无心插柳，我们意外预言了物理诺奖的主题

撰文｜倪忆

北京时间10月5日下午5:50左右，2021年诺贝尔物理学奖揭晓。这一年的颁奖主题是“对我们理解复杂物理系统的开创性贡献”。一半奖金授予意大利理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi，1948— ），理由是“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和波动的相互作用”。另一半则由两位90岁的老爷子，普林斯顿大学的日裔美籍气候学家真锅淑郎（1931— ）和德国马克斯·普朗克气象研究所的海洋学家和气候建模师哈塞尔曼（Klaus Hasselmann，1931— ）分享，其获奖原因是“物理模拟地球气候，量化变化和可靠地预测全球变暖”。

左起：真锅淑郎、哈塞尔曼、帕里西

最近几年，物理诺奖可谓冷门迭爆，打破了许多常规。过去四年里，2017年（引力波探测），2019年（系外行星和宇宙学），和2020年（黑洞）的获奖工作都跟天文和天体物理有关。2017年第一次有人（巴里什，Barry Barish，1936— ）纯粹以科学工程管理者身份获奖。2020年，首次奖励纯数学工作（彭罗斯，Roger Penrose，1931— ）。2018年，默默无闻的学生（斯特里克兰，Donna Strickland，1959— ）和导师一同获奖，也十分罕见。

诺贝尔奖只颁发给物理、化学、生理学或医学、文学、和平五个领域。（诺贝尔经济学奖并非正统的诺贝尔奖，其全名为“瑞典中央银行纪念阿尔弗雷德·诺贝尔经济学奖”。）为了弥补诺贝尔奖的空白，瑞典皇家科学院设立了“克拉福德奖”，轮流颁发给天文学、数学、地球科学、和生物科学（注重于生态学和多发性关节炎）四个领域。既然是为了弥补空白，克拉福德奖得主往往被认为不再有机会获得诺贝尔奖。这一规律也在近年被打破：2019年的皮布尔斯（Jim Peebles，1935— ），2020年的根策尔（Reinhard Genzel，1952— ）和盖兹（Andrea Ghez，1965— ），以及今年的真锅淑郎，此前都获得过克拉福德奖。难道诺贝尔奖准备入侵克拉福德奖的传统领地了？

预测诺奖可以说十分困难，这也更吸引大家去尝试。就拿今年来说，帕里西获奖不乏人能预测到，（例如复旦大学的施郁老师，）所以媒体很快就能放出对他的详细介绍。但另外两位获奖者，让几乎所有人都大跌眼镜。事实上，这是诺贝尔物理学奖有史以来第一次颁发给大气物理。

笔者并非物理领域的专业人士，无意对诺奖作预测。不过，我们在诺奖周期间发表的两篇文章《〈三体〉故事，源于一个价值千金的错误》和《“诺贝尔的敌人”与诺贝尔奖的荣辱》却意外地触及了今年物理诺奖的主题，可以说是非常巧合了。

在《〈三体〉故事，源于一个价值千金的错误》一文中，我们讲述了庞加莱发现混沌现象的故事。原文中写道：
“庞加莱发现，即便对于他所考虑的这种特殊情况的三体问题，初始值的微小扰动也会带来运动轨迹的巨大变化，使得精确预测近乎不可能。这就是后世所说的“混沌”现象，又被称作“蝴蝶效应”，庞加莱则成为发现混沌的第一人。”

今年物理奖主题是“复杂物理系统”，而很多复杂物理系统都会产生混沌现象。除了多体问题，最著名的混沌系统就是天气预报。“蝴蝶效应”一词便是由气象学家洛伦兹（Edward Lorenz，1917—2008）提出：“一只蝴蝶在巴西轻拍翅膀，可以导致一个月后德克萨斯州的一场龙卷风。”洛伦兹1963年发表在《大气科学杂志》上的论文《决定性非周期流》是混沌学的奠基性文献，其中出现的洛伦兹吸引子是相关领域的重要模型。由于其卓越成就，洛伦兹在1983年获得了地球科学领域首次颁发的克拉福德奖。我们在《出名要趁早？94岁的新科女院士，41岁才获得博士学位》一文中介绍过的女数学家伯曼（Joan Birman，1927— ），对洛伦兹吸引子的研究有许多贡献。

