十月份最吸引我的事情是一年一度的諾貝爾獎(jiǎng)名單出爐。諾獎(jiǎng)對(duì)于科學(xué)家們來說是終生成就獎(jiǎng)，對(duì)于科研工作者是個(gè)風(fēng)向標(biāo)，而對(duì)普通人來說是一堂難得的小型科普課。
2021年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)給了兩位氣象學(xué)家真郭淑郎、克勞斯·哈塞爾曼和一位化學(xué)學(xué)家喬治·帕里西，她們因“對(duì)理解復(fù)雜系統(tǒng)的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)”而得獎(jiǎng)。簡(jiǎn)單來說就是在一個(gè)無序的、隨機(jī)的、看上去沒有規(guī)律的系統(tǒng)中找到了某種規(guī)律。
哪些是復(fù)雜系統(tǒng)？
全球氣候，經(jīng)濟(jì)，世界人口，混沌現(xiàn)象，椋鳥渦動(dòng)，蟻群，生物體，人腦，免疫系統(tǒng)，遺傳和進(jìn)化，囚徒困局，網(wǎng)路，元胞自動(dòng)機(jī)，“三體”等，都是復(fù)雜系統(tǒng)。
例如上萬只的椋鳥群為何能在空中迅速變換隊(duì)型，且不互相碰上？它們是如何在沒有指揮的情況下達(dá)到這么和諧的統(tǒng)一行動(dòng)的？螞蟻又是如何曉得該哪些時(shí)侯去哪兒覓食的？為何沒有兩片一模一樣的雪花？全球氣候是怎樣變化的？其中椋鳥渦動(dòng)也是帕里西的一個(gè)重點(diǎn)研究課題。
計(jì)算機(jī)科學(xué)院長(zhǎng)、復(fù)雜系統(tǒng)研究的前沿科學(xué)家梅拉妮·米歇爾在《復(fù)雜》一書中寫道：“復(fù)雜系統(tǒng)是由大量組分組成的網(wǎng)路，不存在中央控制，通過簡(jiǎn)單運(yùn)作規(guī)則形成出復(fù)雜的集體行為和復(fù)雜的信息處理，并通過學(xué)習(xí)和進(jìn)化形成適應(yīng)性。”
她又補(bǔ)充道：“由于簡(jiǎn)單規(guī)則以無法預(yù)測(cè)的方法形成出復(fù)雜行為，這些系統(tǒng)的宏觀行為有時(shí)亦稱為涌現(xiàn)。這樣就有了復(fù)雜系統(tǒng)的另一個(gè)定義：具有涌現(xiàn)和自組織行為的系統(tǒng)。而復(fù)雜性科學(xué)的核心問題是：涌現(xiàn)和自組織行為是怎樣形成的。”
梅拉妮·米歇爾是認(rèn)知科學(xué)家侯世達(dá)的中學(xué)生，前者是《哥德爾、艾舍爾、巴赫——集異璧之大成》一書的作者。米歇爾在《復(fù)雜》一書中詳盡地介紹了多個(gè)領(lǐng)域關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)的研究，這是一本科普書，不須要相關(guān)背景知識(shí)也可以看懂。南京師范學(xué)院系統(tǒng)科學(xué)大學(xué)院士張江也在他創(chuàng)立的集智俱樂部官方網(wǎng)站上推薦了這本書。集智俱樂部仍然旨在于宣傳、普及、推廣復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)，并展開廣泛的跨學(xué)科交流。
猶如宇宙中95%都是由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，自然界和社會(huì)中的事物絕大多數(shù)也都是無序的復(fù)雜系統(tǒng)。霍金曾預(yù)言“21世紀(jì)將是復(fù)雜性科學(xué)的世紀(jì)”。
去年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)為何獎(jiǎng)給氣象學(xué)家？
1824年，傅里葉便提出了“溫室效應(yīng)”。他據(jù)太陽(yáng)的體溫、地球與太陽(yáng)的距離估算出了地表濕度，發(fā)覺月球地表實(shí)際氣溫比他估算的要高好多，猜想月球大氣起到了隔熱作用。但他沒有找出具體的緣由。
化學(xué)學(xué)家龐加萊在研究三體問題時(shí)，第一次發(fā)覺了結(jié)果對(duì)初始條件的敏感依賴性，因三體運(yùn)行軌道非常復(fù)雜，龐加萊曾感嘆“太過復(fù)雜以至于我不想繼續(xù)描述它們”。他總結(jié)道：“初始條件的細(xì)微差異有可能會(huì)造成最終現(xiàn)象的極大不同。后者的微小偏差會(huì)造成前者的巨大偏差。預(yù)測(cè)顯得不可能……”
