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诺贝尔奖

2019,诺贝尔物理学奖获得者回答宇宙终极问题

宇宙从哪里来?人类往哪里去?地球是不是唯一的家园?

邢逸帆

发布于 10月9日

北京时间2019年10月8日17时50分许,瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布,2019 年诺贝尔物理学奖由美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles )、瑞士日内瓦大学天文教授米歇尔·梅耶尔(Michel Mayor),以及他的学生迪迪埃·克罗兹(Didier Queloz)共同获得。

其中,詹姆斯·皮布尔斯因在“物理宇宙学方面的理论发现”获得 900 万瑞典克朗(约合人民币 697 万元)奖金中的一半,而米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹因“发现太阳系外绕日行星”而平分另外一半奖金。

听说自己获得诺贝尔奖的消息时,米歇尔·梅耶尔正在西班牙讲学,不断涌入的祝贺邮件让他在机场的快餐店里应接不暇,显得十分为难。

图片来源:诺贝尔委员会
图片来源:诺贝尔委员会

迪迪埃·克罗兹接到消息时,正在参加学术会议的路上,接下来等待他的可能是来自同行们的无数热情拥抱和祝福。

图片来源:诺贝尔委员会
图片来源:诺贝尔委员会

而另一位获奖者詹姆斯·皮布尔斯今年已经 84 岁了,在得奖之前,他已经在宇宙微波背景辐射领域工作了近六十年。正是他多年以来的工作,成功地把物理宇宙学从抽象科学变成了一门能定量、能计算的科学。

图片来源:诺贝尔委员会
图片来源:诺贝尔委员会

之后,诺贝尔委员会在推特上总结到:

今年的诺贝尔物理学奖奖励了人们对宇宙结构、和宇宙历史的新认识,也奖励了人类首次发现的绕日行星。

而这些发现,用他们的话来说,“永远地改变了人类对世界的观念”。

解读宇宙的历史

“宇宙是如何出现的?”

无论是科学哲学还是神学,人类都在不断追求这个究极问题的答案。

从“天地玄黄,宇宙洪荒”的混沌认识,到 1929 年美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现宇宙正在膨胀,人类的宇宙观在过去的一百年间不断被刷新颠覆。

而在过去的 50 年中,把宇宙学从推测科学变成一门可以定量计算的科学的关键人物之一,就是詹姆斯·皮布尔斯。

皮布尔斯的贡献很难用三两句话解释清楚,但正如物理学家 Sean Carroll 所说:

绝非夸张,现代宇宙学的一大部分是由皮布尔斯的脚注组成的。

在每一项巨大的理论成就中,几乎都能看到皮布尔斯的身影。

60 年代,他与罗伯特·迪克(Robert Dicke)等人一起预测了宇宙微波背景(CMB)辐射;根据他提出的模型,人们发现宇宙中存在着大量暗能量和暗物质;他从 1960 年代中期开始发展出的理论框架,至今仍是构成我们当代宇宙观的基础。

皮布尔斯的理论成果
皮布尔斯的理论成果

而他的一系列贡献,构建了宇宙大爆炸框架和宇宙微波背景辐射理论的基础,为后来的科学家们指明了一条追溯宇宙起源的道路。

现在我们都知道,宇宙起源于大爆炸。在大爆炸后不到40万年的时间,宇宙开始变得透明,光终于能够在空间中自由地穿梭。

大爆炸结束后,宇宙中留下了大量的热辐射(宇宙微波背景辐射),这些热辐射扩散在整个宇宙中,随宇宙不同阶段的发展而变化,成为了宇宙生长而形成的“年轮”。因此,宇宙微波背景辐射在现代,就成为了精确测量宇宙学的关键。

德国马克斯普朗克天体物理研究所 Torsten Enßlin 博士曾这样形容宇宙微波辐射:

宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光,当宇宙刚刚 380,000 岁时就刻在了天空上。它显示出微小的温度涨落,对应着局部密度的细微差异,代表着所有未来的结构,是当今的恒星与星系的种子。

通过观测微波背景辐射,我们可以推断出宇宙的过去:从宇宙最初极高速的爆炸,到转入所谓热大爆炸,再到逐渐冷却、形成第一代的恒星和星系、形成今天的宇宙……微波背景辐射的角功率谱上,忠实地记录着这一切。

然而,皮布尔斯解答了一些问题,却留给了我们更多的迷

根据他的模型,从宇宙微波背景中,科学家推测出了宇宙的成分:构成行星和人类的普通物质仅占宇宙总物质量的 5%,剩下的是 26% 的暗物质和 69% 的暗能量。

它们究竟是什么?又怎样影响着人类的生活?这将是这是现代物理学要面对的下一个挑战。

地球的胞兄

美国天文学家、科幻作家卡尔·萨根坚信宇宙中不止一个地球,他说道:“如果上帝只为人类创造了这么大的一个宇宙,那也太浪费空间了。”

30 年之后 ,这个迷思终于被米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹的观测证实了。

1995年10月6日,米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹在《自然》杂志上发表文章,宣称他们利用径向速度法,通过普罗旺斯天文台的埃洛迪摄谱仪发现了一颗地外行星,即 “飞马座 51b”(51 Pegasi b)。这是人类首次在一颗与太阳相似的恒星周围发现行星。

这颗行星的质量下限差不多是地球的 150 倍,表面有大气,整体呈红热状态。最重要的是飞马座 51b 所环绕的恒星与太阳非常相似:大小相近而且正值壮年

而之前,天文学家观测到的母恒星不是已经死亡的脉冲星,就是步入暮年的红巨星。

他们的发现在天文学界掀起了一场革命,迫使天文学家们重新考虑自己的观测方向、更新旧有的行星形成理论。

在此之后,天文学家又发现了 4000 多颗地外行星,其中包括位于半人马座、距离地球 4.2 光年的宜居星球“比邻星b”,距离地球 39 光年的“七星绕日”系统 TRAPPIST-1,以及表面存在大气和水的 K2-18b。

根据现有的数据估算,在银河系中类似地球的行星可能有 110 亿颗,其中的一颗可能就是人类未来的新家。

詹姆斯·皮布尔斯的理论发现让我们得知了暗物质的存在,而米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹则在观测未知行星的过程中第一次发现了我们的近邻们。

因为这三人的成就,当我们再次审视宇宙,视角已与前人完全不同。

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邢逸帆

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