适当调整参数后，洛伦兹吸引子的形状就像一只美丽的蝴蝶。这完全是巧合

本次获奖者真锅淑郎和哈塞尔曼主要贡献之一是“物理模拟地球气候”。当然，对气候变迁的模拟跟天气预报还不太一样，但只是时间和空间的尺度不同，在局部上仍然具有一定的混沌现象。

真锅淑郎和哈塞尔曼的工作可靠地预测了全球变暖。在《“诺贝尔的敌人”与诺贝尔奖的荣辱》一文中，我们讲述了阿伦尼乌斯（Svante Arrhenius，1859—1927）与居里夫人（Marie Skłodowska Curie，1867—1934）之间的恩恩怨怨。文中对阿伦尼乌斯介绍如下：

“阿伦尼乌斯是物理化学这门学科的奠基人之一。他解释了电解质溶液的导电原理，研究了温度对化学反应速率的影响，并首次用物理化学方法证实了二氧化碳的温室效应。他是物理奖评委，以及化学奖事实上的评委。从诺贝尔奖首次颁发的1901年起，他连续三年被同时提名物理奖和化学奖。”

阿伦尼乌斯在1903年获得诺贝尔化学奖。

阿伦尼乌斯

温室效应最早由法国数学家和物理学家傅立叶（Joseph Fourier，1768—1830）在1824年提出，后来一些学者又作了进一步研究。阿伦尼乌斯在1896年，使用物理化学的基本原则，第一次对二氧化碳在大气层中浓度升高导致的地球表面升温作了定量计算。他提出的公式

至今仍在使用。其中C₀是初始时刻的二氧化碳浓度，C是其后某个时刻的二氧化碳浓度，α是一个待定系数，ΔF是这一段时间内温度的增加值。受阿伦尼乌斯的影响，他的同事埃克霍尔姆（Nils Ekholm，1848—1923）在1901年首次用“温室”一词来描述大气的热量存储与再辐射。

1902年报纸上对阿伦尼乌斯温室效应理论的报道

阿伦尼乌斯的结论受到了另外一位瑞典物理学家克努特·埃格斯特朗（Knut Ångström，1857—1910）的批评，后者展示了相反的实验证据。双方展开了一场论战，最后证明阿伦尼乌斯是正确的。尽管如此，埃格斯特朗的批评对于温室效应理论的发展完善起到了重要作用。

埃格斯特朗出身名门，他的父亲安德斯·埃格斯特朗（Anders Jonas Ångström，1814—1874）是光谱学的奠基人，长度单位“埃”（即10^-10米，符号Å）就是为了纪念安德斯。埃格斯特朗和阿伦尼乌斯一样，从1901年起担任诺贝尔物理奖评委。1905年起，埃格斯特朗担任物理奖评委会主席。

我们在《“诺贝尔的敌人”与诺贝尔奖的荣辱》一文中讲到米塔格-列夫勒（Gösta Mittag-Leffler，1846—1927）等人在1910年提名庞加莱（Henri Poincaré，1854—1912）获诺贝尔奖的努力。为了增加庞加莱的获奖机会，伦琴（Wilhelm Röntgen，1845—1923）把庞加莱同埃格斯特朗一起打包提名。在评委会讨论时，埃格斯特朗已经病逝，但当时规则允许颁发给提名时尚在世的逝者。评委会最终推荐的获奖人选是埃格斯特朗和范德华（Johannes Diderik van der Waals，1837—1923），而科学院全体投票只通过了范德华。

阿伦尼乌斯和埃格斯特朗为气候变迁研究作出了重大贡献。但这一研究当年受到的认可度不高，他们也未能（因这一研究或其它工作）获得诺贝尔物理学奖。回顾历史，诺贝尔物理学奖评委会今年颁奖给真锅淑郎和哈塞尔曼，完全符合诺贝尔遗嘱中奖励给“为人类作出杰出贡献的人”的精神，某种意义上也是在致敬百年前的评委会先辈。可谓不忘初心，百年梦圆。