本屆諾貝爾物理學(xué)獎得主克勞斯·哈塞爾曼。圖片來源：諾貝爾獎委員會官網(wǎng)

10月5日，即將迎來90歲生日的德國科學(xué)家克勞斯·哈塞爾曼與另兩位科學(xué)家一起榮獲了2021年諾貝爾物理學(xué)獎。作為享譽世界的海洋學(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的科學(xué)道路值得回顧。

晶體檢波器激發(fā)對物理的興趣

哈塞爾曼1931年10月出生于德國漢堡。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(zhèn)韋林花園城。大約13歲時，他以相當(dāng)于一張電影票的價格從朋友手里買到一個晶體檢波器，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(fā)了兒時的哈塞爾曼對物理學(xué)的濃厚興趣，促使他自己去圖書館學(xué)習(xí)無線電的原理。

1949年高中畢業(yè)后，哈塞爾曼和家人一起回到德國，在漢堡大學(xué)學(xué)習(xí)。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(xué)研究所和哥廷根大學(xué)獲得了博士學(xué)位，博士論文的重點是對各向同性湍流的基本動力學(xué)方程進行更流暢的推導(dǎo)。

1961年，受著名海洋科學(xué)家沃爾特·蒙克的邀請，哈塞爾曼前往美國加州大學(xué)地球和行星物理研究所任助理教授，并參加了蒙克組織的大型海洋波浪實驗。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。1975年，他擔(dān)任漢堡大學(xué)地球物理學(xué)研究所所長；1975年至1999年11月，擔(dān)任漢堡馬克斯·普朗克氣象研究所所長；1988年至1999年，擔(dān)任漢堡德國氣候計算中心的科學(xué)主任。

軍事演習(xí)拯救海浪研究計劃

哈塞爾曼在海洋學(xué)方面的聲譽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，哈塞爾曼獲得了難得的機會，協(xié)調(diào)英國、荷蘭、美國、德國等國家的有關(guān)單位進行了“聯(lián)合北海波浪計劃”（簡稱JONSWAP）。由于北約在北海進行大型海空導(dǎo)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個實驗。

由于準(zhǔn)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(shù)據(jù)。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(xùn)，再次組織進行全面實驗，所有設(shè)備都運行良好，獲得了一個非常好的數(shù)據(jù)集。對這些數(shù)據(jù)的分析為后來開發(fā)現(xiàn)代波浪模型奠定了基礎(chǔ)。幾年后開發(fā)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(yīng)用在海洋科學(xué)、海洋工程領(lǐng)域。

哈塞爾曼說：“JONSWAP無疑是我參與過的最成功的實驗。”JONSWAP的成功對哈塞爾曼的研究和發(fā)展產(chǎn)生了十分積極的影響，對他后來被選中擔(dān)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(fā)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(lián)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(zhǔn)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(dān)任了會議的共同召集人。這兩次會議為后來在日內(nèi)瓦的會議上創(chuàng)建世界氣候研究計劃奠定了基礎(chǔ)。

哈塞爾曼1979年發(fā)表的關(guān)于大氣響應(yīng)研究中的信噪比問題，被認為是證明人類對全球變暖影響的關(guān)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(tǒng)自身存在的冷暖變化，這些變化和人類活動無關(guān)。氣候變化檢測和歸因研究證明，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(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引用的作者。

此外，在開發(fā)氣候模型方面，哈塞爾曼也做出了開創(chuàng)性工作。1976年，他開發(fā)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(guān)于自然氣候變率的基本概念，接著構(gòu)建更現(xiàn)實的模型，并將這些想法應(yīng)用于整個氣候系統(tǒng)，即耦合的海洋—大氣環(huán)流模型。

諾獎委員會的總結(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)對它們進行了幾個世紀的研究，并且很難用數(shù)學(xué)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(tǒng)，就像天氣一樣，初始值的小偏差會導(dǎo)致后期的巨大差異。今年的獲獎?wù)叨紴槲覀兗由顚@類系統(tǒng)及其長期演化作出了貢獻。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)建了一個將天氣和氣候聯(lián)系在一起的模型，從而回答了為什么盡管天氣是多變而混沌的，氣候模型卻是可靠的。他還研究出識別自然現(xiàn)象和人類活動在氣候中留下特定信號“指紋”的方法，已被用來證明大氣溫度的升高是由于人類排放的二氧化碳。

“我想解決我認為我能夠解決的問題”

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(xué)家的身份從事一項實際的、可解決的任務(wù)，所以他投身流體動力學(xué)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(zhuǎn)向海洋學(xué)、氣象學(xué)和氣候研究，并取得了豐碩的成果。鑒于社會公眾的需求，他甚至開發(fā)了耦合氣候經(jīng)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(xué)和廣義相對論的研究。

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”。對于他自己而言，氣候、海浪和衛(wèi)星遙感就是這樣三個典型的領(lǐng)域。而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(xiàn)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(xué)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。

李 山