地球系统是一个由多圈层共同组成的开放复杂系统，其组成成分在演化过程中所存在的大量非线性结构会放大外界的扰动，使得系统可能会出现不可逆的突变，从而表现出临界行为。我国青藏高原由于其独特的高海拔地貌，自身的变化又会对气候系统产生反馈，是多圈层耦合过程中的关键因子。青藏高原是否是一个新的气候临界要素？该地区的气候、生态是否存在临界点？当全球气候变暖的影响超过该临界点之后，将会对全球气候产生怎么样的冲击？这诸多关于青藏高原临界行为的问题，不仅决定着青藏高原气候系统自身的稳定与否，而且对于全国乃至世界气候的稳定都至关重要。针对这些问题，北京师范大学系统科学学院陈晓松教授团队多年来矢志科研，孜孜以求，咬定地球系统研究这座“青山”，取得了一系列丰硕的成果。
孜孜以求 成果丰硕
近些年来，地球系统的临界要素与临界性成为了地球科学最为重要和前沿的研究热点之一。气候系统临界点指的是全球或区域气候从一种稳定状态到另外一种稳定状态的关键门槛。一旦临界点被激活，系统将无法回至原来稳定状态。全部“气候临界点”被激活后，地球系统可能发生状态跃迁甚至崩溃。2008年，Lenton等人首次提出地球气候系统可能存在15个潜在的临界要素。2019年， 在Nature发文进一步指出，九大临界要素已经接近或者处于临界点，包括亚马逊雨林、北极海冰、大西洋环流、北方森林、澳大利亚珊瑚礁、格陵兰岛冰原、永久冻土、西南极冰原和东南极冰原。研究这些临界要素的临界点及之间可能的连锁反应，是一个关键科学问题。
基于气候网络方法，陈晓松教授系统地研究了临界要素亚马逊雨林地区 （ARA） 的全球影响，发现ARA与其他临界要素，如青藏高原和南极西部冰盖等气候敏感区域呈现出显著的遥相关特性，并进一步提出了遥相关的传播路径。此外，利用临界慢化理论揭示青藏高原的冰雪覆盖自2008年以来正失去稳定性，预示着青藏高原可能是一个全新的临界要素。研究以“Teleconnections among tipping elements in the Earth system “为题于2023年1月5日发表在国际顶级期刊《自然—气候变化》（Nature Climate Change）。期刊同期发表了题为《Connected climate tipping elements》的评论文章，认为陈晓松教授工作是复杂网络理论首次用于研究地球系统临界点，两个研究领域的交叉为洞察全球气候动力学提供了重要的见解，开辟了全球范围分析临界要素的一个全新领域，有望在地球物理科学研究中产生高影响力。该工作得到了国家自然科学基金和科技部第二次青藏科考的支持。
在一定条件下，大量个体构成的系统会发生协同改变，从而系统整体进入一种新的状态，呈现临界现象。19世纪60年代，英国物理学家安德鲁斯最先实验观测到了二氧化碳临界现象。20世纪40到50年代，著名科学家昂萨格、李政道和杨振宁等临界现象的理论研究使人推测不同临界现象存在相似性，到了70年代著名物理学家卡丹诺夫进一步提出所有临界现象可分成几个不同的普适类，临界行为仅依赖系统宏观属性、具有普适性。利用O（n） 对称各向异性场论和重整化群理论，陈晓松教授证明各向异性系统的普适性异于各向同性系统，依赖系统的各向异性，突破了前人对临界现象普适性的认识。
上述工作是对临界现象基本理论的重要发展。陈晓松教授预言的 Binder 量对各向异性的依赖，后来得到二维和三维各向异性 Ising 模型计算模拟的证实。物理学最著名的综述文章期刊 Reviews of modern physics 在 2007 年和 2008 年，先后发表了两篇临界现象综述文章分别引用陈晓松教授的文章来说明著名二尺度普适性对各向异性系统不存在，以及被认为是普适的有限尺度标度函数实际依赖各向异性。这项工作受到了国家自然基金委、德国马普协会、德国航空太空中心和美国宇航局的支持。
