隨著2021諾貝爾獎(jiǎng)寫陸續(xù)公布，今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了三個(gè)人，兩個(gè)貢獻(xiàn)一個(gè)領(lǐng)域，這個(gè)領(lǐng)域就是復(fù)雜系統(tǒng)，三位獲獎(jiǎng)人分別是日本裔美國(guó)籍的氣象學(xué)家真鍋淑郎、德國(guó)的海洋學(xué)家、氣候建模師克勞斯.哈塞爾曼，獎(jiǎng)勵(lì)二位構(gòu)建出了物理形式的地球氣候模型，量化可變性并確切地預(yù)測(cè)了全球變暖。第三位是喬治.帕里西，獎(jiǎng)勵(lì)其發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的物理系統(tǒng)中無(wú)序和波動(dòng)的相互作用。今年的諾獎(jiǎng)具備很大意義，首先，第一個(gè)就是在科學(xué)層面上肯定了全球變暖，那些說(shuō)全球變暖是騙局的人可以休息休息了，這次諾獎(jiǎng)的頒發(fā)算是對(duì)全球變暖這個(gè)議題是蓋棺定論了。另外，也說(shuō)明地球的氣候變化已經(jīng)惡化到一種刻不容緩的程度了，大家都能夠感受到近幾年來(lái)的極端天氣越來(lái)越頻繁，碳中和碳達(dá)峰也是我們?nèi)蚍秶鷥?nèi)的氣候目標(biāo)，這都是對(duì)真鍋淑郎和哈塞爾曼這二位研究工作的肯定。

下面我們來(lái)具體解讀一下這次的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)叩难芯繗v程。其中的真鍋淑郎從1958年開(kāi)始在美國(guó)氣象局工作，1967年他和另外一名工作者發(fā)表了一篇關(guān)于二氧化碳是全球變暖的根本原因的論文，從今天看來(lái)，這篇論文是史上最偉大的氣象科學(xué)相關(guān)論文，這篇論文首次通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方式證明了在物理上二氧化碳確實(shí)會(huì)導(dǎo)致全球變暖，按照當(dāng)時(shí)的估算，二氧化碳濃度每增加一倍，全球平均氣溫將會(huì)升高2.3度，這和現(xiàn)在計(jì)算結(jié)果已經(jīng)相差不多了。雖然當(dāng)時(shí)的真鍋淑郎采用的是一個(gè)一維模型，使用的還是當(dāng)年的第一代商用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的計(jì)算，不過(guò)他們的研究發(fā)現(xiàn)奠定了氣候模型的發(fā)展，我們確實(shí)可以通過(guò)數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬的方式來(lái)預(yù)測(cè)混沌的氣候變化。第二位哈塞爾曼的貢獻(xiàn)，他建立了一個(gè)更復(fù)雜的模型，所謂可以展現(xiàn)氣候變異的哈塞爾曼模型，這個(gè)模型就回答了為什么氣候模型在天氣多變的且混亂的情況下依然可靠，并且肯定了真鍋淑郎的研究工作，證明了二氧化碳確實(shí)可以導(dǎo)致全球變暖，他還開(kāi)發(fā)了識(shí)別特定氣候信號(hào)的方法，證明了目前氣候變暖主要是由于人類活動(dòng)排放的二氧化碳過(guò)量導(dǎo)致的，所以不難看出這次的一半的諾獎(jiǎng)就是針對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)頒發(fā)的。

真鍋淑郎

哈塞爾曼現(xiàn)在是歐洲氣候論壇的副主席，曾經(jīng)擔(dān)任過(guò)德國(guó)氣候計(jì)算中心的科學(xué)主任。當(dāng)然我們現(xiàn)在的氣候模型已經(jīng)越來(lái)越完善、越來(lái)越復(fù)雜，比如說(shuō)現(xiàn)在的氣候模型使用了真是的大陸板塊，加入了云量分析、氣溶膠的影響、動(dòng)態(tài)植被的影響等等。所以現(xiàn)在的模擬基本上是由超級(jí)計(jì)算機(jī)來(lái)完成的，因?yàn)檫@個(gè)需要強(qiáng)大的計(jì)算能力和存儲(chǔ)空間，值得一提的是我國(guó)的地球系統(tǒng)數(shù)值模擬裝置，簡(jiǎn)稱寰，馬上就要投入使用了，由中科院大氣物理所和清華大學(xué)共建的。

