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边缘科学也能中六合彩?我所了解的物理诺奖得主真锅淑郎

谨以此文献给Syukuro “Suki” Manabe (真锅淑郎) - 2021年诺贝尔物理学奖得主,那个塑造了现代气候模式研究的人。
 
撰文 | 小桃妈
 
2021年的诺贝尔物理学奖颁发给了三位物理学家,表彰他们“对我们理解复杂系统的开创性贡献”。一半的奖金给了Syukuro “Suki” Manabe (真锅淑郎)和Klaus Hasselmann,致敬他们 “发展用于模拟地球气候的物理模型,量化可变性并可靠地预测全球变暖”, 一半的奖金给了Giorgio Parisi 因为他“发现了从原子到行星尺度的物理系统中无序和波动的相互作用”。
新闻一出来, 小桃妈微信朋友圈里的同行同学们都沸腾了。引用一下密歇根大学教授黄师兄的自嘲:“俺们这种不入流的边缘学科,居然也有中六合彩的时候”!
 
其实大气科学领域之前也收获过两枚诺贝尔奖:1995年发现大气臭氧空洞机理的化学奖——这个奖分量挺重,但必须承认大气化学是大气科学里比较新兴和边缘的一个分支;2007年表彰IPCC对气候变化研究和宣传的和平奖——这个奖认可了气候学家的努力,但科学角度意义不大 (不好意思)。然而这一次的物理奖有特别的意义。这个诺贝尔物理奖明确地表彰和认可的是大气科学领域近半世纪以来最核心的研究方法和理论。要知道大气科学在物理界是个小众专业,很多本领域外的人都不太了解这个专业除了天气预报以外,到底做了什么;而对于天气预报,大家估计也不理解里面的物理技术含量。人少力量小容易被忽视,下面这张鄙视链(纯搞笑用,这里面的学科分类都存疑哈),妥妥地把我们孤立出来放在物理科学的金字塔底端。(借着这股诺贝尔奖的东风,文末小桃妈会加个彩蛋,跟大家数数我们对于物理科学的贡献。读者们,为了科学信仰,要记得坚持到最后啊! )
The Big Bang Theory的科学鄙视链, 来源https://www.xuehua.us/a/5eb820a686ec4d601e492951
 
就连这一次诺贝尔物理奖得主之一, Syukuro “Suki” Manabe,自己都很惊讶。Suki 目前在普林斯顿大学和美国大气海洋局的地球流体实验室合办的大气和海洋科学项目 (小桃妈的博士项目)里任职高级气象学家。当天早上接到电话时,Suki感到非常惊讶,他说,“通常,诺贝尔物理学奖授予对物理学做出根本性贡献的物理学家。是的,我的工作基于物理学,但它是地球物理学。这是第一次有这个领域的工作获得诺贝尔奖。” - 这话说的,明显被物理界忽视得已经习惯了。
 
但,Suki确实做出了开创性的工作。瑞典皇家科学院宣布他获奖时指出:“Syukuro Manabe演示了地球大气中二氧化碳含量上升导致温度升高的过程。在1960 年代,他领导了地球气候物理模型的开发,并且是第一个探索辐射平衡与气团垂直输送之间相互作用的人。他的工作为当前气候模型的发展奠定了基础。“ 普林斯顿大学地球科学教授,High Meadows 环境研究所主任Prof. Gabriel Vecchi 说:“整个气候建模领域都起源于 Suki。通过这些工具,他能够提出有关冰河时代成因、不同过程在气候系统中基本作用的问题。他这样做不仅说明了全球变暖的一些潜在后果,而且还为我们提供了如何开展气候科学研究的路线图。” 普林斯顿大学Albert G. Milbank 地球科学和国际事务教授Prof. Michael Oppenheimer说:“Suki 是第一个现代气候模型的制作人,如果没有 Suki 发起的气候科学模式,我们可能仍然知道地球的温室效应由于人类活动而增加,并且地球正在变暖,但将这两个事实联系起来会更加困难,而且不可能在任何有用的细节水平上定量预测未来。”
 
Suki 是地球物理流体动力学实验室 (GFDL) 的创始科学家之一,该实验室是普林斯顿大学和美国国家海洋和大气管理局 (NOAA) 合作创办的国家气候研究实验室, 是世界闻名的气候模型开发和研究的领导者。小桃妈2005-2010在这个项目里读博士,非常有幸遇到他和许多纯粹而有科学激情的大气学家,并有机会跟他们一起工作。在这里先随便聊聊我了解的Suki,以向他致敬!
 
