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他证明了“人类的错”!——诺奖得主克劳斯·哈塞尔曼的传奇经历

导读:作为享有世界声誉的海洋学家、气象和气候学家以及物理学家,哈塞尔曼教授走向诺奖的科学道路值得回顾。

 

2021年10月5日,即将迎来90岁生日的德国科学家克劳斯·哈塞尔曼与另外两位科学家一起荣获了2021年诺贝尔物理学奖。作为享有世界声誉的海洋学家、气象和气候学家以及物理学家,哈塞尔曼教授走向诺奖的科学道路值得回顾。

 

晶体检波器激发对物理的兴趣

 

哈塞尔曼1931年10月出生于德国汉堡一个社会民主党家庭。大约3岁时,举家移民到了英国,住在伦敦以北30公里的小镇韦林花园城。大约13岁时,他以相当于一张电影票的价格从朋友手里买到一个晶体检波器。这是20世纪早期的无线电接收器中使用的一种电子元件,接上合适的电路就是一台简易的收音机。正是耳机里传来的音乐声激发了儿时的哈塞尔曼对物理学的浓厚兴趣,促使他自己去图书馆学习无线电的原理。在那个阶段他还制造了电动机之类的东西,为此家里经常出现短路。

 

1949年高中毕业后,哈塞尔曼和家人一起回到德国,在汉堡大学学习,1955年获得了物理学和数学的文凭。1955年到1957年,仅仅用了不到两年时间,他就在马克斯·普朗克流体动力学研究所和哥廷根大学获得了博士学位。博士论文的重点是对各向同性湍流的基本动力学方程进行更流畅的推导。他用德国第一台电子计算机G1获得了非常好的计算结果。之后,哈塞尔曼回到汉堡大学做了3年的博士后,继续研究湍流理论。随后在汉堡大学造船研究所继续进行流体动力学研究,主要是在船尾流中进行湍流实验工作。

 

1961年,受著名海洋科学家沃尔特·蒙克的邀请,哈塞尔曼前往美国加州大学洛杉矶分校地球和行星物理研究所(IGPP)任助理教授,在拉霍亚度过了3年多富有成果和刺激的时光,并参加了蒙克组织的大型海洋波浪实验。从1966 年起,他担任汉堡大学地球物理和行星物理研究所的教授,以及加利福尼亚州拉霍亚斯克里普斯海洋学研究所的教授。期间,德国联邦科学技术部可谓“慧眼识珠”,专门提供了资金在汉堡大学创建了一个理论地球物理系,聘请哈塞尔曼为该系的主任。1975年,他担任汉堡大学地球物理学研究所所长。1975 年至1999年11月,他担任汉堡马克斯·普朗克气象研究所所长。1988年至1999 年,他担任汉堡德国气候计算中心的科学主任。

 

军事演习拯救关键的海浪研究计划

 

哈塞尔曼在海洋学方面的声誉主要建立在一系列关于海浪非线性相互作用的论文之上。1968年至1969年间,哈塞尔曼在不经意间获得了难得的机会,协调英国、荷兰、美国、德国等国家的有关单位进行了“联合北海波浪计划”(简称JONSWAP),从丹麦、德国交界处西海岸的叙尔特岛沿西偏北方向布置一个测波断面伸入北海达160km,沿断面共布置了13个观测站,采用多种观测仪器观测波浪。由于北约在北海进行大型海空导弹试验,JONSWAP的实验计划被迫改为1968年只做简化实验,1969年在军方资助下重做完整实验。

 

由于准备不足和通信被干扰等原因,第一次试验彻底失败,几乎没有获得多少有用的数据。假如没有军事演习,JONSWAP将面临十分尴尬的境地。幸运的是,德国国防部的资助让他们一年后可以重新进行实验。第二年,哈塞尔曼吸取教训再次组织进行全面的实验,所有设备都运行良好,获得了一个非常好的数据集。对这些数据的分析为后来开发现代波浪模型奠定了基础。几年后开发出的海浪模型WAM被全球200多个中心使用。海浪谱Jonswap迄今仍被广泛应用在海洋科学、海洋工程领域。

 

哈塞尔曼说:“JONSWAP无疑是我参与过的最成功的实验。”就哈塞尔曼的职业生涯而言,他的确非常幸运,碰巧发展了相关理论,发起了实验并协调了分析。总而言之,JONSWAP的成功对哈塞尔曼的研究和发展产生了十分积极的影响。这对他后来被选中担任马克斯·普朗克气象研究所所长也有帮助,因为这表明他有足够的灵活性来开发一个新的气候研究计划。

 

气候研究证明人类对全球变暖的影响

 

