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金山人語/諾貝爾物理獎給了三位長者

2021年諾貝爾物理獎的榮譽,歸予三位平均84歲的科學家。日本籍真鍋淑郎(Syukuro Manabe),90 歲;德國籍Klaus Hasselmann,兩周後90歲;義大利籍Giorgio Parisi,年經的長者,73 歲。他們早年做的基礎建設,讓我們今天有能力面對複雜的挑戰。真鍋與Hasselmann奠定了地球氣候的知識基石,以及人類如何參與其中;Giorgio Parisi對雜亂無序、隨機互動的現象,找出隱藏規則的理論,廣用各個領域,包括氣候變化。

真鍋淑郎,在1950年代已經是日本的年輕氣象物理學者,移居美國後繼續他的研究,就是二氧化碳(CO2)的增加讓溫度上升的現象。這一現象,我們現在看成理所當然,但60年前並無法證實,而當年的研究著重輻射平衡,也就是太陽照射到地球的能量、與從地球返回太空能量的比例。現在當然知道不平衡,包括CO2的溫室氣體把排放太空的熱能(紅外線)困住,就讓地球變熱,真鍋教授可以說是最早把CO2與地球暖化連結的科學家。

真鍋的團隊用大氣對流垂直移動的空氣質量,以及水蒸氣的潛在熱能,發展一個物理模型,為了計算的簡便,僅用一個垂直尺度,從地面到40公里的大氣層。經過數不清的運算,不同氣體程度的變化,發現氧氣與氮氣對地面溫度影有限,而CO2則有明確的衝擊。1967年發表論文,指出CO2減半溫度下降2.28℃,而CO2加倍溫度就升高2.36℃。

這一結果奠定了熱與CO2的關連,以後幾十年的新運算,結果也是一致,而當時的電腦緩慢,所建購的模型雖然簡單,但關鍵的特徵正確,真鍋教授說,你必須永遠簡化,你不能與大自然的錯綜交織競爭,他的研究成果被評為氣候變化的先鋒。

Klaus Hasselmann的成就在結合天氣(Weather)與氣候(Climate)。我們知道,天氣是短暫的變化,急風驟雨來去匆匆,而氣候是長期、平穩的方向變化。要準確的預測氣候,天氣的隨意變化就必須考量,這位學者就設計了一個隨機變化性的模型,把變化慢的「氣候」元素,如海洋、冷凍圈、土地,做為整合支柱,把變化快的「天氣」元素如大氣,看成類似布朗運動(Brownian Motion)的隨機單元,這個模型就預測了連續的氣候變化性。Hasselmann在1976年發表論文,公布了隨機氣候模型。

Hasselmann教授另一個成就,是找出人類對氣候系統的關連。他從觀察與模型的考量,發現有許多類似干擾的信號,像是輻射的改變、火山噴射的顆粒、溫室氣體的排放,都會留下特定的信號,或是手印,而且有辦法分辨這些手印。於是他就設計方法,找出了人類對氣候的影響,奠定了後來對氣候變化的研究,進一步追蹤人類衝擊氣候的根源。現在的天氣模型發展的越為精細,像是偵測到從19世紀中葉大氣中的CO2就增加了40%,過去150年地球溫度增加了1℃。

真鍋與Hasselmann兩位科學家用物理方法奠定基礎,證實地球一天天變熱,是因為大氣中的溫室氣體,這不單獨是自然現象,而是人類的排放要負大部分責任。

Giorgio Parisi是理論物理學家,研究的領域與氣候也許沒有直接關係,但他從複雜系統找到隱藏的規則,為無解的現象找到出路。我們通常說的所謂系統,大概都是簡單的結構,是許多相同零件的聚合,零件之間依一致、可預期的規則互動。但複雜系統中的零件在本質上都不相同,之間的互動不但不同、也不可預期,而外在環境也變化莫測。Parisi教授曾在他書裡說就像看莎士比亞一齣悲劇,一個人想同時跟另外兩個人作朋友,而這另外兩個人卻是仇敵,舞台上這三個人就感到挫折(Frustrate)。

教我們感到挫折的複雜系統隨處可見,地球的氣候就是一例,但Parisi教授認為假以時日,複雜系統就會記憶其軌跡,有時候卻屈就於「次好」的情況,而「挫折」了一段較長的時間。所以他用了一個「副本」(Replica)的方法,把系統複製很多次,然後比較不同副本的運作,多次以後,隱藏的規則就會浮現。這一方法經過多年的實驗,證實了數學上的正確,能可靠的預測複雜系統的統計特性,應用除了物理學,更可用在數學、生物學、神經科學與機器學習,因為這些領域都直接相關「挫折」。

Parisi教授的一位學生說,他老師的基礎工作對地球氣候更具意義,與老師同享諾貝爾榮譽的兩位氣象學家,或可藉這一突破,讓現在的氣候模型更能展現地球暖化。

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