改变人类对宇宙的认知

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1、改变人类对宇宙的认知作者：暂无 来源：科学中国人 2019年第20期郑莉颖北京时间2019年10月8日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2019年诺贝尔物理学 奖授予詹姆斯皮布尔斯(J a m e s P e e b l es)、米歇尔麦耶(Michel Mayor)和迪 迪埃奎洛兹(Didier Queloz)。为了表彰他们在人类理解宇宙演化史和地球在宇宙中所处位置研究方面的贡献，瑞典皇家 科学院颁发了900万瑞典克朗(约合人民币697万元)的奖金。其中，因“在物理宇宙学的理 论发现”获奖的皮布尔斯分得一半奖金，因“发现了一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星”获 奖的麦耶和奎洛兹，则共享另一半

2、奖金。诺贝尔委员会认为：他们的发现，永远地改变了人类对宇宙的认知。对宇宙结构和历史的新认识詹姆斯皮布尔斯与拥有数十亿个星系和星系团的宇宙展开了 较量。他的理论框架起源于20世纪60年代中期，已经发展了20多年，是当代宇宙观的基础， 使人类对宇宙环境有了更深刻的认识。摘自诺贝尔奖官网对普通大众而言，有关宇宙的知识是晦涩的，除了“宇宙大爆炸”“宇宙膨胀”这些耳熟 能详的认知，只有真正的从业人员或者兴趣爱好者，才会进一步了解到：宇宙膨胀理论意味着 它曾经密度更大、温度更高。“ 初期的宇宙是一锅炽热、致密的粒子汤，其中的轻粒子、光子在其间来回反弹。” 在近40万年的时间里，粒子们相互结合，光子们自由移

3、动，于是形成了由氢、氦原子组成的透 明气体，及充满整个宇宙的第一束光。之后，宇宙的膨胀拉长了可见光波，逐渐演化出波长只 有几毫米的不可见微波。一直以来，人类探索宇宙的步伐从未停止，其中极为重要的一笔，即预言宇宙微波背景辐 射的存在便是皮布尔斯奠定了其物理宇宙学研究的起点。作为宇宙微波辐射的提出者之一，在 某种程度上，皮布尔斯与这一概念最早的提出者伽莫夫和阿尔夫师徒有着同样不可磨灭的贡献。20世纪60年代，在美国的两个无线电工程师找到了皮布尔斯，告诉他一个无法解释、意 外的“噪音发现”。当时，皮布尔斯刚刚向政府建议“在微波段寻找宇宙微波背景辐射”，并 加快实验设计，一听到这个消息大为振奋。他投入

4、到对这种“神秘发现”的研究中，最终经过 重重理论验证，确认那就是宇宙微波背景辐射。“近140亿年后，背景辐射的温度已经下降到接近绝对零度(-273C)。当皮布尔斯意识到 背景辐射的温度可以提供关于宇宙大爆炸中创造了多少物质的信息时，宇宙学的重大突破随之 而来，并使得我们了解到这种光对物质后来如何聚集形成现在太空中的星系和星系团起到了决 定性的作用。”相关报道指出，微波背景辐射的发现开创了现代宇宙学的新纪元，这使得两个 无线电工程师阿尔诺彭齐亚斯和罗伯特威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。自此之后，随着现代宇宙学的理论研究更为细节化、具象化，在几十年的时间里，皮布尔 斯使用各种理论工具和计算

5、，完成了一次又一次对宇宙的“窥探”，解释着那些来自宇宙婴儿 时期的线索，并且还发现了新的物理过程。他做了诸多深入的理论研究，例如，微波背景辐射 应该是怎样的、宇宙在大尺度上的不均匀是怎样形成和演化的等。其中，他和苏尼亚耶夫、泽 尔多维奇共同开展了宇宙大尺度结构最初的理论框架性研究，预言了宇宙微波背景辐射可能存 在着，同宇宙微波背景辐射温度相关的涟漪。而这一 “涟漪论”于1992年被N A S A发射的宇 宙微波背景辐射卫星C O B E证实。主导C O B E项目的约翰马瑟和乔治斯穆特也因此荣 获诺贝尔物理学奖。看到这里不难发现，皮布尔斯数次与诺贝尔奖擦身而过，在外界看来，他的陪跑经历颇有 些

