造成劇烈的變化，讓精準(zhǔn)預(yù)測(cè)幾乎不可能。

提出蝴蝶效應(yīng)的氣象學(xué)家洛倫茲，就是在研究大氣流體動(dòng)力學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，地球上的天氣變化實(shí)際上就是一種復(fù)雜系統(tǒng)。

所以天氣預(yù)報(bào)有時(shí)候不準(zhǔn)，而且越長(zhǎng)期越不準(zhǔn)，我們就不要責(zé)怪氣象臺(tái)了，預(yù)測(cè)復(fù)雜系統(tǒng)的長(zhǎng)期變化實(shí)在是……太難了。

不過地球的氣候與每個(gè)人都息息相關(guān)，尤其是在氣候變暖、極端天氣現(xiàn)象頻發(fā)的今天，氣候現(xiàn)象再難也得研究。

這次獲獎(jiǎng)的科學(xué)家真鍋淑郎的一大貢獻(xiàn)就是演示了大氣中二氧化碳含量的增加是如何導(dǎo)致地球表面溫度升高的。

為了便于計(jì)算，他把大氣簡(jiǎn)化成了40千米高空處的一個(gè)柱狀模型，通過改變空氣的組成來研究對(duì)地表溫度的影響。

最終他的計(jì)算結(jié)果是，空氣中占主要成分的氮?dú)夂脱鯕夂孔兓瘜?duì)地表溫度的影響微乎其微，倒是二氧化碳對(duì)地表溫度的影響則十分明顯。

他的研究證實(shí)了地球變暖的主要原因是二氧化碳，因?yàn)樗A(yù)測(cè)了接近地面的溫度上升，而上層大氣變冷。

如果是太陽輻射的變化導(dǎo)致了溫度的上升，那么整個(gè)大氣層應(yīng)該是同時(shí)加熱的。

真鍋淑朗的這項(xiàng)研究發(fā)表于1967年，隨后他領(lǐng)導(dǎo)了地球氣候物理模型的發(fā)展，并且是第一個(gè)探索輻射平衡和氣團(tuán)垂直輸送之間相互作用的人。

由于那時(shí)候的計(jì)算機(jī)速度比現(xiàn)在要慢上幾十萬倍，所以模型必須簡(jiǎn)化再簡(jiǎn)化。

即便如此，他還是在1975年把模型從一維擴(kuò)展到了三維，為今天的氣象模型奠定了基礎(chǔ)。

到了80年代就輪到克勞斯 · 哈塞爾曼出場(chǎng)，他這次與真鍋淑朗分享一半諾貝爾獎(jiǎng)是因?yàn)樗?strong>找到了短期天氣和長(zhǎng)期氣候之間的關(guān)系。

也就是說，我們現(xiàn)在能用上天氣預(yù)報(bào)，哈塞爾曼的研究正是其科學(xué)基礎(chǔ)。

他用一個(gè)形象的比喻來描述天氣與氣候間的關(guān)系：

你牽著狗散步，你是沿著一個(gè)穩(wěn)定的路線走的，就像是氣候有一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的趨勢(shì)。但狗在牽繩的范圍內(nèi)前后左右繞著你的腿跑，就像天氣非常隨機(jī)。

哈塞爾曼的模型把嘈雜和混亂的天氣數(shù)據(jù)視為噪聲，從中分離出氣候變化的大趨勢(shì)。

有了這個(gè)模型，他的下一步工作是開發(fā)了識(shí)別人類活動(dòng)對(duì)氣候變化影響的方法，最終他的方法被用于證明大氣層溫度升高確實(shí)是由于人類排放的二氧化碳造成的。

總結(jié)一下，真鍋淑郎和哈塞爾曼兩人的研究回答了今天關(guān)于地球變暖的三個(gè)問題：

地球正在變暖嗎？是的。
變暖的主要原因是溫室氣體增加嗎？是的。
溫室氣體增加是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)嗎？是的。

除了宏觀的氣候變化，微觀的粒子運(yùn)動(dòng)中也存在復(fù)雜系統(tǒng)。今年諾貝爾物理獎(jiǎng)的另一個(gè)得主喬治·帕里西便是研究的微觀領(lǐng)域。

如果說前面兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯扛Y(jié)合實(shí)際，喬治·帕里西的研究則是從基礎(chǔ)理論出發(fā)。

同樣是在80年代，他發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)現(xiàn)象顯然是受隱藏規(guī)則支配著的。

帕里西一開始研究的主題是自旋玻璃。

自旋玻璃是磁性合金材料的一種亞穩(wěn)定的狀態(tài)。用帕里西的話形容，研究自旋玻璃就像莎士比亞戲劇中的人類悲?。阂恍┳孕龑?duì)想要指向同一個(gè)方向，而另一些卻想要指向相反方向。