哈塞爾曼

值得注意的是，另外一半的諾獎(jiǎng)是頒發(fā)給了意大利的理論物理學(xué)家喬治.帕里西，諾獎(jiǎng)官方給出的獲獎(jiǎng)理由是因?yàn)槠湓趶?fù)雜系統(tǒng)的貢獻(xiàn)。1979年帕里西通過(guò)一種數(shù)學(xué)上的復(fù)型技巧解決了自旋玻璃的問(wèn)題，后來(lái)這個(gè)技巧被證明是對(duì)的，也因此成為了復(fù)雜系統(tǒng)理論的基石。不過(guò)帕里西在諸多領(lǐng)域都有重要的貢獻(xiàn)，比如說(shuō)他在量子色動(dòng)力學(xué)中提出了關(guān)于部分子密度和動(dòng)量關(guān)系的積分微分方程等等?？傊?，帕里西是粒子物理學(xué)領(lǐng)域的大佬級(jí)的人物，這也是他這次獲得諾獎(jiǎng)的重要原因。就像是愛(ài)因斯坦得諾獎(jiǎng)不是因?yàn)橄鄬?duì)論，而是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，楊振寧先生得諾獎(jiǎng)是因?yàn)槿跸嗷プ饔弥械挠罘Q不守恒，但是他更主要的貢獻(xiàn)是在于楊-米爾斯規(guī)范場(chǎng)理論。這三位獲獎(jiǎng)人就有了一個(gè)共同的話題就是復(fù)雜系統(tǒng)，什么是復(fù)雜系統(tǒng)呢？簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō)，復(fù)雜系統(tǒng)是微觀層面上各個(gè)子系統(tǒng)之間通過(guò)相互作用導(dǎo)致了宏觀層面的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與行為，比如說(shuō)蟻群、鳥(niǎo)群、蜂群，每個(gè)個(gè)體都是簡(jiǎn)單的行為，但是在宏觀整體上卻完成了一些復(fù)雜任務(wù)。

帕里西

那么什么是復(fù)雜系統(tǒng)？和我們?nèi)祟惿钣惺裁淳o密聯(lián)系呢？

復(fù)雜系統(tǒng)從根本上不同于簡(jiǎn)單系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，比如封閉的氣體或遙遠(yuǎn)的星系，相互作用非常弱，我們可以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法來(lái)分析它們的變化與發(fā)展。復(fù)雜系統(tǒng)并不是意味著系統(tǒng)在個(gè)體數(shù)量上的龐大，而是在于它們子系統(tǒng)之間的相互依存、相互作用機(jī)制在隨著時(shí)間發(fā)生演變，而這種演變是很難預(yù)測(cè)和估計(jì)的，最終反映到宏觀系統(tǒng)行為是則會(huì)是一種截然不同的現(xiàn)象。

人類在對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究中，存在大量關(guān)于直覺(jué)、經(jīng)驗(yàn)、認(rèn)知等無(wú)法用形式化方法表示的特性，這意味著僅依賴傳統(tǒng)基于相似性原理及形式化知識(shí)的建模仿真方法，難以真正表達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的深層次規(guī)律。如何獲取和表達(dá)非形式化的知識(shí)，并將這些知識(shí)用于復(fù)雜系統(tǒng)的理解和建模，一直是各領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)研究中亟待解決的難題?！鞍柗ü贰保ˋlphaGo）通過(guò)深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)方法，成功解決了圍棋這一復(fù)雜博弈系統(tǒng)的認(rèn)知和決策問(wèn)題，為用智能建模方法去深入理解復(fù)雜系統(tǒng)提供了新的思路。