6、戏剧色彩。但他自己却十分看得开，寄语有志投身科研的年轻人，不要为得奖做科研。“你 们应该出于对科学的热爱而从事科研，奖项虽然有吸引力且令人感激，但这并不应该是你们计 划的一部分。你们应该是因为对科学着迷而研究，我就是这样。”为科学着迷的皮布尔斯，以其对物理宇宙学的洞见影响着现代宇宙学。他陆续发表的文章 和著作，发展了宇宙结构形成的理论，为宇宙学从猜测转变为实证科学奠定了基础。但是，这 些对于宇宙学研究还远远不够。皮布尔斯的研究结果显示：人类所知的涵盖恒星、行星、树木 及我们的“宇宙”只占到宇宙的5%，剩余的95%都是未知领域，包括暗物质以及暗能量。在获得2019年诺贝尔物理学奖之际，皮布尔斯也

7、表示，虽然他的研究有助于加深了解宇宙 起源，但暗物质和暗能量仍然是个谜团，“即使我们在宇宙进化方面的理解取得重大突破，很 多问题仍然未解”。在太阳系的“邻居”那儿发现未知行星米歇尔麦耶和迪迪埃奎洛兹在探索银河系，从中寻找未知的世界。1995年，他们首次 发现了一颗围绕类日恒星运行的系外行星，这一发现颠覆了人类对世界的固有看法，并引发了 天文学历史上的革命。摘自诺贝尔奖官网基于恒星会因行星引力变化而产生微小摆动的理论，麦耶和奎洛兹发现了首颗太阳系之外 的行星，将其命名为“飞马座51 b (51Pegasi b)”。他们在法国南部的上普罗旺斯天文台， 使用定制的仪器观测到了它，发现它围绕着距离地球

8、50光年的恒星一一51P e g a s i快速旋 转，且需要4个地球日的时间来完成一次公转。这一发现引起了天文学界的沸腾。一是因为采用了新方法寻找系外行星，二是利用观测到 的飞马座51 b周期与当时唯一可用的数据点一一太阳系、木星(公转周期大约为12年)做对 比，显然，这颗气态行星根据以往约定俗成的行星系统观念，其公转周期并不能够被解释。也 正是因为这样，天文界掀起了一场浩浩荡荡的革命，天文学家们不得不重新思考已存在的观测 方法、行星形成理论是否合理。在此后的20多年间，随着技术手段的不断发展、探测精度的提升，人类在了解宇宙的过程 中累计找到了4000多颗系外行星。这些行星有着千奇百怪的体积

9、、形态和轨道，不断挑战着固 有的行星系统观念，使旧理论渐渐被修正，新理论逐步成型。在这个过程中，由于行星本身并不具有发光的特性，寻找、追踪起来难度颇大。已知的径 向速度法，通过测量恒星在受到其行星引力影响时的运动来实现。这种方法十分复杂，主要是 利用恒星因行星运动产生的轻微移动，且两者均会绕着共同的引力点移动，来从地球某一观察 点记录恒星的“前后摆动”。“这种径向速度可以用众所周知的多普勒效应来测量：当恒星朝 向我们移动时，发出的光更蓝；如果物体离我们远去时，发出的光就更红。”诺贝尔奖官网在 解读中指出，行星的影响使恒星光在蓝色和红色之间交替变化，天文学家用仪器捕捉到恒星光 波长的变化，并通过

