众所周知，所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。几个世纪以来，物理学家一直致力于诸多复杂系统的研究，但他们很难用规范、精妙的方法来描述。因为这些系统中，有数目众多的组件，其本身也可能是混沌的，会受许多偶然因素支配。比如气候和天气，初始数值的微小偏差，都会导致后期结果产生巨大差异。

面对某一复杂系统，寻求规律才是解决问题的根本。今年的诺贝尔物理学奖，授予了破解复杂系统规律密码的3位科学家——真锅淑郎、克劳斯·哈塞尔曼和乔治·帕里西。真锅淑郎和哈塞尔曼在开发气候模型方面从事了开创性工作，帕里西为创建无序和随机现象理论作出了革命性贡献。

温室效应对地球上的生命至关重要，它一定程度上影响着地球上的温度。如今，科学家基于物理定律设计出的当代气候模型，能非常有效地帮助人类去了解气候，也有助于及时跟进人类造成的全球变暖。但在模型建立之初，科学家并不知道从何处下手去描绘如此的复杂系统。

上世纪60年代，为使计算易于进行，真锅淑郎选择将气候模型缩减为一维。他发现，氧和氮对地表温度的影响可忽略不计，而二氧化碳的影响很明显。当二氧化碳浓度翻倍时，全球气温上升会超过2℃。在那个年代，计算机的计算速度比现在慢几十万倍，但他正确掌握了关键特征，进而发展出三维气候模型。这是在了解气候秘密道路上的一个里程碑。

相比于气候，天气的变化更为混乱、快速。如何根据观测到的天气来分析气候变化？哈塞尔曼创建了一个包含随机性的气候模型，将混乱的天气现象描述为快速变化的噪音。在这个模型中，一些信号，如太阳辐射、人类活动等可被分离出来，从而为长期气候预报奠定了科学基础。

模型创建后，能清楚显示出温室效应正在加速：自19世纪中期以来，大气中的二氧化碳含量增加了40%，而温度测量显示，这段时间地球温度上升了1℃。真锅淑郎和哈塞尔曼的不懈努力，为我们了解地球气候提供了理论依据，也清楚地向世人宣告——全球变暖正在加剧。

另一方面，气体中的粒子在发生迅速变化时，可能以一种随机方式形成不规律的模式。如果重复这个变化，这些粒子会呈现出一种新的模式，尽管发生的变化完全相同。因此，想要描述由大量粒子组成的系统，需要在考虑粒子随机运动的前提下，去计算粒子的平均效应。1979年，帕里西取得了决定性突破：他发现了随机现象背后隐藏的规则，并找到了描述它的数学方法。这项工作，现在被认为是对复杂系统理论最重要的贡献之一。

此外，帕里西还研究解释了许多其他现象。在这些现象中，随机过程在结构的形成和发展上起着决定性作用。比如，地球为什么会周期性出现冰川期？数千只椋鸟的咕哝声是如何形成特定模式的？等等。

今年的诺贝尔物理学奖，让我们知道，对地球气候和其他复杂系统的了解，是建立在坚实科学基础上的。只有通过长久坚持和不懈努力，我们才能更准确地了解更多复杂系统背后隐藏的规律，探索发现更多奥秘。

上图为2021年诺贝尔物理学奖得主真锅淑郎（左）、克劳斯·哈塞尔曼（中）、乔治·帕里西（右）。

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