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2021年诺贝尔物理学奖

本文作者:石油醚

导读

2020 年诺贝尔物理学奖将一半颁给了罗杰·彭罗斯 (Roger Penrose)以表彰其给出的黑洞形成的证明,并成为广义相对论的有力证据。另一半由赖因哈德·根策尔 (Reinhard Genzel)、安德烈娅·盖兹 (Andrea Ghez)共享,表彰他们在银河系中心发现超高质量高密度物质。今年的诺贝尔物理学奖于10月5日北京时间17点45分在瑞典首都斯德哥尔摩皇家科学院揭晓,诺贝尔奖委员会将2021年诺贝尔物理学奖一半授予真锅淑郎(Syukuro Manabe)和克劳斯·哈塞尔曼(Klaus Hasselmann),他们因对“地球气候的物理建模、量化可变性和可靠地预测全球变暖”的开创性贡献而获奖;另一半奖项被授予乔治·帕里西(Giorgio Parisi),他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互作用”。

图 1 2021年诺贝尔物理学奖得主

获奖理由:

三位获奖者因对混沌和明显随机现象的研究而分享了今年的诺贝尔物理学奖。 Syukuro Manabe和 Klaus Hasselmann 为我们了解地球气候以及人类如何影响气候奠定了基础。Giorgio Parisi因其对无序材料和随机过程理论革命性的贡献而获奖。

深度解析:

复杂系统具有随机性和无序性,使人难以理解。今年的诺贝尔物理学奖表彰了三位科学家长期在描述和预测复杂系统方面的新方法。

地球的气候对人类的生存至关重要的一环,并且也是人类发展的复杂系统。早在上个世纪60年代,真锅淑郎(Syukuro Manabe)在地球气候物理模型的开发领域做出了贡献,是在探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的第一人(图 1)。Syukuro Manabe展示了大气中二氧化碳含量的增加是如何导致地球表面温度升高的(图 2)。因此,他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。

图 2 真锅淑郎的气候模型

大约10年后,Klaus Hasselmann建立一个将天气和气候联系在一起的模型(图 4),从而回答了复杂多变天气情况下气候模型仍然可靠的问题。他开发了通过特定信号以及指纹等方法来识别自然现象以及人类活动留下的印记,其方法已经被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳所导致的。

在1980年,Giorgio Parisi在无序的复杂材料中发现了隐藏的模式(图 5)。他的发现是对复杂系统理论最重要的贡献之一。该发现使理解和描述许多不同的、显然完全随机的材料和现象成为可能,不仅在物理领域,而且在其他非常不同的领域同样适用,如数学、生物学、神经科学和机器学习。

图 3 二氧化碳与温度的关系

图4 Klaus Hasselmann气候模型

图 5 复杂无序系统的模型

“今年被认可的发现表明,基于坚实的科学基础以及观测数据的严格分析,使得我们了解地球气候以及人类如何影响气候奠定了基础。今年的获奖者都为我们深入了解复杂物理系统的特性和进化做出了贡献,”

参考文献:

  1. The Nobel Prize in Physics 2021

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