證明人類對全球變暖影響的關鍵一步----諾貝爾物理學獎得主克勞斯·哈塞爾曼的傳奇經歷

2021-10-07 10:27:21 來源: 科技日報 作者: 李山

科技日報駐德國記者 李山

2021年10月5日,即將迎來90歲生日的德國科學家克勞斯·哈塞爾曼與另外兩位科學家一起榮獲了2021年諾貝爾物理學獎。作為享有世界聲譽的海洋學家、氣象和氣候學家以及物理學家,哈塞爾曼教授走向諾獎的科學道路值得回顧。

晶體檢波器激發對物理的興趣

哈塞爾曼1931年10月出生于德國漢堡一個社會民主黨家庭。大約3歲時,舉家移民到了英國,住在倫敦以北30 公里的小鎮韋林花園城。大約13歲時,他以相當于一張電影票的價格從朋友手里買到一個晶體檢波器。這是20世紀早期的無線電接收器中使用的一種電子元件,接上合適的電路就是一臺簡易的收音機。正是耳機里傳來的音樂聲激發了兒時的哈塞爾曼對物理學的濃厚興趣,促使他自己去圖書館學習無線電的原理。在那個階段他還制造了電動機之類的東西,為此家里經常出現短路。

1949 年高中畢業后,哈塞爾曼和家人一起回到德國,在漢堡大學學習,1955 年獲得了物理學和數學的文憑。1955 年到 1957 年,僅僅用了不到兩年時間,他就在馬克斯·普朗克流體動力學研究所和哥廷根大學獲得了博士學位。博士論文的重點是對各向同性湍流的基本動力學方程進行更流暢的推導。他用德國第一臺電子計算機 G1 獲得了非常好的計算結果。之后,哈塞爾曼回到漢堡大學做了3年的博士后,繼續研究湍流理論。隨后在漢堡大學造船研究所繼續進行流體動力學研究,主要是在船尾流中進行湍流實驗工作。

1961 年,受著名海洋科學家沃爾特·蒙克的邀請,哈塞爾曼前往美國加州大學洛杉磯分校地球和行星物理研究所(IGPP)任助理教授,在拉霍亞度過了3年多富有成果和刺激的時光,并參加了蒙克組織的大型海洋波浪實驗。從1966 年起,他擔任漢堡大學地球物理和行星物理研究所的教授,以及加利福尼亞州拉霍亞斯克里普斯海洋學研究所的教授。期間,德國聯邦科學技術部可謂“慧眼識珠”,專門提供了資金在漢堡大學創建了一個理論地球物理系,聘請哈塞爾曼為該系的主任。1975年,他擔任漢堡大學地球物理學研究所所長。1975 年至1999 年11月,他擔任漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所所長。1988年至1999 年,他擔任漢堡德國氣候計算中心的科學主任。

軍事演習拯救關鍵的海浪研究計劃

哈塞爾曼在海洋學方面的聲譽主要建立在一系列關于海浪非線性相互作用的論文之上。1968年至1969年間,哈塞爾曼在不經意間獲得了難得的機會,協調英國、荷蘭、美國、德國等國家的有關單位進行了“聯合北海波浪計劃”(簡稱JONSWAP),從丹麥、德國交界處西海岸的敘爾特島沿西偏北方向布置一個測波斷面伸入北海達160km,沿斷面共布置了13個觀測站,采用多種觀測儀器觀測波浪。由于北約在北海進行大型海空導彈試驗。JONSWAP的實驗計劃被迫改為1968年只做簡化實驗,1969年在軍方資助下重做完整實驗。

由于準備不足和通信被干擾等原因,第一次試驗徹底失敗,幾乎沒有獲得多少有用的數據。假如沒有軍事演習,JONSWAP將面臨十分尷尬的境地。幸運的是,德國國防部的資助讓他們一年后可以重新進行實驗。第二年,哈塞爾曼吸取教訓再次組織進行全面的實驗,所有設備都運行良好,獲得了一個非常好的數據集。對這些數據的分析為后來開發現代波浪模型奠定了基礎。幾年后開發出的海浪模型 WAM被全球200多個中心使用。海浪譜Jonswap迄今仍被廣泛應用在海洋科學、海洋工程領域。

哈塞爾曼說:“JONSWAP無疑是我參與過的最成功的實驗。”就哈塞爾曼的職業生涯而言,他的確非常幸運,碰巧發展了相關理論,發起了實驗并協調了分析。總而言之,JONSWAP的成功對哈塞爾曼的研究和發展產生了十分積極的影響。這對他后來被選中擔任馬克斯·普朗克氣象研究所所長也有幫助,因為這表明他有足夠的靈活性來開發一個新的氣候研究計劃。

氣候研究證明人類對全球變暖的影響

伴隨著JONSWAP計劃的成功,1972年,哈塞爾曼以海洋專家的身份成為全球大氣研究計劃(GARP)聯合組織委員會的成員,并參與了后來成為世界氣候研究計劃的準備工作。1974年,他參加了在斯德哥爾摩召開的第一次氣候會議,主持其中一個涉及海洋和氣候的工作組。在隨后的赫爾辛基海洋與氣候會議中,他擔任了會議的共同召集人。這兩次會議為后來在日內瓦的會議上創建世界氣候研究計劃奠定了基礎。

