導(dǎo)讀： 作為享有世界聲譽(yù)的海洋學(xué)家、氣象和氣候?qū)W家以及物理學(xué)家，哈塞爾曼教授走向諾獎(jiǎng)的科學(xué)道路值得回顧。

2021年10月5日，即將迎來(lái)90歲生日的德國(guó)科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼與另外兩位科學(xué)家一起榮獲了2021年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為享有世界聲譽(yù)的海洋學(xué)家、氣象和氣候?qū)W家以及物理學(xué)家，哈塞爾曼教授走向諾獎(jiǎng)的科學(xué)道路值得回顧。

晶體檢波器激發(fā)對(duì)物理的興趣

哈塞爾曼1931年10月出生于德國(guó)漢堡一個(gè)社會(huì)民主黨家庭。大約3歲時(shí)，舉家移民到了英國(guó)，住在倫敦以北30公里的小鎮(zhèn)韋林花園城。大約13歲時(shí)，他以相當(dāng)于一張電影票的價(jià)格從朋友手里買到一個(gè)晶體檢波器。這是20世紀(jì)早期的無(wú)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(tái)簡(jiǎn)易的收音機(jī)。正是耳機(jī)里傳來(lái)的音樂(lè)聲激發(fā)了兒時(shí)的哈塞爾曼對(duì)物理學(xué)的濃厚興趣，促使他自己去圖書館學(xué)習(xí)無(wú)線電的原理。在那個(gè)階段他還制造了電動(dòng)機(jī)之類的東西，為此家里經(jīng)常出現(xiàn)短路。

1949年高中畢業(yè)后，哈塞爾曼和家人一起回到德國(guó)，在漢堡大學(xué)學(xué)習(xí)，1955年獲得了物理學(xué)和數(shù)學(xué)的文憑。1955年到1957年，僅僅用了不到兩年時(shí)間，他就在馬克斯·普朗克流體動(dòng)力學(xué)研究所和哥廷根大學(xué)獲得了博士學(xué)位。博士論文的重點(diǎn)是對(duì)各向同性湍流的基本動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行更流暢的推導(dǎo)。他用德國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)g1獲得了非常好的計(jì)算結(jié)果。之后，哈塞爾曼回到漢堡大學(xué)做了3年的博士后，繼續(xù)研究湍流理論。隨后在漢堡大學(xué)造船研究所繼續(xù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)研究，主要是在船尾流中進(jìn)行湍流實(shí)驗(yàn)工作。

1961年，受著名海洋科學(xué)家沃爾特·蒙克的邀請(qǐng)，哈塞爾曼前往美國(guó)加州大學(xué)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(guò)了3年多富有成果和刺激的時(shí)光，并參加了蒙克組織的大型海洋波浪實(shí)驗(yàn)。從1966 年起，他擔(dān)任漢堡大學(xué)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(xué)研究所的教授。期間，德國(guó)聯(lián)邦科學(xué)技術(shù)部可謂“慧眼識(shí)珠”，專門提供了資金在漢堡大學(xué)創(chuàng)建了一個(gè)理論地球物理系，聘請(qǐng)哈塞爾曼為該系的主任。1975年，他擔(dān)任漢堡大學(xué)地球物理學(xué)研究所所長(zhǎng)。1975 年至1999年11月，他擔(dān)任漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所所長(zhǎng)。1988年至1999 年，他擔(dān)任漢堡德國(guó)氣候計(jì)算中心的科學(xué)主任。

軍事演習(xí)拯救關(guān)鍵的海浪研究計(jì)劃

哈塞爾曼在海洋學(xué)方面的聲譽(yù)主要建立在一系列關(guān)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(jīng)意間獲得了難得的機(jī)會(huì)，協(xié)調(diào)英國(guó)、荷蘭、美國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的有關(guān)單位進(jìn)行了“聯(lián)合北海波浪計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱jonswap），從丹麥、德國(guó)交界處西海岸的敘爾特島沿西偏北方向布置一個(gè)測(cè)波斷面伸入北海達(dá)160km，沿?cái)嗝婀膊贾昧?/span>13個(gè)觀測(cè)站，采用多種觀測(cè)儀器觀測(cè)波浪。由于北約在北海進(jìn)行大型?？諏?dǎo)彈試驗(yàn)，jonswap的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃被迫改為1968年只做簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，1969年在軍方資助下重做完整實(shí)驗(yàn)。

