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探索宇宙的进步 | 2019诺贝尔物理学奖

2019诺贝尔物理学奖

可以说,今年的物理学奖上来就给了人们两个出其不意,第一个出其不意是,相比于往年的物理学奖,今年的物理学奖我们居然多多少少还明白一些,特别是瑞士那爷俩马约尔和奎罗兹,他俩的研究领域是系外行星,而获奖理由主要是发现了一颗系外行星,这便是大名鼎鼎的飞马座51b。所以也有人惊叹,想不到有生之年,我们居然还能看到行星物理学家获得诺奖。

第二个出其不意是,虽然都是物理学奖,但今年的物理学奖事实上颁给了物理学中两个不同的领域,严格来看,马约尔和奎罗兹是行星物理学家,而皮布尔斯的获奖理由是在物理宇宙学理论上作出了突出贡献,可见这哥们是宇宙学家,一个研究的是几十亿、上百亿光年的尺度,而另一个研究的则是几十、上百光年外的、至今都无法直接观测的行星,大小差距着实有点大。当然了在诺奖历史上,颁给两项研究的情况不在少数,但绝大多数情况下,两项研究的大方向基本是一致的,但今年在大方上就完全不一样。所以也有很多人认为,马约尔和奎罗兹就是来凑数的,是为了热闹热闹,二人是不够格的,临时搞进来的目的,无非就是增加今年诺贝尔物理学奖的分量。至于这事儿是真是假,我哪知道,但我觉得要是你也抱有这样的想法的话,那就只能开心就好了。

首先我们来看皮布尔斯的研究。皮布尔斯何许人也?答:现代标准宇宙学模型的创建者之一,而且一直奋战至今。也许你没有听过他的大名,但他的研究一定如雷贯耳、家喻户晓,事实上,如今已经84岁高龄的皮布尔斯,至少因为各种原因错过了三次诺奖,而这一次他终于如愿以偿,也或许对于这样一位放眼宇宙的人来说,人世间的荣誉早已如浮云一般。现在我们就来看下,皮布尔斯前三次错过诺奖的研究。

皮布尔斯

第一次是在1978年。1927年,比利时天文学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说1946年,美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论,认为宇宙由大约140亿年前发生的一次类似大爆炸事件所形成而关于大爆炸的研究则开始于60年代,各种检验大爆炸理论的观测纷纷上马,不过令人意想不到的是,最后证明大爆炸的理论的,却是来自两位年轻人的无心之举,这哥俩便是我们非常熟悉的彭齐亚斯与威尔逊,这哥俩于无意之中发现了“宇宙微波背景辐射”,从而证明了大爆炸理论。由此,二人获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

勒梅特

伽莫夫

彭齐亚斯与威尔逊

宇宙微波背景辐射

与他俩分享这一奖项的是苏联物理学家彼得-列昂尼多维奇-卡皮查同志。那一年的诺奖也和今年一样,卡皮查同志的研究方向是低温物理,可见那一年两项研究的差别更大,今年好歹都是跟宇宙有关的。事实上,虽然彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射,但早在他俩之前,皮布尔斯便提出了宇宙微波背景辐射的存在,不过遗憾的是,皮布尔斯并不是唯一提出这一假说的人,除了他之外,还有四五个人,但诺奖一个奖项一年只能颁给三个人,所以皮布尔斯便遗憾地与诺奖失之交臂了。更何况,卡皮查同志的贡献一点也不低,瑞典也不敢得罪苏联,所以卡皮查同志的获奖也是实至名归,皮布尔斯只能等下去了。

卡皮查同志

第二次错失是在2006年。1989年,首颗探测宇宙微波背景辐射的专用卫星——宇宙背景探测者升空,其任务之一便是探测宇宙微波背景辐射的各向异性,也就是看看宇宙微波背景辐射到底是不是均匀的。探测结果表明,宇宙在大体上是均匀的,也就是具有着高度的各向同性。不过在这一整体基调上,宇宙存在着大约百万分之五的微小的温度涨落。目前的理论认为,这个温度涨落源于宇宙在形成初期极小尺度上的量子涨落,它随着宇宙的暴胀而放大到整个宇宙学的尺度上,同时,也正是由于温度的涨落,才造成了宇宙物质分布的不均匀性,最终得以形成诸如星系团等的一类大尺度结构。由于这一发现,美国物理学家约翰-马瑟和乔治-斯穆特,获得了2006年的诺贝尔物理学奖。不过事实上,早在1982年,皮布尔斯在理论上,便预言了宇宙背景中的这种微小涨落,而且与百万分之五也没差多少,但这一次,皮布尔斯还是错过了。什么原因,我也不知道。

COBE

马瑟

斯穆特

第三次错失是在2011年。这一次距离我们就比较近了,这一年的获奖者是三个人,分别是澳大利亚宇宙学家布莱恩-施密特、美国宇宙学家亚当-里斯索尔-珀尔马特,这哥仨的获奖理由是通过观测遥距超新星,从而发现宇宙加速膨胀这一事实。而这个发现是在1998年提出的,不过早在1984年的时候,皮布尔斯就考虑过这样的可能性,当然了,当时在他眼中,还么有宇宙加速膨胀这个概念,他所考虑的是广义相对论方程中的“宇宙学常数”。我们知道,在广义相对论中,爱因斯坦主观地引入了一个宇宙学常数,以此来对抗宇宙的收缩,从而保持宇宙的稳定。不过由于没有相应的观测做支持,爱因斯坦最终去掉了宇宙学常数,并认为这是自己一生中犯下的最大错误。

施密特

里斯

珀尔马特

不过在半个多世纪后,皮布尔斯重新捡起了宇宙学常数,还为它找了一个合适的位置,将宇宙学常数加入到了宇宙模型之中,使其与物质、暗物质、暗能量等共同作用,主导宇宙的演化历程。

