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2021年诺贝尔物理学奖得主们弄了些啥,貌似你也行?

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发表于 2021-10-8 12:30:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
品质源于技术 服务源于态度
这是阿什卡微信公众号第915篇原创文章
首发于2021年9月7日




1、貌似没啥了不起


2021年诺贝尔物理学奖,颁给了三个科学家,表彰他们“对理解复杂系统的开创性贡献”。引号里,至少传递出两个意思:


首先,复杂系统是很难理解的,以前人类理解的很不到位。


其次,三位的贡献让人类对复杂系统的理解上了个新台阶。


具体啥贡献呢?


真锅淑郎(美国)、克劳斯·哈塞尔曼(德国),这两位“对地球气候的物理建模,量化变异性并可靠地预测全球变暖”,得了一半奖金。


乔治·帕里西(意大利),他“发现从原子到行星尺度的物理系统的无序和涨落的相互影响”,得了另一半奖金。


乍一看,这也没啥了不起的呀:原子、行星等物质的相互影响,牛顿三定律说的清清楚楚啊,我高中就会了。预测全球变暖就更简单,我也会——二氧化碳是温室气体,人类的能源消费量越来越大,二氧化碳排放量也越来越大,所以全球一定变暖嘛!


瞧,这就是完全不理解复杂系统的简单思路。


假如地球像玻璃球那样单纯,大气层只有二氧化碳的量在变大,那么,刚才这套推断是没问题的。


然而地球是个复杂系统,温度变化的因素海了去了。二氧化碳这个单一因素的微量变化,会不会起主导、决定性作用,那是很难搞清楚的,而做到量化、可靠地预测,就是难上加难了。至于物质之间相互影响,就算简化到物体都是质点,相互之间只有纯洁的引力,也只能搞定两体运动,再多一体都搞不定,这就是难倒人类几百年的三体问题。然而三体还远远称不上复杂系统。


2、什么是复杂系统


你高考答的物理题,那些弹簧、小球、斜面、抛物线、重力加速度……无论组合得多复杂,也只需简单的几何代数手法,跟F=ma扯上关系,就可以算出小球的状态。因为,这都是理想化的简单系统。


但现实世界永远不会这么简单,我们只聊两点体会一下:


一是复杂无处不在。比如最简单的一只气球,里面有无数个空气分子——无数体。你随便指定一个分子,人类都没有能力算出它下一秒在哪儿。因为,每个分子都是各种速度、各种角度,横冲直撞,相互影响。情况太复杂,你没法测量分子们的状态,也没法列出那么多方程,列出来了也求不出解,超出了我们的测量、计算能力。这就是复杂系统。显而易见,气球里的空气,只是最单纯、最小的一种复杂系统。


二是随机无处不在。小尺度的比如:分子做热运动,会发射电磁波,影响其他分子的运动,而电磁波的方向是随机的。大尺度的比如:没有两片相同的树叶,也没有两处相同的地形——为啥呢,既有微观随机因素的影响,也有复杂系统本身随机性质的交互影响。


打个比方,对面走来20岁的苏菲玛索or八两金,伊没看你,更没碰你,却可以微妙地改变你的脚步,因而改变你之后的一切时空关系——脚踩哪块地、擦肩哪个人……这个微妙的影响,最终会传递到整个世界。


现在我们可以脑补一下,大气层该有多复杂:量大,密度不均,纬度变化与温度,水系分布与湿度,生态系统,地形,尘埃,等等,各种因素的微妙变化,都在影响大气运动状态。


这种情况下,想从微观入手,通过掌握每个分子的运动状态,来精确掌握它们的宏观运动,那就是痴人说梦了。


那可怎么办呢?