Suki在1931年9月21日出生于日本爱媛县新宫市的一个非常农村的地区。他是医生父亲最小的儿子。他的祖父也是一名医生。所以当他年轻的时候,他也理所当然地一直想成为一名医生。他提前从高中毕业进入了一所六年制医学院,但之后日本教育系统发生改变,所以在1949年Suki重新进入东京大学。他开始意识到他对生物学的研究没有那么深入,也没有产生任何兴趣。他对自己的动手实验能力不太有信心,觉得理论物理里有太多聪明人。他觉得地球物理有很多有趣的现象可以去研究和理解,于是开始学习地球物理学。他在日本接受地球物理学的本科和研究生教育,于1953、1955和1958年在东京大学拿到本科、硕士和博士学位。
 
据说那时日本战后,一片废墟,工作很难找,所以1958年毕业以后他接受了美国国家气象局Dr. Joseph Smagorinsky的邀请,在当年秋天搬到位于华盛顿特区的国家气象局的环流研究科做气象研究员,使用物理学来模拟天气系统。这个科就是现在GFDL的前身, 而国家气象局就是现在的美国大气海洋研究局的前身。Dr. Joseph Smagorinsky 也是一个传奇人物, 他是GFDL的创始人,第一任Director,也可以说是Suki的伯乐。Smagorinsky领导GFDL直到1983年1月退休。当时Smagorinsky 的关键主张是,计算机日益强大的功能,将允许人们超越模拟几天的大气演变 (比如天气预报),而转向模拟地球气候。这种模拟的目的不是预测天气的详细演变,而是通过整合运动方程、热力学和辐射传递足够长的时间,来模拟天气的统计数据—气候—使人们能够研究这些统计数据如何受大气成分、地球表面特征和海洋环流的控制。Smagorinsky一直有一个信念,即个人研究和才能不足以解决如此复杂的问题。NOAA 200周年纪念网站上提到,Smagorinsky有一个很传奇的才能,就是吸引了不少富有创造力的科学家来GFDL工作,这其中就包括这次的诺贝尔奖得主Suki。那时候战后不久,美国主流社会对日本的态度还处在怀疑阶段, 但Smagorinsky重视他们的科学专长和潜力,而摒弃了阻碍这种国际合作的仇外心理。
GFDL创始人,大气科学家, Dr. Joseph Smagorinsky (1924-2005):大二时候因为数理成绩出色被选为空军新兵,进入了空军气象项目,从此和气象结下不解之缘。
 
被Smagorinsky 邀请来的Suki在华盛顿特区的国家气象局工作直到1963年。在这期间的1962年1月26日他和妻子Nobuko Manabe(真锅信子)结婚。在普林斯顿大学诺贝尔物理学奖的新闻发布会上,Suki说他的妻子做饭很好吃,他每天都很享受他妻子的好吃的食物。Suki说自己很不擅长开车,但他妻子很会开车。Suki说他的妻子把孩子们管教得非常好,所以他才可能100%专注于研究。这样的感谢他在很多领奖场合都表达过。比如在2010年12月的美国地球物理学会秋季年会上拿到William Bowie Medal的领奖感言里这样说:感谢我的妻子,感谢她50多年里对我这个在生活中恍恍惚惚的科研人的鼓励和照顾。这里要致敬一下在巨人背后默默支持的那个全能小妇人!
Suki (右二)和他的夫人(左二)2018年在斯德哥尔摩领取Crafoord奖的照片,从左到右分别是斯德哥尔摩皇家瑞典科学院院长克里斯蒂娜·莫伯格、真锅信子(Suki夫人)、获奖者真锅淑郎 (Suki)和马丁·雅各布森教授, 来源:https://twitter.com/vetenskapsakad/status/999245719289696261
Suki得知自己获得诺贝尔奖时在夫人的镜头里露出孩子般快乐的笑脸, 来源:https://twitter.com/NobelPrize
 
1963 年,Suki从华盛顿特区来到普林斯顿大学帮助领导地球流体力学实验室。婚后的Suki在科研上非常高产。在Smagorinsky的安排下,Suki主要专注于发展三维气候模型关系到大气的那一部分工作。Smagorinsky还给Suki招募了很多编程人员,这样Suki能够专注于模型的数学结构,而不会过度参与编码。Suki的第一步是加入水汽开发了一维柱状大气模式,研究辐射-对流平衡和水汽的影响。借助这个模式,他们1967年发表的文章发现,由于大气二氧化碳浓度增加,地球大气的对流层温度升高而平流层温度降低。对于发展全球环流气候模式来说,这是关键的一步。
 