总之,从标准宇宙学模型开始建立,一直到今天,风风雨雨半个多世纪,多少科学家前仆后继,多少科学家早已魂归天国,但只有一位老者始终屹立不倒,他就是皮布尔斯。他的目光在那辽阔的星辰大海,今天他终于获得了人世间的最高评价。

我们甚至可以畅想,如果皮布尔斯还能活得足够长的话,那么他还有可能第二次获得诺奖。1984年,皮布尔斯率先指出,暗物质的温度不会很高,这便是“冷暗物质”假说,如果将来人类得以证实冷暗物质存在的话,皮布尔斯一定还会在瑞典出现的。

说完了皮布尔斯,我们再来看看马约尔和奎罗兹。这爷俩研究的东西就比较直观了,那就是寻找系外行星。我们知道,由于距离遥远、行星体积小和恒星光芒掩盖等因素,寻找系外行星是极其困难的,所以科学家只能使用一些间接的手段来发现系外行星,具体的方法有很多,而马约尔和奎罗兹所使用的是视向速度法。

马约尔(右)与奎罗兹(左)

所谓的视向速度法就是说,如果我们观察一颗遥远的恒星,这哥们相对于我们的速度在不断地发生变化,而且这种变化还存在明显的周期性的话,那么它的周围就很可能存在一颗行星,因为恒星速度的周期性变化,正是由行星的引力效应所导致的。

视向速度法

当然了,仅凭这个证据还不足以断定行星的存在,因为很多时候,恒星周围也可能存在着微小的白矮星或是中子星,这些天体同样可以导致恒星的抖动。就比如天狼星就一直在抖,这就不是由行星造成的,而是它的一颗白矮星伴星所造成的。还比如俺家隔壁的吴老二,那是瞅我一眼就浑身发抖,这也不是因为行星。所以说,要想确定一颗恒星的周期性速度变化,是不是由于行星所造成的,就需要其他的观测作为依据,比如看看恒星的亮度是不是存在着微小周期性变化,抑或是恒星的光是不是发生了难以察觉的弯折。总之办法有很多,但无一例外的,都对观测精度的要求极高。

终于在上世纪90年代,各种技术条件逐渐成熟,几十年如一日探索系外行星的马约尔和奎罗兹这下是如虎添翼。1995年,在法国的上普罗旺斯天文台,马约尔和奎罗兹通过观察50光年外的一颗恒星的抖动,发现了人类有史以来发现的第一颗系外行星,由于这个抖动的恒星名为飞马座 51,所以这颗行星便被命名为飞马座 51b。1995年10月6日,《自然》杂志刊登了马约尔和奎罗兹的发现。

上普罗旺斯天文台

飞马座 51b

不过,飞马座51b在一开始,却遭到了天文学界广泛的质疑,因为观测显示,飞马座 51b是一个类似木星的气态巨行星,这倒没有问题,关键是这哥们离母恒星的距离太近了,只有不到800万公里,而它的母恒星是和太阳差不多大小的恒星,相比之下,咱的水星距太阳都有四五千万公里的距离。

这就不对劲了,因为当时的行星形成理论认为,类地行星都距恒星比较近,而类木行星都比较远,但飞马座51b显然是个异类。可见,要么就是观测错了,要么就是理论错了。当时的人们都不太敢相信是理论出了问题,所以矛头只能对准马约尔和奎罗兹的发现。不过最终事实证明,飞马座 51b确实是一颗类木行星,于是,天文学家不得不修改行星形成的理论。同时也设想了另外一种可能性,那就是飞马座 51b本来距离恒星很远,后来不知什么原因,跑到了恒星身边。

总之,马约尔和奎罗兹就这样揭开了人类探索系外行星的篇章,诺奖官方是这样评价的:马约尔和奎罗兹的发现,在天文学界掀起了一场革命。天文学家不但修改了理论,还积极投身到更多系外行星的观测之中。目前,在开普勒太空望远镜的带领下,人类已经发现了4000余颗系外行星,我们相信,越来越多、越来越奇特的行星,都将在不远的未来浮现在我们的眼前。可以说,人类新的大航海时代已经到来,或许当许多许多年后,人类去往另一个星系的时候,一定会回想起当年的马约尔和奎罗兹,因为正是二人,开启了这个属于人类的全新时代。

开普勒望远镜

最后我说一下我的感想,放眼诺贝尔物理学奖的历史,我们不难发现,宇宙学和天文学其实是个稀客,原因就在于,相比于物理学中的其他领域,天文学要想出成果,是既费时又费钱,就比如说天王星与海王星,至今也只有旅行者2号在80年代造访过,为什么这几十年没有再去看看,原因很简单,如果我是一个天文学家,我也不想发个探测器,然后等上十年光阴,还不一定能出什么结果。同时,对于这样长时间跨度,且结果不明确的探索,人们也不愿意投钱,况且投的还不是小钱。系外行星的探索也一样,又有几个人愿意把大好的时光浪费在毫无目的的追寻之上呢?

所以我想说,马约尔和奎罗兹的获奖,绝对不是来凑数的,诺奖委员会正是想以这样的行动告诉人们,鲜花和掌声,终将属于那些一直在某个领域默默耕耘的人们。同时,对宇宙的追寻,并没有被科学界所遗忘,不仅是诺奖,整个人类世界,都要对默默奉献、甘愿寂寞、淡泊名利、不计得失的天文学家们,致以由衷的感谢和激励。或许他们的研究不属于今天,但是当他们把望远镜对准漆黑的夜空的时候,他们找寻的不仅仅是一个个天体,也是光明,更是人类的未来。干!

出处:搜狐

栏目:哎啊
2019-10-20 (
微文周刊 2019年43期

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