伴随着JONSWAP计划的成功,1972年,哈塞尔曼以海洋专家的身份成为全球大气研究计划(GARP)联合组织委员会的成员,并参与了后来成为世界气候研究计划的准备工作。1974年,他参加了在斯德哥尔摩召开的第一次气候会议,主持其中一个涉及海洋和气候的工作组。在随后的赫尔辛基海洋与气候会议中,他担任了会议的共同召集人。这两次会议为后来在日内瓦的会议上创建世界气候研究计划奠定了基础。

 

哈塞尔曼1979年发表的关于大气响应研究中的信噪比问题被认为是证明人类对全球变暖影响的关键一步。其重要研究贡献是气候变化检测和归因。分析气候变化时会存在很多“噪声”,也就是地球气候系统自身存在的冷暖变化,这些变化和人类活动无关。气候变化检测和归因研究就证明人类活动对气候变化的影响是可以被检测到的。哈塞尔曼在1979年的一篇论文中指出了这一点。后来有大量相关论文发表。在全球变暖科学领域,哈塞尔曼是1991年至2001年出版物获得最多参考文献引用的作者。

 

此外,在开发气候模型方面哈塞尔曼也做出了开创性工作。1976年,他开发了一个随机气候模型(哈塞尔曼模型),其中类似于布朗运动的随机波动确保了气候的可变性。他首先是使用简单的模型来展示一些关于自然气候变率的基本概念。接着构建更现实的模型,并将这些想法应用于整个气候系统,即耦合的海洋—大气环流模型。复杂模型的一个基本困难是,随着它们通过合并更多过程和自由度而变得更加逼真,它们变得与它们模拟的真实系统一样难以理解。哈塞尔曼设计一些方法来构建更简单的模型,这些模型仅根据一些基本的交互模式来捕捉控制整个复杂系统动力学的主要过程。

 

哈塞尔曼后来回忆称,他是在前往赫尔辛基开会的飞机上想到可以通过与布朗运动类比的大气的短期波动来非常简单地解释长期气候变化的。通过原先在湍流理论和热线湍流测量方面的工作,他熟悉各种形式的随机过程。随机强迫概念的要点是可以很简单地通过分离来理解气候系统中噪音的起源和结构时间尺度。噪声的来源是短时间尺度的湍流大气。然后,这会在气候系统的其余部分产生更长的时间尺度上的变化。哈塞尔曼还提出了相关的定量估计。这很快导致人们发现并普遍接受人为全球变暖是真实的。

 

诺奖委员会的总结称,所有复杂系统都由许多相互作用的不同部分组成。物理学家已经对它们进行了几个世纪的研究,并且很难用数学来描述它们——它们可能有大量的组成部分,或者受偶然支配。它们也可能是混沌系统,就像天气一样,初始值的小偏差会导致后期的巨大差异。今年的获奖者都为我们加深对这类系统及其长期演化做出了贡献。地球的气候是复杂系统的众多例子之一。哈塞尔曼创建了一个将天气和气候联系在一起的模型,从而回答了为什么气候模型能够可靠,尽管天气是多变和混沌的。他还研究出了识别自然现象和人类活动在气候中留下印记的特定信号和指纹的方法。他的方法已经被用来证明大气温度的升高是由于人类排放的二氧化碳。

 

提出经典理论必然会与主流作斗争

 

哈塞尔曼说:“我想解决我认为我能够解决的问题。”他想以物理学家的身份从事一项实际的、可解决的任务。所以他投身流体动力学研究。他从理论上解决的第一个问题是海浪分量的非线性耦合问题。后来,他逐渐转向海洋学、气象学和气候研究,并取得了丰硕的成果。鉴于社会公众的需求,他甚至开发了耦合的气候经济模型来确定减缓气候变化的排放路径。退休之后,哈塞尔曼又潜心进行量子场论、基本粒子物理学和广义相对论的研究。

 

自从上世纪60年代中期写了关于地球物理波场中波—波相互作用的费曼图论文以来,哈塞尔曼一直在研究粒子物理学。尽管受到质疑,哈塞尔曼仍确信量子场论中的某些东西基本上是错误的。他认为量子场论的问题不在于它可以描述的现象的有限范围,以某些参数范围为特征,而是在于基本概念本身,在于否定真实对象的存在。量子场论只捕获了一半的事实,即波粒二象性问题的波方面。对于受到的嘲讽,哈塞尔曼坚持认为,“任何试图提出经典理论的人都在与强大的主流作斗争”。

 

哈塞尔曼谦虚地表示,自己成功的部分主要是“挣工资的部分”。大多数科学家都肯定会产生与他们的薪水相称的结果。对于他自己而言,气候、海浪和卫星遥感就是这样三个典型的领域。另一方面,真正让他感兴趣的事情,是那些根本不清楚是否会成功的问题,比如湍流理论或量子现象。因为没有一条通往成功解决方案的明显道路。但对于年轻的科学家,哈塞尔曼建议,如果不认为自己是一个天才,那么就先去做一些对社会有用的研究。这能带来自由,使人能够处理长期无法解决的问题,而不必面临不断取得成果的压力。

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