Suki在1968年成为普林斯顿大学“教授讲师”(Lecturer With Professorship)。这个位置事实上表明Suki是终身教授级别的,他的终身职位受政府保障,是普林斯顿大学和政府共同支持的。GFDL国家实验室保证了Suki的丰富无忧的研究经费、技术人力和计算资源,这样他可以自由地做喜欢的研究项目。做学术的人都知道,写科研项目计划书 (proposal)申请资金是非常痛苦的过程,而Suki在美国物理学会1989年录制的口述历史访谈里提到,自己从来没有为自己的科研项目写过一份计划书 - “在GFDL实验室工作最棒的一点就是:我从来没有过,一辈子没有过,申请任何的科研经费。” 当时的主持人都很惊讶,说:“啊, 内部申请都不需要么?甚至实验室主任那边都不需要?”Suki回答说:“不,不需要,我们最多只需要写年度总结报告。”然后他很热情地说GFDL实验20周年年度报告很好,在语音访谈中间一直到处找,想拿给主持人看。
 
小桃妈读博的时候,有不少科学家都跟我提到GFDL这个独特的优点。GFDL对学生也非常友好,每年暑假付双倍工资。我记得我读博士时候每个月奖学金是2600美元,平时付食宿费交税之类的,其实不太容易能攒下来。但到了暑假,账户就蹭蹭涨上去了。所以我在一年级暑假后从我博士老板那里买了一辆二手Honda的车,终于实现了开车去校外的GFDL实验室工作的自由。因为办公室在校外,在当时学生中我算买车早的。每天开车去实验室,所以驾驶经验多一点,因此还带了几个徒弟,其中包括小桃爸。另一方面,普林斯顿大学也提供了Suki授课和招收培养高质量的博士生,以及与其他顶级科学家合作交流的机会。这样的合作关系在美国几个顶级实验室和大学都存在 (比如Caltech和JPL,UC Berkeley and LBNL, 还有Stanford和Carnegie Institution for Science) ,对于发展长期大型的科研项目非常有帮助,从我的亲身经历来看,也非常有益于研究生培养和锻炼。
 
Suki培养的第一个学生,也是我敬仰的一个GFDL的教授,是美国科学院院士,研究大气动力学的Dr. Isaac Held。普林斯顿大学的明师兄提供了这样一个八卦:Isaac曾经在石溪大学和杨振宁学理论物理, 后来觉得和现实太脱节,于是转学跟Suki研究气候。Isaac天分太高,让Suki觉得带学生好容易啊,基本不用管。Isaac这个得意门生对Suki的评价也很高。Isaac天赋很高,比较严肃,要求也高,一般不轻易夸人的。Isaac说:“Suki是一个谦虚的人,他很有趣,他对自己的研究很兴奋。他对气候系统的直观感受给我留下了深刻的印象。” “这就是从一开始就让我印象深刻的地方。”“他似乎更了解事物如何组合在一起,什么是重要的,什么是不重要的,尤其是那些与气候变化和对温室气体增加的反应相关的事情。他遥遥领先。他的所有想法——几乎所有想法——都被证明是正确的,并且是该主题的基础。”
大气动力学家,美国科学院院士Dr. Isaac Held, 来源:https://www.pnas.org/content/103/7/2012
 
1969年Suki Manabe和Kirk Bryan(一位先驱海洋学家,也是Smagorinsky招募来GFDL研究海洋对气候影响的),发表了第一个大气和海洋耦合气候模式。1975年,他们第一次用这个模式模拟气候变化对温度和降水的影响。在1990年代,Suki的研究组使用这个大气海洋耦合模式来研究气候对大气温室气体浓度变化的响应,并发表了一系列的文章。他们还使用这个模式研究古气候。
1969年,海洋学家 Kirk Bryan (左一),气候学家Suki (中间)和GFDL实验室主任Joseph Smagorinsky(右一),来源:https://www.princeton.edu/news/2020/07/29/climate-modeling-princeton
海洋学家 Kirk Bryan,来源:https://www.researchgate.net/profile/Kirk-Bryan, 我能在网上找的唯一一张单人,据明师兄说真人温文尔雅,高且帅 -注:明师兄本身外形条件也不错,得其夸奖如此应该很不简单。这也符合他在ResearchGate上面友善的简介给我的感觉 —— “I am no longer doing research, but am interested in what my younger friends are doing. I appreciate Research Gate.”
 
