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改变人们对宇宙的认识 三位科学家获2019诺贝尔物理学奖

(原标题:改变人们对宇宙的认识 三位科学家获2019诺贝尔物理学奖

  摘要:詹皇·皮布斯为大家提供了关于宇宙在大爆炸之后的演化过程的认知,并为宇宙学在过往50年中“从推测到科学”的转变奠定了基础;而米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹在搜寻未知行星的过程中,探索了大家宇宙中的近邻。

▲米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹1995年10月发现的系外行星飞马座51b(51 Pegasi b)。图/诺贝尔奖官网

  2019年诺贝尔物理学奖今日揭晓。瑞典斯德哥尔摩当地时间10月8日中午11时50分(北京时间17时50分),2019年诺贝尔物理学奖授予了三位天体物理学家——美国普林斯顿大学教授詹皇·皮布斯(James Peebles)、瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和瑞士日内瓦大学和剑桥大学教授迪迪尔·奎洛兹(Didier Queloz),以表彰他们对“理解宇宙结构和历史做出了颠覆性的贡献,并首次发现太阳系外的类日恒星和绕其旋转的类地行星”。其中,皮布斯获得900万克朗奖金的一半,后两位学者分享另一半。

  “三位获奖人的发现有助于大家更好地理解宇宙的演化和地球在其中的角色。”诺贝尔委员会称皮布斯的获奖理由为其在“物理宇宙学方面的理论发现”,麦耶和奎洛兹的获奖理由为“发现一颗绕太阳型恒星运行的系外行星”。皮布斯研究暗物质、大爆炸和宇宙起源等问题,是现代宇宙学奠基人之一。麦耶和奎洛兹则在1995年发现了围绕着一颗类日恒星旋转的一颗地外行星,此后又有大约超过4000颗地外行星被发现。

  “本年度诺贝尔物理学奖得主改变了大家对于宇宙的认识。”诺贝尔奖官方资讯稿评价称,“詹皇·皮布斯的理论发现为大家提供了关于宇宙在大爆炸之后的演化过程的认知,而米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹在搜寻未知行星的过程中,探索了大家宇宙中的近邻。”

  过去50年被认为是研究宇宙学、宇宙起源和进化的黄金时代。20世纪60年代,宇宙学从一系列关于信仰和意义的推测转变为一门系统科学,而推动这一转变的关键性人物就是皮布斯。他出版于1971年的第一本著作《物理宇宙学》不仅结合了理论研究,还加入了大量的实际观察和测量结果。诺贝尔委员会称,詹皇·皮布斯对物理宇宙学的见解丰富了整个研究领域,并为宇宙学在过往50年中“从推测到科学”的转变奠定了基础。他的理论框架是20世纪60年代中期发展起来的,也是大家当代宇宙观的基础。

  宇宙大爆炸(Big Bang)理论在现代宇宙学中受到了科学家的广泛认可,这一理论于20世纪中叶逐渐成熟并被正式提出,说明了宇宙在140亿年前温度极高,密度极大,就像一锅粘稠的“粒子汤”,里面充满了夸克和胶子。大爆炸后,宇宙开始不断膨胀,在膨胀的过程中宇宙不断变大,温度也在不断降低。在宇宙大爆炸后的40万年间,宇宙变得更加透明,温度也降到了大约几千摄氏度。在这样的环境下,原始的粒子能够结合并组成透明的气体,带正电荷的原子核和带负电的电子稳定地结合成中性的原子,主要是氢原子和氦原子;物质与光分离,光子得以自由地运动,光线也能够在宇宙空间中穿梭。这些古老的辐射——宇宙微波背景辐射(CMB)如今仍存在于宇宙中,宇宙的膨胀让这些原本可见的光变成了波长只有几毫米的不可见微波,许多宇宙的秘密都隐藏于其中。

  微波背景辐射又被称为“大爆炸余晖”。1964年,它被两位美国射电天文学家阿尔诺?彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特?威尔逊(Robert Wilson)偶然捕捉到,他们因此获得1978年的诺贝尔物理学奖。这两位天文学家发现他们的天线会持续不断地接收到来自太空各处的“噪音”,因此他们希翼在其他研究人员的工作中寻找说明,这其中就包括了皮布斯。皮布斯对这种“无所不在的背景辐射”进行了理论计算,发现这些辐射在经历了140亿年之后,温度下降到了接近绝对零度(负273摄氏度)。皮布斯意识到,这些辐射的温度告诉了人们宇宙大爆炸中产生了多少物质,他随后发现这种光的释放在物质凝聚形成星系和星系团的过程中起到了决定性的作用。

  20世纪60年代中期,皮布斯的理论框架和计算说明了这些背景辐射的产生轨迹,并发现了新的物理过程。基于其精准的计算,宇宙学家们能够预测出这些背景辐射的变化,并展示出它们如何影响宇宙中的物质和能量。随着测量精度的提高,1992年4月,对宇宙中物质和能量的理论计算得到了证实。研究结果显示,宇宙中只有5%的物质是已知的,这些物质构成了恒星、行星、树木和大家人类等;其余95%是未知的暗物质和暗能量。