哈塞爾曼1979年發表的關于大氣響應研究中的信噪比問題被認為是證明人類對全球變暖影響的關鍵一步。其重要研究貢獻是氣候變化檢測和歸因。分析氣候變化時會存在很多“噪聲”,也就是地球氣候系統自身存在的冷暖變化,這些變化和人類活動無關。氣候變化檢測和歸因研究就證明人類活動對氣候變化的影響是可以被檢測到的。哈塞爾曼在1979年的一篇論文中指出了這一點。后來有大量相關論文發表。在全球變暖科學領域,哈塞爾曼是1991年至2001年出版物獲得最多參考文獻引用的作者。

此外,在開發氣候模型方面哈塞爾曼也做出了開創性工作。1976 年,他開發了一個隨機氣候模型(哈塞爾曼模型),其中類似于布朗運動的隨機波動確保了氣候的可變性。他首先是使用簡單的模型來展示一些關于自然氣候變率的基本概念。接著構建更現實的模型,并將這些想法應用于整個氣候系統,即耦合的海洋—大氣環流模型。復雜模型的一個基本困難是,隨著它們通過合并更多過程和自由度而變得更加逼真,它們變得與它們模擬的真實系統一樣難以理解。哈塞爾曼設計一些方法來構建更簡單的模型,這些模型僅根據一些基本的交互模式來捕捉控制整個復雜系統動力學的主要過程。

哈塞爾曼后來回憶稱,他是在前往赫爾辛基開會的飛機上想到可以通過與布朗運動類比的大氣的短期波動來非常簡單地解釋長期氣候變化的。通過原先在湍流理論和熱線湍流測量方面的工作,他熟悉各種形式的隨機過程。隨機強迫概念的要點是可以很簡單地通過分離來理解氣候系統中噪音的起源和結構時間尺度。噪聲的來源是短時間尺度的湍流大氣。然后,這會在氣候系統的其余部分產生更長的時間尺度上的變化。哈塞爾曼還提出了相關的定量估計。這很快導致人們發現并普遍接受人為全球變暖是真實的。

諾獎委員會的總結稱,所有復雜系統都由許多相互作用的不同部分組成。物理學家已經對它們進行了幾個世紀的研究,并且很難用數學來描述它們——它們可能有大量的組成部分,或者受偶然支配。它們也可能是混沌系統,就像天氣一樣,初始值的小偏差會導致后期的巨大差異。今年的獲獎者都為我們加深對這類系統及其長期演化做出了貢獻。地球的氣候是復雜系統的眾多例子之一。哈塞爾曼創建了一個將天氣和氣候聯系在一起的模型,從而回答了為什么氣候模型能夠可靠,盡管天氣是多變和混沌的。他還研究出了識別自然現象和人類活動在氣候中留下印記的特定信號和指紋的方法。他的方法已經被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

提出經典理論必然會與主流作斗爭

哈塞爾曼說:“我想解決我認為我能夠解決的問題。”他想以物理學家的身份從事一項實際的、可解決的任務。所以他投身流體動力學研究。他從理論上解決的第一個問題是海浪分量的非線性耦合問題。后來,他逐漸轉向海洋學、氣象學和氣候研究,并取得了豐碩的成果。鑒于社會公眾的需求,他甚至開發了耦合的氣候經濟模型來確定減緩氣候變化的排放路徑。退休之后,哈塞爾曼又潛心進行量子場論、基本粒子物理學和廣義相對論的研究。

自從上世紀60年代中期寫了關于地球物理波場中波—波相互作用的費曼圖論文以來,哈塞爾曼一直在研究粒子物理學。盡管受到質疑,哈塞爾曼仍確信量子場論中的某些東西基本上是錯誤的。他認為量子場論的問題不在于它可以描述的現象的有限范圍,以某些參數范圍為特征,而是在于基本概念本身,在于否定真實對象的存在。量子場論只捕獲了一半的事實,即波粒二象性問題的波方面。對于受到的嘲諷,哈塞爾曼堅持認為,“任何試圖提出經典理論的人都在與強大的主流作斗爭”。

哈塞爾曼謙虛地表示,自己成功的部分主要是“掙工資的部分”。大多數科學家都肯定會產生與他們的薪水相稱的結果。對于他自己而言,氣候、海浪和衛星遙感就是這樣三個典型的領域。另一方面,真正讓他感興趣的事情,是那些根本不清楚是否會成功的問題,比如湍流理論或量子現象。因為沒有一條通往成功解決方案的明顯道路。但對于年輕的科學家,哈塞爾曼建議,如果不認為自己是一個天才,那么就先去做一些對社會有用的研究。這能帶來自由,使人能夠處理長期無法解決的問題,而不必面臨不斷取得成果的壓力。

責任編輯: 馬嘉悅
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