谈论复杂系统很困难，这是一个被低估的讽刺。“复杂系统没有明确的定义，”东京大学的物理学家金子邦彦说。“但粗略地说，它包含许多相互作用的元素，并且它们经常表现出混沌或动态行为。”
今年，诺贝尔物理学奖首次明确地授予了复杂系统研究——包括气候变化。一半的奖金授予了普林斯顿大学的真锅淑郎（Syukuro “Suki” Manabe）和德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所的克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann），“以表彰他们对地球气候的物理建模，量化变率并可靠地预测全球变暖”。另一半授予了罗马第一大学的乔治·帕里西（Giorgio Parisi），“以表彰他发现了从原子尺度到行星尺度的物理系统中无序和涨落的相互作用”。
对于那些在被忽视的领域工作的人来说，这份认可意义深远。“我非常感动——实际上我差点哭了——因为我认为这真的是一个重要的时刻，”法国巴黎高等师范学院院长、帕里西的同事物理学家马克·梅扎德说。气候科学家对该奖项也有类似的看法。“如果说有什么的话，那就是它早就应该颁发了，”圣地亚哥斯克里普斯海洋研究所的海洋学家谢尚平说。
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不幸的是，通过将看似无关的研究归类在复杂系统这个模糊的范畴下，诺贝尔物理学委员会让许多观察家感到困惑，并导致了诸如“物理学诺贝尔奖奖励气候变化和其他力量的研究”这样令人费解的标题。乍一看，这些非常不同的发现之间的联系远非显而易见。但仔细研究会发现一些关于科学目标以及科学家如何解决看似棘手的问题的联系。
在 19 世纪和 20 世纪的大部分时间里，物理学家们对充满随机运动和无序的复杂微观和宏观系统有了更深刻的认识。他们开发的工具（真锅、哈塞尔曼、帕里西及其同行仍然依赖其中的许多工具）具有广泛的应用，从计算地球吸收了多少太阳能，到描述微小的花粉粒在水面上的运动，再到探索理论材料的磁性。
这种联系也具有哲学意义。在其关于 2021 年物理学奖科学背景的文件末尾，诺贝尔物理学委员会得出结论
如果不冷静地探究变异性的根源，我们就无法理解任何系统的行为。因此，只有在考虑了这些根源之后，我们才能理解全球变暖是真实的，并且归因于我们自身的活动，我们在自然界中观察到的大量现象都源于潜在的无序，以及拥抱噪声和不确定性是通往可预测性的重要一步。
如果这仍然不能令人满意，那么值得考虑的是，委员会本身就是一个复杂的系统，充满了不确定性和无序。
碎玻璃
在 20 世纪 20 年代量子力学的早期，物理学家们开发了一个简单的模型来描述像我们今天贴在冰箱上的磁铁这样的磁铁。在这个“伊辛模型”中，磁铁由原子晶格组成，每个原子都像一个微小的磁铁，方向可以是向上或向下。如果所有原子磁铁都沿一个方向排列，它们就构成铁磁体。如果它们交替方向，它们就构成反铁磁体。
但是大自然蕴藏的不仅仅是两种磁性。1975 年，在发现几种金属合金具有奇异的磁行为之后，已故理论家菲利普·安德森和萨姆·爱德华兹提出了一种新型磁铁，其中一些对的原子磁铁对齐，而另一些则随机反向对齐。他们将这种新型磁铁称为“自旋玻璃”，因为磁行为的无序方向被认为类似于玻璃晶体中的无序。
考虑三角形中的一组三个原子磁铁：如果相邻的磁铁必须反向对齐，则两个可以满足条件，但第三个则处于悬而未决的状态。这种不可能的情况意味着自旋玻璃是“受挫的”，缺乏找到秩序的明确方法。固有的无序可能会表现出无数个几乎无法预测的状态，因此物理学家转而通过平均系统的多个副本（所谓的副本技巧）来计算自旋玻璃的性质。
纽约大学物理学家丹尼尔·斯坦因说：“结果证明违反了各种热力学原理。” “所以很明显，这不是正确的解决方案。” 问题在于副本并不等效。它们的对称性或相同性被打破了。