氣象學(xué)家愛德華·洛倫茲曾提出：一只南非洲亞馬遜河流域溫帶雨林中的蝴蝶，時(shí)常扇動(dòng)幾下翅膀，可以在兩周之后引發(fā)韓國(guó)得克薩斯州的一場(chǎng)龍卷風(fēng)。這便是知名的“蝴蝶效應(yīng)”。
洛倫茲在用計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)天氣的時(shí)侯，發(fā)覺初始值有微小的改變時(shí)，預(yù)測(cè)的結(jié)果卻大相徑庭。他的發(fā)覺讓人們認(rèn)識(shí)到天氣系統(tǒng)也具有敏感的終值依賴性，也導(dǎo)致常年的天氣不可預(yù)測(cè)，僅可預(yù)測(cè)短期天氣。天氣系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的混沌系統(tǒng)，受特別多誘因的干擾，極難預(yù)測(cè)。
真鍋淑郎和克勞斯·哈塞爾曼兩位氣象學(xué)家通過構(gòu)建氣候模型，將人類的局限又往前推動(dòng)了一步。她們因?qū)Α暗厍驓夂虻臄?shù)學(xué)建模、量化可變性和可靠地預(yù)測(cè)全球變暖”的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)而獲得2021年的諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。
真鍋淑郎：全球變暖是真的，主因是氣體增多
真鍋淑郎是法籍華裔氣象學(xué)家，其在東京學(xué)院取得博士學(xué)位后，受英國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局研究部約請(qǐng)，負(fù)責(zé)開發(fā)全球氣候模型的工作，他也是耶魯學(xué)院中級(jí)研究員。1967年，真鍋淑郎便推論出，當(dāng)大氣中的甲烷濃度翻番時(shí)，地面氣溫將上升2.3度。他的研究除了強(qiáng)調(diào)氣體是造成溫度下降的主要誘因，且將其量化了。
人類用幾六年的時(shí)間證明了氣象學(xué)家的預(yù)測(cè)是正確的，盡管數(shù)值上可能有偏差。真郭淑郎的氣候模型也從科學(xué)上斥責(zé)了全球變暖是陰謀論的說法。據(jù)悉，“全球變暖”已改名為“全球氣候變化”，不止是氣溫下降，極端天氣也會(huì)越來越多。
哈塞爾曼：是真的，并且是由于人類
另一位氣象學(xué)家哈塞爾曼于1975年創(chuàng)立了英國(guó)馬克斯普朗克氣象研究所，并曾兼任美國(guó)氣候估算中心的科學(xué)院長(zhǎng)。他最重要的貢獻(xiàn)是進(jìn)一步增強(qiáng)了氣候模型的預(yù)測(cè)精度，他分離出了人類噪聲和自然噪聲對(duì)氣候的影響，他的研究闡明出人類活動(dòng)從1960年代以來對(duì)全球變暖起主要作用。
這種研究復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)家們從無序中找出有序，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整體系統(tǒng)的預(yù)測(cè)。1976年，哈塞爾曼開發(fā)了一個(gè)隨機(jī)氣候模型（哈塞爾曼模型），其中類似于布朗運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)波動(dòng)確保了氣候的可變性。他研究出了可以辨識(shí)自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)在氣候中留下的特定訊號(hào)和指紋的技巧。
假如有一位隱型人在遛彎，而我們只能看見一只兔子前后左右無序的跑位路線，那我們?nèi)绾文軌蛲茢喑鲋魅说男羞M(jìn)路線呢，有哪些規(guī)律呢？如同我們只能見到局部的天氣，但不曉得全球氣候的邁向，而哈塞爾曼的研究做的工作便是提升了氣候預(yù)測(cè)的確切性以及它內(nèi)部變化的規(guī)律。
這三年極端天氣頻發(fā)，最切身的體味是上海明年春天的下雨顯著增多了，河南、山西等地因連降大雨發(fā)生了水災(zāi)。去年登錄我國(guó)的臺(tái)風(fēng)也顯著增多了。還有美國(guó)的起火，亞洲多國(guó)也遭到了罕見洪澇。
