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從無序中尋找真相,是今年的諾貝爾物理學獎兩個成果的共同點

1、引言

2021年的諾貝爾物理學獎由兩項成果、三人分享。Giorgio Parisi,義大利羅馬大學教授,獲獎理由是“發現了從原子到行星尺度的物理系統中無序和漲落之間的相互影響”,Syukuro Manabe和Klaus Hasselmann,分別來自美國籍普林斯頓大學和德國漢堡馬克斯普朗克氣象研究所,獲獎理由是“地球氣候的物理建模,量化可變性並可靠地預測全球變暖”。

從無序中尋找真相,是今年的諾貝爾物理學獎兩個成果的共同點

2021年諾貝爾物理學獎

今年的諾貝爾物理學獎,不是放射性相關,不是量子力學,也不是基本粒子,這佔了64%的三大領域。縱觀總共115次諾獎,今年的獲獎成果可以說是爆了個冷門。每年那麼多科研成果,他們憑什麼能夠獲獎?這兩個獲獎成果是否有關聯?

2、物理系統中的無序與漲落

Giorgio Parisi,粗看這個簡短的獲獎理由,從原子尺度到行星尺度,我以為這是典型的多尺度研究,在力學裡面也是非常前沿的研究熱點。同學們應該都知道,原子級別跟行星級別的物理特性並不一樣,原子級別可能需要用到量子力學的手段,而行星級別則需要牛頓力學就可以了。兩者分析方法不同,很難關聯起來。而多尺度分析,就是將不同尺度下的物體行為關聯起來,分析微觀的變化,究竟是如何引起宏觀的響應的。

從無序中尋找真相,是今年的諾貝爾物理學獎兩個成果的共同點

多尺度研究

粗略檢索了一下Giorgio Parisi的研究成果,可以說他的研究領域有點“雜亂”,量子場論、統計力學以及複雜系統。他的研究並不是我一開始以為的多尺度研究,而是

研究隨機雜亂的系統,從無序的系統中尋找規律

。用數學的方法,建立了相關的模型。而有了這個模型,我們就可以準確預測。

3、地球氣候物理模型

另外兩位獲獎者的獲獎理由更加易懂一些,他們建立了地球氣候的物理模型,能夠可靠的預測全球變暖。正是他們的研究,我們才知道二氧化碳是氣候變暖的元兇。更有了我國現在力推的“碳達峰”、“碳中和”,努力減少溫室氣體排放。這方面,其實還有很多人無法理解二氧化碳和全球變暖的關係,現在諾獎頒給他們,就是對這個科研成果最好的證明。

從無序中尋找真相,是今年的諾貝爾物理學獎兩個成果的共同點

碳中和與碳達峰

這個地球氣候物理模型那麼容易建立嗎?如果是那種大氣壓力隨高度變化這樣的簡單模型,當然非常容易。但是,如果再考慮溫度、溼度、緯度等等因素對大氣壓力的影響,這個模型就變得複雜起來了。即便如此,這個有關大氣壓力的模型,我們可以透過實驗改變溫度、溼度、緯度來獲得。但是地球氣候物理模型,一方面影響因素眾多,另一方沒辦法透過實驗室實驗。所以,他們搞了一輩子,才算搞明白一些。

4、總結

無論是Parisi,還是Manabe和Hasselmann,他們的研究成果都有一個共同點:

都是從複雜無序的系統中尋找真相,都是利用數學的方法建立了物理模型,都能夠可靠地預測後續的結果

。所以,本屆諾獎頒給了他們。