由于準(zhǔn)備不足和通信被干擾等原因，第一次試驗(yàn)徹底失敗，幾乎沒(méi)有獲得多少有用的數(shù)據(jù)。假如沒(méi)有軍事演習(xí)，jonswap將面臨十分尷尬的境地。幸運(yùn)的是，德國(guó)國(guó)防部的資助讓他們一年后可以重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。第二年，哈塞爾曼吸取教訓(xùn)再次組織進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)，所有設(shè)備都運(yùn)行良好，獲得了一個(gè)非常好的數(shù)據(jù)集。對(duì)這些數(shù)據(jù)的分析為后來(lái)開(kāi)發(fā)現(xiàn)代波浪模型奠定了基礎(chǔ)。幾年后開(kāi)發(fā)出的海浪模型wam被全球200多個(gè)中心使用。海浪譜jonswap迄今仍被廣泛應(yīng)用在海洋科學(xué)、海洋工程領(lǐng)域。

哈塞爾曼說(shuō)：“jonswap無(wú)疑是我參與過(guò)的最成功的實(shí)驗(yàn)?！本凸麪柭穆殬I(yè)生涯而言，他的確非常幸運(yùn)，碰巧發(fā)展了相關(guān)理論，發(fā)起了實(shí)驗(yàn)并協(xié)調(diào)了分析。總而言之，jonswap的成功對(duì)哈塞爾曼的研究和發(fā)展產(chǎn)生了十分積極的影響。這對(duì)他后來(lái)被選中擔(dān)任馬克斯·普朗克氣象研究所所長(zhǎng)也有幫助，因?yàn)檫@表明他有足夠的靈活性來(lái)開(kāi)發(fā)一個(gè)新的氣候研究計(jì)劃。

氣候研究證明人類對(duì)全球變暖的影響

伴隨著jonswap計(jì)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(jì)劃（garp）聯(lián)合組織委員會(huì)的成員，并參與了后來(lái)成為世界氣候研究計(jì)劃的準(zhǔn)備工作。1974年，他參加了在斯德哥爾摩召開(kāi)的第一次氣候會(huì)議，主持其中一個(gè)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(huì)議中，他擔(dān)任了會(huì)議的共同召集人。這兩次會(huì)議為后來(lái)在日內(nèi)瓦的會(huì)議上創(chuàng)建世界氣候研究計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。

哈塞爾曼1979年發(fā)表的關(guān)于大氣響應(yīng)研究中的信噪比問(wèn)題被認(rèn)為是證明人類對(duì)全球變暖影響的關(guān)鍵一步。其重要研究貢獻(xiàn)是氣候變化檢測(cè)和歸因。分析氣候變化時(shí)會(huì)存在很多“噪聲”，也就是地球氣候系統(tǒng)自身存在的冷暖變化，這些變化和人類活動(dòng)無(wú)關(guān)。氣候變化檢測(cè)和歸因研究就證明人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響是可以被檢測(cè)到的。哈塞爾曼在1979年的一篇論文中指出了這一點(diǎn)。后來(lái)有大量相關(guān)論文發(fā)表。在全球變暖科學(xué)領(lǐng)域，哈塞爾曼是1991年至2001年出版物獲得最多參考文獻(xiàn)引用的作者。

此外，在開(kāi)發(fā)氣候模型方面哈塞爾曼也做出了開(kāi)創(chuàng)性工作。1976年，他開(kāi)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。他首先是使用簡(jiǎn)單的模型來(lái)展示一些關(guān)于自然氣候變率的基本概念。接著構(gòu)建更現(xiàn)實(shí)的模型，并將這些想法應(yīng)用于整個(gè)氣候系統(tǒng)，即耦合的海洋—大氣環(huán)流模型。復(fù)雜模型的一個(gè)基本困難是，隨著它們通過(guò)合并更多過(guò)程和自由度而變得更加逼真，它們變得與它們模擬的真實(shí)系統(tǒng)一樣難以理解。哈塞爾曼設(shè)計(jì)一些方法來(lái)構(gòu)建更簡(jiǎn)單的模型，這些模型僅根據(jù)一些基本的交互模式來(lái)捕捉控制整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的主要過(guò)程。