3、看整体


没人想不到看整体,也没人不想掌握整体,小到人体,大到宇宙,全世界古人,最早都主张过:看整体,看整体......但要做到可量化计算、可重复验证、可靠地预测,就难如登天了。


所以,看整体,是一个知易行难的主张。


就好比炒股、买理财、投资P秃P,就算是猪,都会主张:要买将来看涨的、肯定能兑现的。但是请问,谁会涨,涨多少,啥时候涨,谁肯定兑现?这就难比登天了。是的,人类社会的一切,都是复杂系统,包括每个人本身。


回到那个气球,里面一堆乱哄哄的空气分子,你怎么看整体?拿在手里盘出包浆么?


科学家的办法是,从微观出发,搞了几个可以观测的宏观量,比如:


体积:分子们共同占据的空间。


压力:分子们乱动乱撞,对接触物造成的一种垂直接触力。


温度:分子们热运动的烈度,振动越剧烈,就是温度越高。


内能:分子热运动能量总和的统计平均值。很显然,物体的质量、体积、形态不变的情况下,温度越高、内能就越大。


如此这般,再假设这个气球中,每个分子的状态,都有相同的可能性,简单讲就是假设它们概率均等——这就把微观与宏观态,对应起来、联系起来了。


从这个思路出发,就可以发展出“整体看问题”的物理学了。只需几个宏观量,就可以愉快地玩耍可观测、可计算的老游戏了。


有点科学精神的同学可能会问:这个思路,比如这个假设、这些宏观量,靠谱吗?


靠谱。


科学家们从微观态出发,理论推导出了宏观量,研究大量粒子的宏观统计规律,发展出了统计物理学。又从测量出发,利用实验的方法,确定了宏观量,研究能量转化等宏观规律,发展出了热力学……微观、宏观连接严密;理论、实验相互印证。


当然,这些学科之间,不是独立的,而是你中有我、相互成就的。我们看一眼作出贡献的部分科学家名单,体会一下有多头疼就好:麦克斯韦、玻尔兹曼、吉布斯、达朗贝尔、拉格朗日、哈密顿、雅克比、托马斯·扬、科里奥利、卡诺、迈尔、亥姆霍兹、克劳修斯、焦耳、开尔文、能斯特、普朗克、爱因斯坦……


有了他们的工作,我们不用去追踪单个的粒子,就可以研究分子运动、流体运动,就可以设计蒸汽机、内燃机、冰箱空调航天器,就知道研究永动机纯属浪费公共资源。


人类进入工业社会,离不开这些学科的支撑。


如此,复杂系统的问题,貌似就迎刃而解了?现实哪有那么便宜!


4、混沌


大概70年前,图灵等科学家发现,一个复杂系统,就算是最简单的东西,只遵守最简单的规则,并且很方便用公式来表示,不用包括概率,也会自发地产生不可预测的现象。


啥叫“自发”呢?就是不劳别人干涉内政,俺自己就可以突变——莫名其妙地大起大落。


比如用公式模拟奶牛花纹的形成,你知道它肯定能成奶牛花纹,但花纹啥时候出现,出现后的具体形状、大小,它完全无法预测,是随机的。现实正是如此,你找不到两片一样的奶牛花纹。


遵循简单规律,演化出复杂、有规律、但无法准确预测的结果,这种动态系统,在自然界普遍存在。或者说,它就是自然。


最简单的,比如风吹黄沙,你知道会形成有规律的沙浪、沙丘,但啥时候形成,具体啥形状,你无法预测。即使放在实验室,同样的风,吹同样的沙,也绝不会组成一模一样的沙浪。同样的种子,种在同一片土地,也长不出同样的树枝。就算是一个精子与一个卵子结合、分裂,在同一个子宫孕育的同卵双胞胎,也不会一模一样。


大概60年前,美国气象学家洛伦兹等科学家发现,在一个复杂系统中,即使某个条件只发生极微小的变化,它的影响也会随着系统的发展,被不断放大,从而对整个系统的演化,产生巨大的影响,促成完全不同的、无法预期的结局。