Suki一直在Princeton University/GFDL工作到1997年。这期间,他于1975年加入美国国籍。诺贝尔奖的新闻发布会上有个日本记者提出了一个比较刁钻的问题,你为什么加入美国国籍?我都紧张得捏了一把汗。老先生非常实诚,他说日本人之间太和谐了,大家都太在乎别人的看法,比如日本人说yes,其实他本性并不一定想说yes,只是因为在乎其他人的想法而说yes。他说他不适合这个和谐的氛围,喜欢简单直接和自由做科研,所以留在了美国。这一点也确实是有事(八)实(卦)佐证的(见下文)。
1970 年代后期,Syukuro Manabe在地球物理流体动力学实验室的办公室里, 来源:https://physicstoday.scitation.org/doi/10.1063/PT.3.4571
 
1997年他受邀请回日本工作,做日本全球变化前沿研究中心全球暖化研究项目的主任。 但很快,2002年他回到美国,继续在普林斯顿大学工作,开始在大气和海洋科学项目担任访问研究员,2005年被聘请为普林斯顿大学的高级气象学家。为啥这么快回美国呢?明师兄说,因为Suki退休以后回日本做行政,结果不怎么理想,被评价已经彻底美国化了,所以又回来了。在普林斯顿大学的诺贝尔奖新闻发布会上,一个日本记者问Suki对日本科研系统的建议是什么?是个蛮难的问题。老先生欲言又止,斟酌半天,说日本的科研跟美国比没有那么被好奇心驱动。他觉得美国科学院在给政府交流提供建议方面做得更好。
 
Suki是个非常非常纯粹的科学家,对他而言的气候科学,就是孩子最心爱的玩具,他一直捧着爱不释手。在普林斯顿大学的诺贝尔奖新闻发布会上,他说了科研应该由好奇心来驱动。他毫不吝啬地表达自己对气候科学的热爱,号召大家都来用气候模式研究气候科学。最后主持人不得不打断他,说我们这个新闻发布会还是回到主题来回答记者的问题吧。
 
Suki把毕生的热情都放在气候研究上。明师兄还分享了一个很有趣的轶事,Suki退休后,嫌别人给他寄信打扰,就做了一个Deceased(已逝)的图章,把来信盖章退回。真是让人哭笑不得的老顽童!
 
在新闻发布会上,Suki回答FOX记者的关于为什么在现在这个时间点授予他诺贝尔奖的刁钻问题,也很有顽童风格。他说:“我看看诺贝尔物理奖的获奖者名单,我说我的老天爷,这些家伙都是做出了杰出贡献的啊。我再看看我自己做的工作,我说天呐,比不上他们啊。然后我就觉得吧,这个奖真是个大惊喜啊。但我又想到现在的世界要面对很多的危机,气候危机,Covid危机,两个都是人类面临的大危机,也许这个奖是奖励我去理解这些危机和问题为什么会出现的努力。这样想也就ok了。” 听众们和主持都跟着笑场了。
 
小桃妈在普林读博的时候经常在报告会的时候看见Suki,他每次带着笔和本子,坐在报告厅前排右边,很认真地听报告做笔记,常常问问题,瘦小但精神矍铄,当时我就想能做科研一直到七老八十也是很幸福的事啊!而这也是新闻发布会上GFDL的高级科学家Tom Delworth提到的场景。Suki就是这样对科学专注充满好奇。
 
Tom把Suki比喻成大气科学界的迈克尔·乔丹。象乔丹一样,Suki改变了整个领域,收获了无数的奖项而且享有盛誉。他2018年赴瑞典接受克拉福德地球科学奖。他还获得了 1993 年美国地球物理联盟颁发的 Roger Revelle 奖章、1992 年首届朝日玻璃基金会蓝色星球奖、2010年美国地球物理学会的William Bowie Medal和 2015 年费城富兰克林研究所颁发的地球与环境科学本杰明富兰克林奖章等。他是美国国家科学院院士、美国气象学会和美国地理联盟等众多机构的成员。
 
他本人在盛名之下非常简朴纯粹,平易近人。普林斯顿大学教授Dr. Michael Oppenheimer说:“Suki 是那种罕见的组合:既聪明又谦虚。” Suki 也总是对年轻气候科学家的研究表现出强烈的好奇心和真正的兴趣。在普林斯顿大学时,他经常领着一帮学生和博后步行两公里去一个食堂吃饭,一行人中经常是他说话最多。
 
