諾貝爾獎｜助了解全球暖化破「複雜系統」日德意三雄分享物理學獎

2021年度諾貝爾獎周二公布第二個獎項——物理學獎，由90歲美籍日本氣象學家真鍋淑郎(Syukuro Manabe)、89歲德國氣象及海洋學家哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)，以及意大利73歲理論物理學家帕里西(Giorgio Parisi)獲得。三人的研究令看似變幻莫測的氣候以及全球暖化趨勢，變得有跡可尋。他們將分享1,000萬瑞典克朗(約892萬港元)獎金，帕里西獲當中的二分一，真鍋淑郎及哈塞爾曼平分其餘一半。

真鍋淑郎及哈塞爾曼的研究直接與氣候及全球暖化有關，負責評選的瑞典皇家科學院讚揚二人「建立地球氣候的物理模型、量化其可變性並可靠地預測全球暖化」(for the physical modelling of Earth’s climate, quantifying variability and reliably predicting global warming)。

地球氣候屬「複雜系統」充滿隨機性

帕里西的研究則涉及物理學理論，學院讚揚他「發現了從原子到行星尺度的物理系統中，無序和波動的相互作用」(for the discovery of the interplay of disorder and fluctuations in physical systems from atomic to planetary scales)，指帕里西為「無序物質」(disordered materials)及「隨機過程」(random processes)理論帶來「革命性的貢獻」，有助人類了解地球氣候此「複雜系統」(complex system)，且其理論應用範圍不局限於氣候。學院稱，「複雜系統」由多個互有連繫的不同部分組成，特徵是充滿隨機性、混亂無序及難以理解，地球氣候正是其中一種，無數空氣分子互撞互動，形成不同天氣。

真鍋淑郎逾60年前揭二氧化碳致升溫

真鍋淑郎早在逾60年前，已探討如今無人不知的狀況︰揭示大氣層的二氧化碳水平提高，會令地球地面升溫。他在六十年代牽頭開發地球氣候的物理學模型，且是探索輻射平衡(radiation balance)與氣團(air mass)內垂直活動關係的第一人，其研究為現今使用的氣候模型奠下基礎。

至於哈塞爾曼，他在約10年後創建把天氣(weather)及氣候(climate)聯繫起來的模型，解釋了為何天氣多變且混亂，但氣候模型依然可靠。他亦開發了識別自然現象及人類活動在氣候中留下特定信號，即「指紋」(fingerprints)的方法，令科學家得以證明大氣溫度上升，是因人類排放的二氧化碳所致。

帕里西從「自旋玻璃」發現亂中有序

帕里西則在1979年發現「無序物質」其實「亂中有序」。他從「自旋玻璃」(spin glass)——一種磁性合金——的研究中，開闢了新天地。「自旋玻璃」裡面的鐵及銅原子的相互反應，跟正常磁鐵「同性相距、異性相吸」不同，會不規則地各自指向不同方向，即出現「阻挫」(frustration)。帕里西發現，這些鐵銅原子的「亂咁轉」其實有跡可尋，並以用數學公式形容。學院指這是對「複雜系統」理論的最大貢獻之一，有助了解及說明林林總總看似隨機的物質及現象，包括氣候，亦可應用在數學、生物學、神經科學及人工智能上。