对这个现象,洛伦兹科普道:一只南美洲亚马孙河流域热带雨林中的蝴蝶,偶尔扇动几下翅膀,可能在两周后引起美国德克萨斯的一场龙卷风。


这就是著名的蝴蝶效应。混沌理论从这里生根发芽了。地球、水体、大气……都属于混沌系统。


世界上有多少蝴蝶?有多少比蝴蝶扰动小、扰动大的事物?没人知道。


好吧,总结一下,在一个复杂系统中:


首先,就算是条件都是决定性的,也会产生随机的结果,无法预测。


其次,粒子的很多行为本身就是随机的,它们的微小变化也就无从预测。


再次,每个微小变化都会影响整个系统的最终结果。


又次,每个复杂系统所处的环境也是随机的,比如水体、大气流动过的地形等等。


这就是混沌系统。交给你,你怎么玩儿?


聊到这儿, 对于量化、可靠地预测复杂系统有多难,我们算是管中窥豹了。


天气就属于混沌系统。这就是为什么,即使对地球大气,进行全方位、立体式、密集广泛的实时观测,跟踪计算,我们也无法精确预测天气。


短期的比如明天哪里下雨,下多大,温度多高,准确率还算有实用价值。至于下周此时此地下不下雨、降水量、温度多少,那就只能像股评节目一样参考了。


不然,这个国庆假期的第4天,我国北方遭遇冷空气和暴雨的双重暴击,怎么会令广大游客猝不及防呢?

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所以,摸清粒子们凑在一起时的行为,就非常重要了。


5、乔治·帕里西干了啥


不同的物质,在不同的温度、压力等条件的变化下,会在气体、液体、固体等不同物态间切换。粒子凝成固体,通常是晶体。晶体的粒子排列有规律。但有些时候,比如温度骤降或压力暴增,粒子快速凝结在一起,排列不规则,无序,这就是非晶体,玻璃就是一种典型的非晶体。




帕里西的研究,简单讲叫“自旋玻璃”。这里的玻璃,指的是无序性质。这里的自旋,指的是磁自旋。磁极的指向,就是它的方向。


在铁磁性物质中,磁自旋多指向同一个方向。


在反铁磁性物质中,相邻的磁自旋交错反向排列。


以上两种都有序。


而自旋玻璃,是一种特殊的金属合金,比如,把铁原子,随机混合到铜原子的网格之中。它的磁自旋方向就是随机的,无序的。


这样搞法,即使只有几个铁原子,它们也会相互干扰,彻底改变材料的磁性——找到它们的行为规律,对于理解这些无序状态下的群体行为,非常重要。


1975年,大卫·谢灵顿、斯科特·柯克帕特里克,提出了一个重要的自旋玻璃模型,算是迈出了艰难的一步,但这些数学技巧,从物理角度说,难以解决实际问题。


1979年到1984年间,帕里西引入了“复本对称破缺”的概念,应用到上述模型,给出了平衡态的解。


这一步很关键,科学家们在此基础上广泛探究,引发了统计物理深刻的发展,广泛应用在各种无序体系,包括曾经刷屏的神经网络等等。


帕里西与卡达尔、张翼成在1986年提出的KPZ方程,进一步推进了随机过程的描述。奥地利籍数学家马丁·海尔对这个方程的研究成果,获得了2014年的菲尔兹奖。


这些工作,对于研究随机现象是如何被隐藏的规则支配的,有着深刻的意义,从而,被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。


6、真锅淑郎干了啥


在大气中,二氧化碳目前只占总体积的0.04%,而温室气体还包括甲烷、水蒸气等等。水蒸气在不同地区,低可0.01%,高可4%。同等质量下,甲烷的温室效应,可达二氧化碳的25倍。


理解了复杂系统、混沌系统,就不难理解:确定二氧化碳对气候的影响,是有多难。


上世纪60年代,真锅淑郎在二氧化碳的气候角色的研究中,领导了相关物理模型的发展。


他引入了空气团因对流而产生的垂直输送,以及水蒸气的潜热。在此基础上,简化了模型纬度——缩减为一维模型:一个垂直的圆柱体,延伸至大气层40公里......




