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(lái)源：量子位

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量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

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停炕渥儺愋圆⒖煽康仡A(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(wú)序和漲落的相互作用。

也就是說(shuō)，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(shuō)：

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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)改變空氣的組成來(lái)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(yáng)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(wàn)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(shuō)，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(lái)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(kāi)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(wèn)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(shuō)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(kāi)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(guò)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(wú)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(lái)簡(jiǎn)單介紹一下諾獎(jiǎng)大佬們過(guò)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(kāi)發(fā)了將短期天氣和長(zhǎng)期氣候聯(lián)系起來(lái)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(wèn)題。

簡(jiǎn)單說(shuō)，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(lái)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(wú)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(lái)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(shuō)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(guò)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 —