聯(lián)合國(guó)發(fā)布的氣候科學(xué)報(bào)告《氣候變化2021：自然科學(xué)基礎(chǔ)》單獨(dú)籌建了“氣候變化中的極端天氣風(fēng)波”一章，首次展現(xiàn)極端天氣風(fēng)波是全球變暖的重要恐嚇。報(bào)告強(qiáng)調(diào)未來溫度每上升0.5度就會(huì)明顯改變?nèi)虼蟛糠莸貐^(qū)極端天氣與氣候風(fēng)波的頻度和硬度，包括極端氣溫、極端降雨、臺(tái)風(fēng)、干旱等。為此，我國(guó)也提出了“碳中和”的計(jì)劃。而我們每位人如同一只只蝴蝶，最終的氣候就是那種混沌系統(tǒng)，在到達(dá)不可挽回的閥值前，能夠作出一點(diǎn)點(diǎn)努力。
她們兩位其實(shí)是氣象學(xué)家，但都運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)學(xué)和非線性動(dòng)力學(xué)的方式，通過建模剖析，解決了宏觀大氣運(yùn)動(dòng)的問題，成功定量預(yù)測(cè)了氣候變化，且復(fù)雜系統(tǒng)本身就是跨學(xué)科的交叉領(lǐng)域，因而獲得了諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。哈塞爾曼在接受專訪時(shí)表示“寧愿自己沒有得諾獎(jiǎng)，也不希望全球變暖”。
帕里西的貢獻(xiàn)
諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)的另一半被授予一位美國(guó)理論化學(xué)學(xué)家——喬治·帕里西，以嘉獎(jiǎng)他“發(fā)現(xiàn)了從原子到行星尺度的數(shù)學(xué)系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的互相作用”。
復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)家朗頓曾用“混沌的邊沿”一詞形容復(fù)雜系統(tǒng)。復(fù)雜科學(xué)家張江說有序和無序是可以轉(zhuǎn)換的，復(fù)雜系統(tǒng)不是有序也不是無序，而是當(dāng)你從不同的尺度去看一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它既可能從大量的無序中形成有序，又可以從大量的有序中，形成出混沌現(xiàn)象。而帕里西便是將一類復(fù)雜系統(tǒng)的內(nèi)部的轉(zhuǎn)換秘密的原理用物理形式抒發(fā)了下來。
帕里西在多個(gè)數(shù)學(xué)領(lǐng)域都有突破性的貢獻(xiàn)，如粒子化學(xué)、粘結(jié)現(xiàn)象、優(yōu)化理論、數(shù)學(xué)化學(xué)等，被譽(yù)為近幾六年最具創(chuàng)造性和最具影響力的理論化學(xué)學(xué)家之一。此前帕里西也獲得過不少數(shù)學(xué)和數(shù)學(xué)界的重量級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)，狄拉克獎(jiǎng)、費(fèi)米獎(jiǎng)、玻爾茲曼獎(jiǎng)狀、馬克斯·普朗克獎(jiǎng)狀、拉格朗日獎(jiǎng)、沃爾夫化學(xué)獎(jiǎng)等。
他目前是羅馬學(xué)院的量子理論院士，研究領(lǐng)域包括量子場(chǎng)論、統(tǒng)計(jì)熱學(xué)和復(fù)雜系統(tǒng)。他在從原子到行星尺度的每一個(gè)不同層次的復(fù)雜數(shù)學(xué)體系中，都闡述了無序和波動(dòng)互相作用的普適規(guī)律。他的主要貢獻(xiàn)有和圭多·阿塔雷利共同提出了阿塔雷利—帕里西方程（DGLAP多項(xiàng)式）、自旋玻璃謝林頓—柯克帕特里克模型（載流子玻璃）的精確解、描述界面生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)標(biāo)度的卡達(dá)爾—帕里西—張多項(xiàng)式（KPZ多項(xiàng)式）、鳥群中的渦動(dòng)等。
復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的簡(jiǎn)單規(guī)律
帕里西獲得諾獎(jiǎng)最重要的緣由是他在無序材料和隨機(jī)過程理論上的革命性貢獻(xiàn)，他給出了載流子玻璃模型平衡態(tài)的精確解。
載流子玻璃不是玻璃，在匯聚態(tài)化學(xué)中，載流子玻璃指的是一種無序的隨機(jī)性的磁量子態(tài)，是磁性合金材料的一種亞穩(wěn)定的狀態(tài)。例如把少量帶磁性的鐵原子加入到非磁性的銅原子中，合金整體的磁性才會(huì)發(fā)生改變，磁性會(huì)隨著氣溫的變化呈現(xiàn)非線性的隨機(jī)改變。類似于我們?nèi)粘？吹降牟ＡУ倪@些無序的非晶體，玻璃的主要物理成份是氫氧化鋁，沒有固定的融化體溫，而氫氧化鋁的有序晶體狀態(tài)為石英、水晶。