  暗物质存在的公认最有力的证据是所谓的子弹星系团簇(Bullet Cluster),即两个星系团的相撞过程。天文学家用光学方法观测到两个星系团重子物质气体的质量位置,同时又用引力透镜方法测量了星系团总质量的中心位置,结果发现二者并不重合。直观的说明是,在两个星系团相撞期间,暗物质只参与了引力作用,而可见物质之间则发生了摩擦碰撞,于是可见物质滞留在暗物质后面,使得二者的质心出现偏离(参见周刊报道“暗物质魅影”)。

  在诺贝尔委员会的宣奖现场,一位专家用咖啡杯演示上述研究成果:如果宇宙是一杯咖啡,那么暗能量就是咖啡豆研磨出的咖啡本身,占据了宇宙的绝大部分;随后加入的小半杯咖啡伴侣,就是暗物质;而大家已知的物质,仅仅是最后加入咖啡的“那一小勺糖”。

  但暗物质到底是什么,它由什么组成,除了引力之外它和普通物质之间有没有别的相互作用,它们自身之间有没有相互作用?科学家们曾有过几种假说,但至今都没有获得证据支撑,人类也没有探测到暗物质。“这仍然是一个谜团,也是现代物理学面临的一大挑战。”诺奖委员会称。

  詹皇·皮布斯在为大爆炸核合成、暗物质和暗能量理论做出重大贡献的同时,还是1970年代宇宙结构形成理论的主要先驱。在《物理宇宙学》一书中,他根据各向同性宇宙微波背景辐射得出了宇宙中任何地方的速度的首选参考系,这与先前的模型有所不同,但他认为这并不违反相对论。

  在诺贝尔奖的宣奖现场,主持人对皮布斯进行了现场连线,谈及自己的发现,皮布斯屡次提到相对论的提出者爱因斯坦,他表示,“爱因斯坦引入了暗物质的概念和爱因斯坦常量,但是这些名词对大家来说意义并不大。爱因斯坦是把这些物质分离出来进行分析,现在大家则是把它们放回宇宙进行分析。”

  有意思的是,现场一位提问者在连线中问皮布斯,“您对是否存在地外生命这个问题如何看?”皮布斯回答说,“至今人类已发现了很多颗类地行星,其中有很多行星拥有适合生命居住的条件,这些行星可能孕育着生命,但是颇具讽刺意味的是,大家生存在地球上,没有办法做出确定的预测,我想也没有什么机会见到这些地外生命。”

  事实上,上述提问更合适的回答者应该是今年诺贝尔物理学奖的另两位专门研究地外行星的得主。1995年10月,瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶和迪迪尔·奎洛兹宣布发现了首个太阳系之外的类地行星,在银河系里绕着一颗类日恒星旋转。

  在探索类地行星还是天文学中的“冷门领域”的时代,麦耶就在位于法国南部的普罗旺斯(Haute-Provence)高级天文台安装了第一台光谱仪以期观测到太阳系外的类地行星,但那台仪器并不足以让麦耶观察到太阳系外行星绕恒星公转的画面。20世纪90年代初,奎洛兹在日内瓦大学开始了他的研究生涯,作为研究团队的一员,还是博士生的奎洛兹研究出新方法以完成更精确的测量。

  1995年,他们在普罗旺斯天文台使用定制设备看到了这颗名为行星飞马座51b(51 Pegasi b)的行星,在距离地球50光年外的银河系中围绕着恒星飞马座51旋转。飞马座51b公转一圈大约需要4天,其公转轨道离恒星很近,只有800万公里,也因此,飞马座51b的温度高达1000多摄氏度,为气态行星,体量与太阳系最大的气态巨行星木星相当,这也意味着其体积大概是地球的1300倍,重量是地球的300倍。

  “这一发现开启了天文学界的一场革命,”诺贝尔奖官方资讯稿称,此后,银河系中迄今已有超过4000颗系外行星被发现。“奇怪的新世界”仍在被不断发现,它们具有各种令人难以置信的尺寸、形态和轨道。它们颠覆了大家关于行星系统的旧观念,促使科学家们修正他们关于行星起源背后的物理过程的种种理论。伴随着寻找系外行星的许多项目的规划启动,大家也许最终可以为“别处是否存在地外生命”这一永恒之问提供解答。

  获奖者简历:

  詹皇·皮布斯(James Peebles)1935年生于加拿大曼尼托巴省温尼伯市,并在曼尼托巴大学获得学士学位。1958年秋天,他离开曼尼托巴进入美国普林斯顿大学,在罗伯特·迪克(Robert Dicke)的引导下于1962年获得了博士学位,此后一直在普林斯顿大学任职。

  米歇尔·麦耶(Michel Mayor),1942年生于瑞士洛桑,1971年获得瑞士日内瓦大学博士学位。随后他在英国剑桥的天文台、智利的欧洲南方天文台和夏威夷的夏威夷大学天文研究所进行研究。截至1998年,麦耶和其他人一起发表了超过 200 篇科学论文。1989年到1992年期间他在欧洲南方天文台工作。自从发现了飞马座51b之后,他的研究则主要是发现太阳系外行星。目前他是日内瓦大学的教授。

  迪迪尔·奎洛兹(Didier Queloz),生于1966年,1995年获瑞士日内瓦大学博士学位,目前是瑞士日内瓦大学和剑桥大学教授。奎洛兹因开发了新的天文仪器和实验技术而获得了2011年BBVA基础科学常识前沿奖(与麦耶共同获奖)。2017年,他获得了沃尔夫物理学奖。

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