2021年諾貝爾物理學獎授予對經歷重大波動的複雜系統的研究，包括眼鏡和地球氣候。
這個計算機模擬顯示了海洋溫度的變化。今年諾貝爾物理學獎獲得者，他們建立了這些氣候模型的基本原理。
今年的諾貝爾物理學獎表彰了人們為理解複雜事物所做的努力，無論是變幻莫測的氣候，還是無序的玻璃。普林斯頓大學(Princeton University)的萬部勤郎(Syukuro Manabe)和德國馬克斯·普朗克氣象學研究所(Max Planck Institute for Meteorology)的克勞斯·哈塞爾曼(Klaus Hasselmann)獲得了一半獎金，以表彰他們在識別驅動氣候變化的因素方面所做的工作。另一半獎金授予了羅馬大學(Sapienza University of Rome)的喬治·帕裡西(Giorgio Parisi)，他的自旋玻璃理論已經成為建模包括蛋白質和金融市場在內的一系列無序系統的模板。
複雜性無處不在。自20世紀70年代以來，一些物理學家就開始關注自旋玻璃的複雜性，自旋玻璃獨特的磁性為源於其獨特的微觀結構。一個例子是銅的金屬合金與少量隨機放置的鐵原子。鐵原子具有磁矩或自旋，它們可以透過相互作用彼此對齊。但與固體鐵不同的是，自旋在晶體晶格中排列整齊，自旋玻璃的排列無序且不穩定，因為在整個材料中相互作用不同，而且每次自旋都可能受到競爭力的影響。例如，如果三個自旋彼此之間的距離相等，並且每個自旋都試圖與其相鄰的兩個自旋相對排列，那麼就不存在能夠滿足所有三個趨勢的構型。這種“受挫”的行為導致了多種具有相同能量的平衡狀態。
自旋玻璃的一個例子是銅原子(綠色)與少量具有磁性自旋的鐵原子(紅色)混合的金屬合金
這些平衡態可以被描繪成與自旋玻璃有關的“能量景觀”中大量類似深度的谷。1979年，Parisi提供了對映這一場景的關鍵工具:它定義了一種新的順序引數，它不是一個單獨的值，不像在其他系統中定義的那些值，而是在許多值上的分佈。順序引數的傳統例子是鐵磁體的磁性，當所有自旋對齊時，其值為1，當它們指向隨機方向時，值為0。自旋玻璃的磁性對於其所有的平衡態都接近於0，因此基於磁性的序參量對區分這些態幾乎沒有幫助。而帕裡西的多值序參量為表徵自旋玻璃的複雜性提供了一種方法。
在隨後的工作中，Parisi等人對自旋玻璃級引數的物理基礎進行了闡述。這個理論是建立在所謂的複製方法之上的，你可以想象給一個系統做一個複本，然後讓兩個複本分別進化。在這兩個系統中，有些自旋的演化是相同的，但失敗的自旋可能會指向不同的方向。帕裡西的順序引數測量了複製的發散程度。“它會告訴你，你發現這兩個系統在一定程度上一致的機率，”混亂系統專家馬克Mézard解釋說，他是巴黎École Normale Supérieure的主任。
一旦順序引數已知，許多屬性就可以計算出來。你可以確定系統的熵以及相變發生的位置。你可以理解系統是如何“老化”的——也就是說，它是如何從一種平衡狀態進化到另一種平衡狀態的。其他研究人員已經將Parisi的模型應用到廣泛的領域，包括結構玻璃、顆粒系統、蛋白質配置、金融市場和機器學習演算法。羅馬國家研究委員會的複雜系統研究員Andrea Cavagna說:“自旋眼鏡的隱喻價值是如此巨大，以至於該解決方案立即被推廣到許多其他系統。”
Mézard說:“獲得諾貝爾獎並不容易，但我認為喬治·帕裡西的工作的影響是顯而易見的。”他說，統計物理學的目標是基於微觀相互作用來解釋宏觀行為，但無序系統是一個獨特的挑戰。“你如何描述一個每個自旋都有自己環境的系統?”帕裡西帶路。
這種從複雜系統中提取預測的能力是當今氣候研究的核心，這在很大程度上要歸功於Manabe和Hasselmann的開創性工作。1967年，Manabe和他的同事模擬了大氣中的輻射和對流，提供了上升的二氧化碳水平和全球溫度升高[4]之間的牢固聯絡。1976年，Hasselmann提出了一種處理氣候資料[5]的自然變異性的方法。這項技術使他能夠識別資料中的特定訊號——他稱之為“指紋”——與影響氣候的各種因素有關，包括人類活動。
利用Klaus Hasselmann的指紋識別方法，氣候科學家可以比較來自火山和其他自然影響的大氣溫度變化預測
英國愛丁堡大學的氣候專家加比·海格爾(Gabi Hegerl)與哈塞爾曼(Hasselmann)合作，研究人類對氣候變化的影響。她說，Hasselmann和Manabe都開發瞭解決氣候如何運作和如何變化的基本問題的模型。“他們是氣候科學領域的兩個巨人，在某種程度上，他們確實塑造了氣候科學，並開創了氣候科學，”Hegerl說。
Cavagna說，氣候科學和自旋玻璃模型都涉及多個長度尺度。他認為，這三位諾貝爾獎得主都應該受到讚揚，因為他們都以合適的尺度將複雜性放大，從而可以簡化。“簡化確實是物理學的強項，”他說。