通过不断改变各种气体的浓度,反复测试模型。得出结果:当二氧化碳水平翻倍时,全球温度上升超过2°C。


7、克劳斯·哈塞尔曼干了啥


聊他之前,我们还得回顾一下地球的复杂:地球是圆的,地轴是偏的,水体分布是随机的,地形是随机的,在不均匀的太阳辐射下,温度、湿度、压力变幻莫测。于是各地天气变化捉摸不定,而且差异巨大——这些天气加在一起的发展趋势,就是全球气候趋势。


所以,真锅淑郎那个圆柱里的天气,如果不能和现实的地球气候联系起来,就不具有现实意义。


哈塞尔曼的工作,就是运用混沌理论,把天气和气候成功地联系到了一起。




哈塞尔曼的决定性技巧,就是把天气的快速变化,作为噪音纳入计算。


受爱因斯坦的布朗运动理论启发,他建立了一个随机气候模型,证明了快速变化的大气,会导致海洋的缓慢变化。


这个模型,包含了众多噪音、信号的识别信息,就像指纹,可以被分离出来,识别它们对气候变化的影响。


模型显示:自19世纪中期以来,大气中的二氧化碳含量增加了40%,在过去150年里,地球温度上升了1°C。这与实测相符。


而二氧化碳含量增加,是人类的锅。


8、咋办


复杂系统虽然不能精确预测,但它有规律。掌握了这些规律,我们就可以通过调整某个关键因素,来影响后续结果。


当然,根据混沌理论,我们调整某个因素,无法掌控、预知它的长期影响究竟是怎样的、有多大。


那要如何呢?好办,就是实时观测其短期影响,作出即时反应,不断调整,从而促使系统发展,符合我们的预期方向。举个例子:


一个油田,地上有处于复杂环境的管网、设施、员工......地下有随着开采不断变化的油气藏......这就是一个复杂系统、混沌系统,而相关资料,我们只能掌握一些可采集的片段——相比而言,真不如气象部门搞天气预报采集的全。


这种情况下,怎么能更好地让油田可预期地发展呢?


一个广泛认可的方向是:利用现有理论,把那些地质认识、开发知识、管理理论、公理公式,写进软件,连接硬件。干嘛呢?一边采集信息,预测短期趋势,一边实时作出反应,优化行为。如此不断、及时调整,从而让整个油田发展,符合我们的的预期方向。


比如,基于IPM油气生产一体化模拟与优化系统的DOF数字油田智能管理系统,就是这方面的佼佼者。它可以根据各油田的实际情况,一地一策,独家定制智慧油田,达到“全面感知、自动操控、趋势预测、生产优化”,实现油气田生产一体化优化与智能管理。


这个广告聊完,我们就知道,人类应该咋办:控制二氧化碳排放,对照模型,实时观测气候变化,及时调整,让气候朝我们预期的方向发展。


9、几句废话


这位同学又不服气了:既然结论这么明确,直接减少二氧化碳排放不就行了,还对照、调整个啥?


咳咳,地球是个复杂系统,二氧化碳有排放,比如动物呼吸、工农畜牧业、火山爆发,等等;二氧化碳也有消耗,比如光合作用、二氧化碳人工合成淀粉、碳酸钙沉积,等等。


假设,地球上火山爆发等地质运动减缓(长期看这还真是趋势),人类排放降低,而碳酸钙沉积速度不变的情况下,将来二氧化碳会短缺,你让植物怎么活?


植物活不下去,谁能活?


再说,就算不考虑植物和食物,当二氧化碳减半时,地球极可能进入冰河期哟,你不怕冷吗,去哪儿挖煤取暖?


所以,再正确的主张,也不能一根筋。任何行为方向,都要根据现实变化,适时地予以调整。这才是沧桑的人间正路。


-END-




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