載流子玻璃的磁性之所以呈現(xiàn)非線性的隨機(jī)狀態(tài)，是由于合金內(nèi)部的相鄰原子彼此間的阻挫現(xiàn)象，原子在載流子時(shí)的磁體方向彼此互斥，一直處于隨機(jī)變化狀態(tài)。從分布上看是無序隨機(jī)的狀態(tài)，但從宏觀上又表現(xiàn)出某種規(guī)律。這些被稱為阻挫現(xiàn)象。這些現(xiàn)象在自然界和人類社會(huì)中普遍存在。
阻挫是一種競(jìng)爭(zhēng)的互相作用，假如在人與人之間就表現(xiàn)為，你和A、B兩個(gè)人都不合，A和B又是死對(duì)頭，但有一個(gè)項(xiàng)目促使大家三個(gè)人不得不合作，此時(shí)，你該怎么存在與兩個(gè)人之間，能夠讓這個(gè)合作達(dá)成，且耗損最小，成效最高。我們從外部看，任取一個(gè)頓時(shí)與其他頓時(shí)三個(gè)人的狀態(tài)就都不太一樣，處于一種變動(dòng)的既有合作又有競(jìng)爭(zhēng)的無序狀態(tài)中。
載流子玻璃體系也是一種阻挫系統(tǒng)。帕里西創(chuàng)造性地引入了一種新的物理估算方式，并求解出了載流子玻璃模型平衡態(tài)的一個(gè)精確解析解，成功用物理描述了這些規(guī)律。
米歇爾在《復(fù)雜》一書的結(jié)尾提及復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的突破須要“等待卡諾”，也就是須要有一位像物理家卡諾一樣能以物理與建模的方式精確描述不同的復(fù)雜系統(tǒng)間的普適性的規(guī)律，如今看來帕里西起碼在這一類復(fù)雜系統(tǒng)上找到了一種普適性的物理描述方式，可以應(yīng)用到“從原子到行星尺度的數(shù)學(xué)系統(tǒng)中無序和波動(dòng)的互相作用”。他所運(yùn)用的物理方式在物理界也得到了認(rèn)可。
帕里西的研究，闡明了載流子玻璃模型中無序粒子組合的背后都有隱藏的結(jié)構(gòu)和模式，找到了該模型的普適規(guī)律。而這一規(guī)律的應(yīng)用除了限于數(shù)學(xué)領(lǐng)域，也可應(yīng)用在物理、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)等眾多領(lǐng)域。
帕里西曾研究過椋鳥群，他表示自己的大部份研究都涉及簡(jiǎn)單行為怎么造成復(fù)雜的集體行為，而這種原理既適用于載流子玻璃，也適用于椋鳥群，盡管兩者看似并沒有哪些聯(lián)系。他和團(tuán)隊(duì)剖析估算了由幾十萬只椋鳥組成的鳥群的飛行數(shù)據(jù)，并完善了描述它們的模型。它們沒有一個(gè)統(tǒng)一的腦部，卻表現(xiàn)出了極具智慧的行動(dòng)，整體和諧統(tǒng)一，急速變換形狀。而這項(xiàng)研究的成果也可以推廣到其他類似的復(fù)雜系統(tǒng)和材料上。
復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)我們的啟示，例如書籍的未來
“所有由個(gè)體簡(jiǎn)單行為互相作用形成的集體行為系統(tǒng)物理學(xué)基礎(chǔ)電子書，都可以稱為復(fù)雜系統(tǒng)。”
在看完《復(fù)雜》一書，及了解到越來越多的復(fù)雜系統(tǒng)后物理學(xué)基礎(chǔ)電子書，發(fā)覺看上去隨機(jī)無序的混沌假象下居然有著各自的簡(jiǎn)單規(guī)律。有序和無序也是同時(shí)發(fā)生的，有時(shí)侯風(fēng)波呈現(xiàn)下來的宏觀層面似乎是無序的，但內(nèi)部卻都遵守著一定的規(guī)律，有時(shí)侯整體看上去是有序的，但其內(nèi)部卻是隨機(jī)的分布。不確定和變化才是永恒的。
經(jīng)濟(jì)上的復(fù)雜性表現(xiàn)為看不見的手，每位人都盡量將自己的利益最大化的同時(shí)力求與參與合作的人多贏。
有人也聯(lián)想到了《道德經(jīng)》中的“道生一，一生二，二生三，三生萬物”的思想。似乎個(gè)體間相互作用的規(guī)律是某種“道”，萬物是相生相克的，此消彼長(zhǎng)，但由于阻挫的存在，永遠(yuǎn)沒法達(dá)到穩(wěn)定的平衡態(tài)，所以內(nèi)部是不斷進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的，看上去就是亂而無序，但她們卻遵照著一種模式，而這個(gè)原理居然能夠用物理描述下來。