通過對(duì)自旋玻璃的研究，帕里西發(fā)現(xiàn)了一種用數(shù)學(xué)對(duì)其進(jìn)行描述的方法，并由此發(fā)展出一種包含許多不同復(fù)雜系統(tǒng)的有序和隨機(jī)現(xiàn)象的理論，成為復(fù)雜系統(tǒng)理論的基石。

這不僅影響物理學(xué)研究，也對(duì)數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)等研究領(lǐng)域產(chǎn)生了影響。

最后，諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)對(duì)這次物理獎(jiǎng)做了一個(gè)總結(jié)：

自然界觀察到的大量現(xiàn)象都是無序的，而擁抱噪音和不確定性是通向可預(yù)測(cè)性的重要一步。

獲獎(jiǎng)人簡(jiǎn)介

最后，還是來簡(jiǎn)單介紹一下諾獎(jiǎng)大佬們過往的成績(jī)。

真鍋淑郎：氣候模型“教父”

真鍋淑郎以率先使用計(jì)算機(jī)模擬全球氣候變化和自然氣候變化而聞名，被譽(yù)為氣候模型“教父”。

他1931年出生于日本，今年90歲。

他在1958年獲得了東京大學(xué)的博士學(xué)位，隨后前往美國(guó)，為美國(guó)氣象局大氣循環(huán)研究部門工作，即現(xiàn)在的地球物理流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

1997年到2001年，他在日本全球變化前沿研究系統(tǒng)擔(dān)任全球變暖研究部主任。

目前，他是普林斯頓大學(xué)的資深氣象學(xué)家。同時(shí)，他也是美國(guó)國(guó)家科學(xué)院成員，日本科學(xué)院、歐洲科學(xué)院和加拿大皇家學(xué)會(huì)外國(guó)成員。

事實(shí)上，在摘下諾貝爾獎(jiǎng)之前，真鍋淑郎就已幾乎將世界上所有地球科學(xué)大獎(jiǎng)收入囊中。

比如2018年，真鍋淑郎就和Susan Solomon共同獲得了有地球科學(xué)界“諾獎(jiǎng)”之稱的克拉福德獎(jiǎng)。

克勞斯·哈塞爾曼：證明氣候變暖是人類排放的二氧化碳所致

克勞斯·哈塞爾曼是德國(guó)知名海洋學(xué)家和氣候建模研究者。

他最著名的成就是開發(fā)了將短期天氣和長(zhǎng)期氣候聯(lián)系起來的模型，并回答了為什么氣候模型在天氣多變且混亂的情況下仍然可靠的問題。

簡(jiǎn)單說，他的工作證明了全球氣候變暖確實(shí)和人類排放的二氧化碳有關(guān)。

哈塞爾曼同樣出生于1931年。

他1957年在哥廷根大學(xué)和馬克斯·普朗克流體動(dòng)力學(xué)研究所拿到物理學(xué)博士學(xué)位。

此后曾任漢堡大學(xué)理論地球物理學(xué)教授、馬克斯·普朗克氣象研究所創(chuàng)始主任、德國(guó)氣候計(jì)算中心科學(xué)主任等。

現(xiàn)在，他是歐洲氣候論壇副主席。

喬治·帕里西：“近幾十年來最具創(chuàng)造力和影響力的理論物理學(xué)家之一”

喬治·帕里西是今年3位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主中最年輕的一位。

他出生于1948年，今年73歲。

在摘下諾貝爾獎(jiǎng)之前，同樣是在今年，喬治·帕里西獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)——被認(rèn)為是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之外，物理學(xué)界最重要的獎(jiǎng)項(xiàng)之一。

彼時(shí)，其獲獎(jiǎng)理由是“在無序系統(tǒng)、粒子物理學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理學(xué)領(lǐng)域的突破性發(fā)現(xiàn)”。他也被認(rèn)為是近幾十年來最具創(chuàng)造力和影響力的理論物理學(xué)家之一。

再加上1999年的狄拉克獎(jiǎng)?wù)隆?016年的拉斯·昂薩格獎(jiǎng)?wù)碌鹊却螵?jiǎng)，帕里西此番可以說是實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)“大滿貫”。

此外，喬治·帕里西還是一位行動(dòng)主義者。近幾年，他一直領(lǐng)導(dǎo)著“Salviamo la Ricerca Italiana”運(yùn)動(dòng)，向意大利和歐洲各國(guó)政府施加壓力，要求他們資助基礎(chǔ)研究。

真實(shí)的物理世界，充滿難以用數(shù)學(xué)方法精準(zhǔn)描述的現(xiàn)象，但今年的獲獎(jiǎng)?wù)吆退麄円I(lǐng)的學(xué)科研究者們，都在帶領(lǐng)著人類穿過混沌，離真相更近一步。

而這，也就是科學(xué)的魅力所在吧。

參考鏈接：

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/press-release/

[2]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/popular-information/

— 完 —