哈塞爾曼后來(lái)回憶稱，他是在前往赫爾辛基開(kāi)會(huì)的飛機(jī)上想到可以通過(guò)與布朗運(yùn)動(dòng)類比的大氣的短期波動(dòng)來(lái)非常簡(jiǎn)單地解釋長(zhǎng)期氣候變化的。通過(guò)原先在湍流理論和熱線湍流測(cè)量方面的工作，他熟悉各種形式的隨機(jī)過(guò)程。隨機(jī)強(qiáng)迫概念的要點(diǎn)是可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)分離來(lái)理解氣候系統(tǒng)中噪音的起源和結(jié)構(gòu)時(shí)間尺度。噪聲的來(lái)源是短時(shí)間尺度的湍流大氣。然后，這會(huì)在氣候系統(tǒng)的其余部分產(chǎn)生更長(zhǎng)的時(shí)間尺度上的變化。哈塞爾曼還提出了相關(guān)的定量估計(jì)。這很快導(dǎo)致人們發(fā)現(xiàn)并普遍接受人為全球變暖是真實(shí)的。

諾獎(jiǎng)委員會(huì)的總結(jié)稱，所有復(fù)雜系統(tǒng)都由許多相互作用的不同部分組成。物理學(xué)家已經(jīng)對(duì)它們進(jìn)行了幾個(gè)世紀(jì)的研究，并且很難用數(shù)學(xué)來(lái)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(tǒng)，就像天氣一樣，初始值的小偏差會(huì)導(dǎo)致后期的巨大差異。今年的獲獎(jiǎng)?wù)叨紴槲覀兗由顚?duì)這類系統(tǒng)及其長(zhǎng)期演化做出了貢獻(xiàn)。地球的氣候是復(fù)雜系統(tǒng)的眾多例子之一。哈塞爾曼創(chuàng)建了一個(gè)將天氣和氣候聯(lián)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(shí)別自然現(xiàn)象和人類活動(dòng)在氣候中留下印記的特定信號(hào)和指紋的方法。他的方法已經(jīng)被用來(lái)證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

提出經(jīng)典理論必然會(huì)與主流作斗爭(zhēng)

哈塞爾曼說(shuō)：“我想解決我認(rèn)為我能夠解決的問(wèn)題。”他想以物理學(xué)家的身份從事一項(xiàng)實(shí)際的、可解決的任務(wù)。所以他投身流體動(dòng)力學(xué)研究。他從理論上解決的第一個(gè)問(wèn)題是海浪分量的非線性耦合問(wèn)題。后來(lái)，他逐漸轉(zhuǎn)向海洋學(xué)、氣象學(xué)和氣候研究，并取得了豐碩的成果。鑒于社會(huì)公眾的需求，他甚至開(kāi)發(fā)了耦合的氣候經(jīng)濟(jì)模型來(lái)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(jìn)行量子場(chǎng)論、基本粒子物理學(xué)和廣義相對(duì)論的研究。

自從上世紀(jì)60年代中期寫了關(guān)于地球物理波場(chǎng)中波—波相互作用的費(fèi)曼圖論文以來(lái)，哈塞爾曼一直在研究粒子物理學(xué)。盡管受到質(zhì)疑，哈塞爾曼仍確信量子場(chǎng)論中的某些東西基本上是錯(cuò)誤的。他認(rèn)為量子場(chǎng)論的問(wèn)題不在于它可以描述的現(xiàn)象的有限范圍，以某些參數(shù)范圍為特征，而是在于基本概念本身，在于否定真實(shí)對(duì)象的存在。量子場(chǎng)論只捕獲了一半的事實(shí)，即波粒二象性問(wèn)題的波方面。對(duì)于受到的嘲諷，哈塞爾曼堅(jiān)持認(rèn)為，“任何試圖提出經(jīng)典理論的人都在與強(qiáng)大的主流作斗爭(zhēng)”。

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(shù)科學(xué)家都肯定會(huì)產(chǎn)生與他們的薪水相稱的結(jié)果。對(duì)于他自己而言，氣候、海浪和衛(wèi)星遙感就是這樣三個(gè)典型的領(lǐng)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(huì)成功的問(wèn)題，比如湍流理論或量子現(xiàn)象。因?yàn)闆](méi)有一條通往成功解決方案的明顯道路。但對(duì)于年輕的科學(xué)家，哈塞爾曼建議，如果不認(rèn)為自己是一個(gè)天才，那么就先去做一些對(duì)社會(huì)有用的研究。這能帶來(lái)自由，使人能夠處理長(zhǎng)期無(wú)法解決的問(wèn)題，而不必面臨不斷取得成果的壓力。

 [來(lái)源：科技日?qǐng)?bào)]