关注前沿 引领科研
当前，在还原论指引下，人类取得了科学技术的长足发展，深刻改变了人类社会及赖以生存的地球。也使得涉及物质科学、人类健康、气候与环境变化、社会科学治理等的复杂系统研究变得迫切。虽然2021年诺贝尔物理学奖已授予复杂物理系统研究，但复杂性科学研究方兴未艾，大量不同类型和层次的复杂系统有待人们的探索和研究，存在许多挑战和发展瓶颈。复杂系统一般涉及多个学科，在学科被划分得越来越细的当下，科学家往往对越来越少的事物知道得越来越多，难以单独支撑复杂系统研究的需要，需要不同学科背景科学家的联合攻关。另外，真正的科学进展一定建立在与实验研究深度融合的基础之上。
大量个体构成的复杂物理系统的集体与涌现行为迫切需要突破还原论进行研究，科技和社会的发展使得人类进一步涉足健康、气候与环境变化、社会科学治理等研究领域，亟需研究复杂生命系统、地球及人类社会系统等。
涉及复杂系统研究的基础物理是统计物理学。其发展可追溯到19世纪的分子运动论，它从微观层次探索热力学规律。该理论不仅着手处理平衡态气体的速率分布，而且研究了非平衡态气体的输运性质。玻尔兹曼进一步提出描述大量粒子在相空间中分布函数演化的玻尔兹曼方程，后逐步形成了基于微观力学研究系统宏观行为的玻尔兹曼学派。对于可由能量函数描述的平衡态系统，吉布斯于1901年给出了微正则、正则、巨正则系综分布函数，由此可计算这些系统的热力学量及宏观性质。吉布斯理论成为二十世纪统计物理发展的主流，但对于非平衡系统，系综理论在过去的一百多年缺乏根本性进展。
挑战与机遇往往是并存的。若从复杂系统的微观力学或微观态分布函数出发的路走不通，那就需另辟捷径。随着科学技术及实验探测手段的发展，对系统个体状态的实验观测或计算模拟成为可能。基于复杂系统个体演化的大数据，陈晓松教授最近提出了复杂系统的本征微观态理论，该理论可描述系统的集体行为。进一步借鉴爱因斯坦的玻色－爱因斯坦凝聚的相变思想，陈晓松教授提出本征微观态凝聚与复杂系统相变的对应关系。利用此关系，可基于复杂系统大数据自洽地确定复杂系统相变时涌现的相，以及序参量和临界行为。这是对相变全新的一般性诠释，可理解为有限比例玻色气体处于最低能级的玻色－爱因斯坦凝聚的推广。
陈晓松教授的方法可研究从细胞到地球尺度的不同层次平衡和非平衡复杂系统，已经成功应用于经典及量子物理系统、生物系统、金融及地球系统。陈晓松教授还建立了本征微观态重整化群理论，将已获1982年诺贝尔物理学奖的临界现象重整化群理论推广到了一般复杂系统的平衡和非平衡临界现象。这些研究工作为陈晓松教授下面进行复杂物理系统、生命系统、地球系统等的深入和广泛研究打下了良好基础。上述工作得到了中国科学院前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金委重点项目“复杂系统相变临界现象”的支持。
展望未来，陈晓松表示，当前要进一步加强复杂系统的观测与实验研究和基于复杂系统大数据的理论研究。选定重大科学问题后，将与其相关的学科领域专家聚集在一起形成新型的研究平台，围绕科学问题长期开展跨学科合作研究。研究平台要采取与其发展相适应的评价和管理机制，配置相应的研究生和博士后指标，使科研、教育和人才培养融为一体，既解决科学技术和国家战略需求的重大问题，又为国家培养民族复兴所需的栋梁之才。（张霞）