根據(jù)系統(tǒng)論，世界可分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)與復(fù)雜系統(tǒng)，簡(jiǎn)單系統(tǒng)主要是諸如“1+1=2”的那些系統(tǒng)，也就是整體等于各部分之和。所有的系統(tǒng)都像鐘表一樣，即使結(jié)構(gòu)再?gòu)?fù)雜，也可以分解還原。系統(tǒng)的性質(zhì)表現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)不會(huì)變化，因果關(guān)系確定，結(jié)果可重復(fù)、可預(yù)測(cè)，狀態(tài)穩(wěn)定等方面，如自行車就是這樣的系統(tǒng)。復(fù)雜的事物，如航空母艦，只要是可以分解還原的，就都是簡(jiǎn)單系統(tǒng)。

鳥(niǎo)群

復(fù)雜系統(tǒng)就是那些“1+1≠2”的系統(tǒng)，即整體不等于各部分之和，研究每一個(gè)組成部分，并不能得到整體性質(zhì)。如人體，死人和活人所有的物質(zhì)都是一樣的，但是一個(gè)有生命，一個(gè)沒(méi)生命。從性質(zhì)上看，它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是可變，因果不明確，結(jié)果不可預(yù)測(cè)、也不可重復(fù)，而且會(huì)產(chǎn)生出新的系統(tǒng)性質(zhì)。

復(fù)雜系統(tǒng)與復(fù)雜性運(yùn)動(dòng)

復(fù)雜系統(tǒng)的復(fù)雜性主要表現(xiàn)為3種主要性質(zhì)，其他性質(zhì)可從這3種性質(zhì)中衍生出來(lái)。1)適應(yīng)性。其最大特點(diǎn)是“環(huán)境會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變”。為適應(yīng)環(huán)境，系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)會(huì)不斷調(diào)整，演化出新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生出新的性質(zhì)和功能。2)不確定性。不確定性存在的直接結(jié)果就是“會(huì)導(dǎo)致因果不再一一對(duì)應(yīng)，也不會(huì)是完全唯一”。從物理學(xué)角度來(lái)說(shuō)，海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理就指出了“不確定性的客觀存在性”，即狀態(tài)的不確定性與人的認(rèn)識(shí)多少無(wú)關(guān)。從社會(huì)學(xué)角度來(lái)說(shuō)，由于自由意志的存在，導(dǎo)致人或者人的組織有了選擇的自由，因而也會(huì)產(chǎn)生不確定性。3)涌現(xiàn)性。涌現(xiàn)性最直接的后果是“會(huì)得到新的整體性質(zhì)，并且這種性質(zhì)不可預(yù)測(cè)”。由于系統(tǒng)的自組織、自適應(yīng)和不斷演化，新的系統(tǒng)性質(zhì)會(huì)分層次涌現(xiàn)，且涌現(xiàn)的結(jié)果具有非線性，所以它是不可預(yù)測(cè)的，既有不可預(yù)測(cè)的隨機(jī)性，但是也有總體的規(guī)律性，而且不以人的意志為轉(zhuǎn)移。

研究復(fù)雜系統(tǒng)，首先就需要對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，由于復(fù)雜系統(tǒng)的性質(zhì)會(huì)給建模預(yù)測(cè)帶來(lái)一定的困難。“阿爾法狗”（AlphaGo）采用深度增強(qiáng)學(xué)習(xí)的方法，不僅在圍棋上戰(zhàn)勝了人類，而且揭示了一種復(fù)雜系統(tǒng)建模的可能。尤其是“阿爾法狗”采用的深度學(xué)習(xí)方法，被認(rèn)為是人工智能領(lǐng)域的重大突破。深度學(xué)習(xí)下的認(rèn)知是一種非常接近人類的認(rèn)知方式。知識(shí)主要以公式、規(guī)則、文本等形式化方式表達(dá)，基本上都是通過(guò)抽象化方式、以理性方式學(xué)習(xí)到的。智能技術(shù)的不斷發(fā)展，在增強(qiáng)人類獲得認(rèn)知、積累知識(shí)能力的同時(shí)，不僅會(huì)改變我們對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的認(rèn)知能力，同時(shí)也為我們提供了用認(rèn)知仿真方法去深入理解復(fù)雜系統(tǒng)的新思路。