還想到有研究西醫(yī)的同事說西醫(yī)是極其晦澀的一門學(xué)問，那位同學(xué)專門從北京來到上海，就是為了研究西醫(yī)。其實(shí)我不太了解，但由于人體也是個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，所以修補(bǔ)這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的學(xué)問必然是個(gè)更復(fù)雜的學(xué)科。
包括紙質(zhì)書為何不會(huì)衰落，盡管書城有可能衰落，由于書城面對(duì)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手是電商、短視頻等渠道。但紙質(zhì)書面對(duì)的是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)——人腦。我也看電子書，但電子書看之后很容易忘掉。原先這是有科學(xué)根據(jù)的。
刊登在《讀庫(kù)2006》中的《紙質(zhì)書何以延續(xù)至今》一文寫道：“基于目前的考古證據(jù)，人類創(chuàng)造文字的歷史只有五千年，與人類數(shù)百萬年的進(jìn)化史相比，這就是彈指一揮間。也正由于這般，我們并沒有足夠的時(shí)間進(jìn)化出專門用于閱讀的神經(jīng)支路；相反，人類創(chuàng)造的文字系統(tǒng)和閱讀工具必須適應(yīng)我們的腦部”。而紙質(zhì)書便是這樣一種閱讀工具。
“我們的腦部還逗留在數(shù)千年與紙質(zhì)書相隨的閱讀習(xí)慣里，不可能短期內(nèi)進(jìn)化并適應(yīng)新的閱讀習(xí)慣，于是在這樣快速閱讀的過程中，并沒有真的記住哪些信息，只是字面意義上的‘用嘴巴過了一遍’，因?yàn)檎Z音加工跟不上，也就無法對(duì)文本進(jìn)行深度加工。”
為此，紙質(zhì)書籍仍然有不可替代的價(jià)值。
書籍交易的媒介和方法卻是可以代替的。想售出一本書，須要先到達(dá)目標(biāo)讀者。以前讀者通過逛書城發(fā)覺一本書籍，現(xiàn)在更多的讀者在同學(xué)圈、公眾號(hào)、社交網(wǎng)站、短視頻里發(fā)覺書籍。
此前認(rèn)為短視頻與書籍是互斥的，短視頻與書籍即使在時(shí)間上是互斥的，同一時(shí)間只能看一個(gè)，但若果將書籍的內(nèi)容嵌入視頻，那就共生的關(guān)系，說究竟都是人們獲取知識(shí)或則娛樂的一種渠道。用短視頻作為媒介分享閱讀紙質(zhì)書籍的美好與收獲，前往更多的讀者，也可以是當(dāng)下一種挺好的書籍推廣形式。
隨著技術(shù)的發(fā)展，似乎接出來短視頻會(huì)式微，而混和現(xiàn)實(shí)（MR）之類會(huì)成為新時(shí)代的主流。但萬變不離其宗，我們閱讀的本質(zhì)是好奇心，開書城、做編輯、做短視頻、做營(yíng)銷等本質(zhì)都是知識(shí)的傳播與分享。
但，書籍永遠(yuǎn)不會(huì)衰落，起碼在我們攻破人類神經(jīng)系統(tǒng)這個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)之前。
參考資料
書籍：
《復(fù)雜》（梅拉妮·米歇爾）
《復(fù)雜的引擎》（梅菲爾德）
公號(hào)文章：
《深度剖析2021年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)》（張江，集智俱樂部）
《復(fù)雜的世界簡(jiǎn)單的規(guī)律》（中國(guó)科學(xué)刊物）
《剛剛，2021諾貝爾獎(jiǎng)數(shù)學(xué)學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了研究復(fù)雜化學(xué)系統(tǒng)的她們》（中科院化學(xué)所）
視頻：
《推翻百年規(guī)則！2021年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)，為什么這么反常》（艾栗夏）
《2021諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)專家剖析》（好奇星人知識(shí)醬）
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