2021诺奖物理学奖花落“复杂系统”！你知道自然界有多复杂？交汇点讯10月5日

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交汇点讯 10月5日， 2021年诺贝尔物理学奖揭晓，美国普林斯顿大学气象学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）、德国马克斯·普朗克气象研究所的克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）和意大利罗马大学的理论物理学家乔治·帕里西（Giorgio Parisi）同获诺贝尔物理学奖。两位气象学家摘得一半物理学奖，让不少人感觉意外，其实这三位科学家都是因为在复杂物理系统方面的开创性贡献而摘得桂冠。
鸟群协同飞行的机理是什么？数以亿计的神经元是如何产生出意识?事实上，自然界就是由各种复杂系统组成，复杂物理系统的研究在“混沌”中找出规律，将帮我们更好地认识真实的世界。

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自然界由各种复杂系统组成
此次诺奖物理学奖，将一半奖项颁发给了乔治·帕里西（Giorgio Parisi），以表彰他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互影响” 。
乔治·帕里西是意大利理论物理学家，研究领域主要集中在量子场论、统计力学以及复杂系统，他在多个尺度对复杂系统作出了重要的贡献，为无序世界寻找物理规律。
在牛顿经典力学世界，人们曾经认为，只要知道任意物体（或粒子）的初始状态，用经典力学方程就能精确预测后面的状态。南京大学物理学院助理教授雷群利科普道， “就像我们大学里所求解的线性动力学方程，它的解是完全确定的。” 但后来对三体模型的研究否定了这个结论， “这是因为三体问题本质上是复杂的非线性动力学问题，方程的演化对初始扰动异常敏感。”
实际上，自然界就是由各种复杂系统组成，比如气象系统就是其中一个典型的复杂系统， “随着时间演化，预测误差会越来越大，这也是天气预报时间越长，预测越发不准的原因。”这其实就是人们所熟知的蝴蝶效应，即初始条件的微小变化就能使整个系统产生长期巨大的变化。
在无序中发现物理规律
乔治·帕里西早年的代表性工作是在粒子物理和场论方面，提出了著名的“部分子”密度的量子色动力学演化方程。
后来，乔治·帕里西对自旋玻璃等复杂系统进行了开创性研究。自旋玻璃是磁性合金材料的一种亚稳定的状态。它具有和其他无序体系的一个共同特征，即“阻挫” 。“可以简单认为体系不存在满足所有粒子能量最低的最优构型，如完美晶体，而是存在大量等价的次优构型。这种由阻挫导致的无序使体系很难通过简化模型去研究。”雷群利说。但是乔治·帕里西找到了一种巧妙的方法来研究这种无序体系，并得到了自旋玻璃模型的精确解，这种方法最后被发现也可以用来研究其它的无序和复杂系统。
统计力学是研究复杂系统的一种重要方法。“它不追求对单个粒子精确的轨迹描述，而是试图描述大量无规运动粒子的统计行为。” 雷群利说。利用统计力学，乔治·帕里西还曾经研究过一类有趣的复杂系统，目前一般泛指为活性物质，比如鸟群，鱼群和细胞组织，其中鸟群最具代表性。如果我们观察天空的鸟群，会发现鸟群中相近邻的鸟之间总能保持一定的距离，同时在觅食或规避天敌时，不同位置的鸟之间会进行优美的协同运动。乔治·帕里西对像鸟群这样的低智能群体中如何产生复杂的自组织行为这一问题进行了深入的研究，并取得了众多重要成果。