1979 年，帕里西在“副本对称性破缺”方面取得了突破。数学很复杂，所以斯坦因使用了一个物理例子：想象一下，你有一条溶液中的蛋白质链。当您降低温度时，同一蛋白质可能会冻结并结晶成大量“基态”或构型，每个构型都与其他构型略有不同。奇怪的是，考虑到自旋玻璃的无限个基态是有效的，并且帕里西的计算是有道理的。
“然后人们变得非常兴奋，”斯坦因说。“这是否破解了无序系统的问题？” 其他学科（计算机科学、神经科学甚至进化生物学）的研究人员发现帕里西的解决方案令人信服，因为它提出了一种严格的、新颖的方式来思考无序系统的许多构型。例如，它为优化问题（例如旅行商问题）和神经连接科学带来了新的视角。
该解决方案是无序中产生秩序的一个例子。“[自旋玻璃] 是你能得到的最随机的东西。然而，从那之中产生了一种我认为没有人会猜到的秩序，”斯坦因说。基态都不同，但它们以有序的方式相互连接，因为它们都源自一个更高的能量状态。
帕里西并没有为自旋玻璃问题画上句号，关于其性质的许多问题仍然存在，包括副本对称性破缺在理想化方程之外和现实世界中的工作效果如何。
气候混沌
我们的世界不仅是无序的，而且是混沌的。天气等系统的初始条件的微小变化可能会产生深远的影响。在关于蝴蝶效应的著名格言中，例如，非洲一只蝴蝶的翅膀扇动可能会在空气动力学上影响大西洋飓风的形成。
“真锅接受过气象学家的培训，”罗格斯大学大气科学家托尼·布罗科利说。“他一直在思考这些复杂系统。” 当真锅在 20 世纪 60 年代开始研究气候模型时，他不得不努力将许多此类系统简化为当时的计算机可以处理的东西。
1967 年，真锅和理查德·韦瑟拉尔德发表了第一个计算机模型，模拟了气候对大气二氧化碳水平波动的敏感性，二氧化碳是人为全球变暖的主要罪魁祸首。为了近似气候，他们模拟了一列空气，并研究了对流如何讲述温度变化的故事。
“仅仅考虑地球表面的能量平衡，你可能会得到很多误导性的结果，”布罗科利说。“因此，考虑到整个气柱对于获得正确答案至关重要。” 真锅和韦瑟拉尔德用他们简单的模型预测，大气二氧化碳浓度翻倍将导致全球气温升高 2.4 摄氏度。即使这是一个没有复杂反馈机制（例如云的反馈机制）的有限模型，他们的答案也与通过更复杂的方法做出的现代预测非常相似。
几年后，真锅介绍了地球气候的第一个计算机化全球模型，该模型具有远超出对二氧化碳敏感性的应用，并已用于预测厄尔尼诺现象等现象。
真锅致力于尽量减少气候模型中嘈杂天气的影响，而哈塞尔曼则将这种噪声摆在了首位。他的灵感部分来自 19 世纪苏格兰植物学家罗伯特·布朗的工作，后者在 1827 年报告了通过显微镜观察到的静止水滴中花粉粒的奇异舞蹈。八十年后，阿尔伯特·爱因斯坦为这种“布朗运动”提供了一种机制：尽管水面看起来静止不动，但花粉粒之所以运动，是因为它们不断受到无数微小、随机的原子和分子碰撞的推挤。
哈塞尔曼想知道气候是否有点像那些花粉粒，而天气是否像那些永不停息的原子。如果这是真的，那么气候就具有内在的变率，这是由于随机天气造成的，独立于任何外部力量，例如来自太阳的温暖光线。1976 年，哈塞尔曼证明气候对随机变率有响应。至关重要的是，通过考虑自然气候变率，他的工作帮助气候科学家确定了有多少变暖是真正人为造成的。
“如果你不了解内在变率，就很难说你了解气候如何变化，”德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所的气候科学家金-宋·冯·斯托奇说。
这种内在变率的影响可能很大：谢估计，在某些情况下，如果不考虑哈塞尔曼的工作帮助约束的那些变率类型，变暖的计算可能会偏差高达 25%。
阿尔弗雷德·诺贝尔的遗嘱规定，他的奖项应颁发给那些“为人类做出最大贡献”的人。除了关注白人、欧洲和美国男性之外，过去一个世纪的大部分物理学诺贝尔奖都奖励了诸如发现暗能量或希格斯玻色子之类的进步——这些进步深刻地影响了我们对自身在宇宙中位置的认识，但几乎没有明显的实际价值。
今年的公告表明了另一种可能性。“物理学应用于人类的最大利益，对我来说，是根本性的，”谢说。