2021年诺贝尔物理学奖揭晓，由3位科学家分享

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2021年诺贝尔物理学奖揭晓，由3位科学家分享

来源：微信公众号“科学网”
2021-10-05 17:59:57

北京时间10月5日下午5点50分许，瑞典皇家科学院决定将2021年的诺贝尔物理学奖授予日本籍科学家Syukuro Manabe、德国科学家Klaus Hasselmann和意大利科学家Giorgio Parisi，以表彰他们“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。

2021年的诺贝尔奖单项奖金为1000万瑞典克朗（约合736万元人民币）。

过去6年诺贝尔物理学奖得主名单

2020年——英国科学家Roger Penrose获奖，获奖理由是“发现黑洞形成是广义相对论的一个有力预测”；另外两位获奖者是德国和美国科学家Reinhard Genzel、Andrea Ghez，获奖理由是“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。

2019年——美国科学家James Peebles获奖，获奖理由是“在物理宇宙学的理论发现”；另外两位获奖者是瑞士科学家Michel Mayor和Didier Queloz，获奖理由是“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”。

2018年——美法加三位科学家Arthur Ashkin、Gerard Mourou和Donna Strickland获奖，获奖理由是“在激光物理学领域所作出的开创性发明”。

2017年——三位美国科学家Rainer Weiss、Barry C. Barish和Kip S. Thorne获奖，获奖理由是“对LIGO探测器和引力波观测的决定性贡献”。

2016年——英美三位科学家David J. Thouless、F. Duncan M. Haldane、J. Michael Kosterlitz获奖，获奖理由是“理论发现拓扑相变和拓扑相物质”。

2015年——日本科学家Takaaki Kajita和加拿大科学家Arthur B. McDonald获奖，获奖理由是“发现了中微子振荡，表明中微子具有质量”。

   

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网评摘一：

Syukuro Manabe不是日本籍，是美国日裔气象学家真锅淑郎，美国普林斯顿大学气象学家。这是个全球变暖是应景的诺贝尔奖，到底够的上够不上，不好说。

乔治·帕里斯是罗马第一大学的理论物理学教授，他的研究集中在量子场论、统计力学和复杂系统上。

他的父亲和祖父都是建筑工人，年轻的帕里斯被鼓励成为一名工程师。相反，帕里斯被他在通俗科学、科幻小说和数学书籍中读到的复杂的问题所吸引，并将物理学视为在最高水平上发挥智力挑战的地形。帕里斯1970年在尼古拉·卡比博的指导下以最短的时间毕业于物理学系。他的成就跨越了许多现代物理学领域，甚至是生物模型领域。他著有许多书籍、文章和观点，开拓了新的研究领域。

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。他的工作对物理科学的各个分支产生了巨大的影响，涉及粒子物理、临界现象、无序系统以及最优化理论和数学物理。1977年，帕里西发现的演化方程，可以精确地描述夸克和胶子在质子和原子核内部的分布。帕里西的工作对于通过元素粒子的高能散射在尽可能小的距离尺度上分析物质的基本结构是不可或缺的。他的研究结果被用于准备和分析大型哈顿对撞机（LHC）的实验，用于暗物质的搜索，并且今天被用于未来环形对撞机的计划实验中。

在1979年至1984年的另一系列开创性著作中，帕里斯引入了复制对称性破缺的概念，并将其应用于不存在简单序参量的“自旋玻璃”（theSherrington-Kirkpatrick）模型中。他非凡的直觉使他发现了生锈的自旋玻璃相的非遍历性，在那里存在着许多对称性无关的纯态，具有高度非平凡的超尺度结构。

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科普：他们揭示了“复杂物理系统”背后的奥秘——2021年诺贝尔物理学奖成果解读

2021-10-05 23:51

新华社北京10月5日电（记者彭茜）物理学世界存在着很多“复杂系统”，大到多变的天气，小到金属中的原子运动……它们混乱随机，令人难以揣摩。而2021年诺贝尔物理学奖就授予了三名科学家，以表彰他们对“理解复杂物理系统做出的开创性贡献”。

