諾貝爾獎專題

破解混沌難解的複雜系統

真鍋淑郎與哈賽爾曼開創用理論來分析、預測氣候。

　今年的諾貝爾物理獎頒給了日裔美籍的真鍋淑郎、德國的哈賽爾曼兩位氣象學家，以及一位義大利理論物理學家帕里西，表彰他們「對理解複雜系統的開創性貢獻」。

理論模擬預測氣候

　地球的大氣就是個「複雜系統」，即使一開始天氣觀測的誤差非常小，但在許多空氣分子、太陽輻射、地表輻射、地形地貌等因素的交互影響下，透過氣象模型計算出來的預報結果，可能會跟實際天氣相差甚遠。

　由於這個特性，人類到現在還是難以「精準預測」未來的天氣。不過在氣象學家的努力下，已經能掌握相當程度的氣候長期趨勢。

　真鍋淑郎以「能量」的觀點，來探討大氣溫度變化。地球的能量幾乎都來自於太陽輻射，地球在吸收能量後，也會把能量再輻射出去；這些原本會跑到宇宙中的地球輻射熱，被大氣吸收、保留了一部分，讓地球得以維持現在的溫度。

　真鍋淑郎在一九六○年代進行了電腦模擬，得到「如果大氣中的二氧化碳倍增，氣溫將會上升兩度」的結論，預言了當今人類遇到的全球氣候變遷問題。

　之後，哈賽爾曼建立了氣候理論模型及電腦模擬方法，將天氣中隨時隨地產生的各種擾動，以「隨機產生雜訊」的形式納入模型中，讓氣象學家可以藉由電腦模擬預測長期的氣候變化趨勢，對於規畫能源、水資源、防災等事項很有幫助。

　哈賽爾曼進一步發現，自然因素與人類活動所引起的氣候變化模式不同。他的研究結果顯示，近數十年來的暖化來自人類的活動，呼應了之前真鍋淑郎的結論：人類活動增加了大氣中的二氧化碳，導致全球暖化。

原子磁性排隊之謎

　帕里西研究的是凝態物理中的「自旋玻璃」。光看名字，就覺得和前兩位氣象學家的研究很不一樣，為什麼會一起得獎呢？

　我們可以把原子看成一個個小小的磁鐵，有些物質中，相鄰的「原子小磁鐵」喜歡排列成一致的方向，使這塊材料成為「鐵磁性物質」，像我們熟悉的磁鐵就是如此。

　另外有一種「反鐵磁材料」，所有相鄰的原子小磁鐵喜歡與鄰居排成反方向。在這種像西洋棋盤一樣的正反交錯排列下，原子的磁性雖然也是規則排列，但是正反磁性會互相抵銷，所以整塊材料是量不到磁性的。

　上面講的兩種都具有「有秩序的磁性」，但「自旋玻璃」，則是材料中「原子小磁鐵」的磁性方向亂七八糟，不完全一致，也不完全相反，為什麼會有這種狀態？

　因為在「自旋玻璃」材料中，任意兩個原子小磁鐵之間的交互作用都不一樣，有的想排成同方向，有的卻想要相反，因此不管怎麼排，都會有「順了姑情逆嫂意」的抵觸與矛盾現象。

　要怎麼描述這一團亂的原子小磁鐵狀態，許多物理學家奮鬥許久都無法解決。直到一九七九年，才由帕里西解決了理論上的問題，成功以數學方法找到描述「自旋玻璃」的答案。

　真鍋淑郎、哈賽爾曼與帕里西建立人們對「複雜系統」研究的基礎，讓後來的科學家可以更精確的處理「大量單元間彼此有複雜交互作用，整體呈現不完全有序，但也不完全混亂的系統」，讓我們對從小到原子，大至整個地球等各尺度的現象，有了更清楚的認識。

帕里西以數學解析原子尺度下的複雜排列問題。