虽然他90高龄,接受过无数的访谈,早已身经百战,然而在普林斯顿大学为他办的新闻发布会上,他却表现得有些拘谨和小心。其实气候科学中有很多在媒体闪光灯聚焦下滔滔不绝的科学家,他们帮助气候科学获得了很多的曝光率,但我更崇拜的是像他一样有点腼腆,不夸夸其谈,真正认真做学问寻找答案的人。
Suki (中间),普林斯顿大学教授Robert Socolow(左一)和普林大一新生在一起,来源:https://www.princeton.edu/news/2021/10/05/great-fun-manabe-wins-nobel-prize-physics-modeling-climate-change
 
最后推荐一本Suki和同事 (Anthony J. Broccoli) 撰写的书《Beyond Global Warming: How Numerical Models Revealed the Secrets of Climate Change》,2020年由普林斯顿大学出版社出版,这本书是对Suki开创的气候模式领域许多重大发展的总结,也是对他职业生涯的致敬。
来源:https://press.princeton.edu/books/hardcover/9780691058863/beyond-global-warming
 
你们等的彩蛋来了 - 关于大气科学对基础物理的贡献
 
注1:很多整理自跟两位资深师兄的谈话,此一并感谢
 
注2:一家之言,欢迎理性讨论
 
有些物理概念是气候科学领域首先提出来的,而后在物理界几乎所有领域都有应用的。
 
比如,大家都了解的洛伦兹提出的混沌的观点 (蝴蝶效应在倪老师的文章里也提到), 参见他1963年发表在Journal of the Atmospheric Sciences的的文章《Deterministic Nonperiodic Flow》,据谷歌显示至今被引用近25000次。
来源:谷歌
 
又比如一个知名度稍微小一点,stochastic resonance (随机共振)。这个概念是Roberto Benzi为了解释古气候中十万年的冰河周期,而在1982年的文章中提出来的,后来在很多物理分支、生物学、医学中都有应用。 值得一提的是这篇文章的第二作者就是今年诺贝尔物理奖的另一个赢家。 什么?这篇引用率不高,那是因为太先锋了,下面这篇1998年的综述文章,迄今引用6600多次了。
来源:谷歌
 
大气科学难就难在它归根到底是个湍流的问题。对湍流问题,物理学家公认是无解的。然而因为它关系到整个地球生命的生存发展,大气科学家责无旁贷而悲壮地在湍流前沿打头阵。当前气候模式的成功发展,是建立在几代大气学家们寻找数值模拟湍流方法的努力上的。前面提到的GFDL创始人Dr. Joseph Smagorinsky,一个重大贡献就是他与美国国家大气研究中心的同事 Douglas Lilly 和 James Deardorff 一起开发了大涡模拟 (Large Eddy Simulation),第一个在数值模型中解释大气湍流的实用技术。更多解释湍流和气候模式的细节可以参考 Martin Beniston 写的由施普林格出版社出版的《From Turbulence to Climate》这本书。
 
大家还记得文章开头的那个The Big Bang Theory的鄙视链么,相对论在金字塔顶端傲视群雄。在结尾为了呼应,我们讲一个著名的段子。量子力学的创始人之一海森堡的博士论文就做的是湍流。据说他临终前说:“我见到上帝时,要问他两个问题:为什么是相对论?为什么是湍流?我相信他对第一个问题已有了答案。” 你看懂了这灵魂的呼唤没有?“为什么是相对论?为什么是湍流?” 所以我们和相对论应该在同一个高度啊 !就这样一笑了之吧,谢谢!
 
参考文献
 
[1] 诺贝尔奖网站 https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2021/summary/
 
[2] 普林斯顿大学诺贝尔奖物理奖新闻, https://www.princeton.edu/news/2021/10/05/princetons-syukuro-manabe-receives-nobel-prize-physics
 
[3] Syukuro “Suki” Manabe个人主页简历, https://scholar.princeton.edu/manabe/cv-0
 
[4] Syukuro “Suki” Manabe wiki介绍,https://en.wikipedia.org/wiki/Syukuro_Manabe
 
[5] NOAA 200周年纪念网站History maker, https://celebrating200years.noaa.gov/historymakers/Smagorinsky/welcome.html#adopt
 
[6] 美国物理学会口述历史访谈 1989年, https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/5040
 
[7] 美国物理学会口述历史访谈 1998年, https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/32158-1
 
[8] 另外感谢普林斯顿大学明师兄,密歇根大学黄师兄的八卦素材
 
本文经授权转载自微信公众号“普林小虎队”。



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