对人类至关重要的一个复杂系统正是我们的地球气候。日裔美籍科学家真锅淑郎和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼的工作为人类对气候的认知打下了坚实的科学基础。

如今，二氧化碳等温室气体是导致地球大气升温的“罪魁祸首”这一认知已经为大众所熟知，但正是真锅淑郎论证了大气中二氧化碳浓度增加如何导致地球表面温度的升高。20世纪60年代，他领导了地球气候物理模型的开发，是第一个探索辐射平衡和气团垂直输送之间相互作用的人，他的工作为建立气候模型奠定了基础。

当代气候模型是基于物理法则，并从天气预测模型演变而来。天气由温度、降水、风或云等气象指标描述，并受海洋和陆地事件影响，气候模型是基于天气计算的统计属性，如平均值、标准偏差、最高和最低测量值等。比如，气候模型无法明确告诉我们明年12月北京的天气情况，却能告诉我们那个月北京的平均气温和降雨量。

气候模型不仅有助于理解气候，也有助于理解人类造成的全球变暖。为了解二氧化碳水平增加如何导致气温升高，真锅淑郎把空气团因对流而产生的垂直输送以及水蒸气的潜热纳入其中。为方便计算，他构建了一个一维模型，深入到大气层中40公里，并通过改变大气中气体的浓度来测试模型。他发现，氧和氮对地表温度影响可忽略不计，而二氧化碳的影响则很明显：当二氧化碳水平翻倍，全球温度上升超过2摄氏度。

天气是混乱多变系统的经典例子，为何气候模型依然可靠呢？在真锅淑郎的研究约10年后，克劳斯·哈塞尔曼创建了一个将天气和气候相关联的模型，回答了这一问题。

哈塞尔曼将混乱变化的天气现象作为快速变化的噪音纳入计算，并证明这种噪音如何影响气候，从而为长期气候预报奠定了坚实科学基础。受爱因斯坦有关布朗运动的理论启发，他创建了一个随机气候模型，证明了快速变化的大气实际上会导致海洋缓慢变化。

哈塞尔曼还开发出可识别人类对气候系统影响的方法。他发现，气候模型以及观测和理论考量，均包含了有关噪音和信号特性的充分信息。例如，太阳辐射、火山有关颗粒或温室气体水平的变化会留下独特的信号和印记，可被分离出来。这种印记识别方法也可应用于研究人类对气候系统的影响，为进一步研究气候变化扫清障碍。

与真锅淑郎和哈塞尔曼相比，意大利科学家乔治·帕里西的研究更聚焦于微观尺度。1980年左右，他发现了明显的随机现象如何受隐秘法则的支配，奠定了复杂系统理论的基石。

帕里西的研究与一个有趣的概念密切相关——“自旋玻璃”。这可不是一种玻璃，而是指磁性合金材料的一种亚稳定状态。“自旋玻璃”是一种超复杂和混乱的系统，如果我们观察一种“自旋玻璃”合金材料中的原子运动，就会发现当中的铁原子和铜原子随机混合。材料中占比很少的铁原子以一种令人迷惑的方式改变了整个材料的磁性，每个铁原子都相当于一个小磁铁，即一个“自旋”，同时受到身边其他铁原子影响。在普通磁铁中，所有“自旋”都指向同一个方向，而在“自旋玻璃”中，它们会“受挫”，有些“自旋”试图指向同一个方向，而另一些则完全指向相反的方向。

“研究‘自旋玻璃’就好像观看莎士比亚所写的人类悲剧，”帕里西说，“如果你想和两个人同时交朋友，但他们彼此厌恶，这就令人受挫。”

“自旋玻璃”为研究复杂系统提供了物理模型。1979年，帕里西取得突破性进展，成功利用一种名为“副本戏法”的数学工具描绘 “自旋玻璃”问题。这一方法后来也被用于很多复杂系统研究。

帕里西的开创性发现使理解和描述许多不同的、显然完全随机的复杂材料和现象成为可能，不仅对物理学影响深远，也给数学、生物学、神经科学和机器学习等领域的研究带来启示。