10、测量恒星光的波长，精确地确定颜色的变化，从而得到径向速度。除了径 向速度法之外，如今天文学家还通过凌日测光法搜寻系外行星。该方法可测量当一颗行星经过 所属恒星前方时引起的光强变化。同时，由于来自恒星的光在到达地球之前会经过行星大气层， 这种方法还使得天文学家能够观察系外行星的大气层。方法运用的纯熟加快了行星研究的进程。径向速度法与凌日测光法结合使用，前者确定行 星的质量，后者测量行星的大小，从而有可能通过计算得出行星的密度，并进一步确定其结构。 与此同时，有关行星形成物理过程的问题也在持续增加，且复杂性日益增强。从各方的解读中可以知道，行星诞生离不开围绕新生恒星的旋转气体，也就是氢气和氦气，

11、更不能够缺少新生恒星周围的尘埃颗粒，即非晶硅、碳化合物和冰。尘埃颗粒在静电作用下逐 渐凝聚成更大的块状物。“这一过程很大程度上取决于参与其中的碰撞能量，而碰撞能量又取 决于气体和尘埃盘的动荡程度(天文学家对此还不甚了解)以及在与气体相互作用的过程中朝 中央恒星发生的辐射迁移。”相关报道还指出，颗粒物形成块状物，块状物的体积在多方作用 下持续增长，慢慢地，成为直径上百米甚至更大的“微行星”。“微行星之间的相互碰撞可能会将其摧毁，也可能形成更大的微行星体。微行星增长到一 定大小之后，砾石吸积便成了主导的增长机制，在此基础上进一步形成原行星，最终形成 行星。”然而，这一过程中还有许多细节尚不清楚，还

12、等待着研究人员的进一步探索。在宇宙中追寻行星，归根结底是人类对生命的探索。地球这颗行星之外是否还有生命存在， 这是一个永恒的问题。“人们关心地外生命，第一步首先需要发现系外行星，下面才有可能发现系外生命，乃至 智慧生命。在恒星演化早期和晚期，恒星都不稳定，周围很难存在高级生命，只有类太阳星周 围的行星才有这种可能。因此，两位诺贝尔奖得主是第一个在类太阳星周围发现了一颗系外行 星，满足了人们想在太阳系之外找到系外行星的想象，为大家打开了一扇通往寻找系外生命的 大门。”中国科学院国家天文台专家接受媒体采访时，曾这样解释了系外行星发现的意义。但遗憾的是，首颗系外行星飞马座51 b从已知情况来看，并不

13、具备生命体存在的环境。其 公转时间决定了它距离恒星较近，大概只有800万公里，也因此可推测行星温度达到了 1000C, 相比距离太阳1.5亿公里、温度适宜的地球，显然没有达到生物生存的条件。不管是探索行星形成系统、宇宙生命，还是解开暗物质和暗能量疑团，人类对于未知，一 如既往地前赴后继，等待着一项又一项伟大发现的问世。此次天体物理成就问鼎诺贝尔奖无疑 是振奋人心的激励，但不论这种激励是有是无、或多或少，就像皮布尔斯说的那样，他们始终 为科学着迷而研究。获奖人简介：詹姆斯皮布尔斯(James Peebles)，加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家。1935年 出生于加拿大温尼伯市，1962年在美国

14、普林斯顿大学博士毕业，现任普林斯顿大学阿尔伯特 爱因斯坦科学教授。主要贡献包括：推动让爱因斯坦后悔不已的宇宙常数重返宇宙学、预测并 促进宇宙微波背景辐射研究、理论证实暗物质和暗能量的存在。米歇尔麦耶(Michel Mayor)，瑞士天文学家。1942年出生于瑞士洛桑市，1971年在瑞 士日内瓦大学博士毕业，2007年退休前任教于日内瓦大学天文学系，目前仍以荣誉退休教授身 份在日内瓦天文台开展研究。主要贡献包括：1995年发现第一个围绕类日恒星运行的系外行星 飞马座5 1 b ，此后将研究聚焦在搜寻系外行星上。迪迪埃奎洛兹(Didier Queloz)，瑞士天文学家。1966年出生，1995年在瑞士日内瓦 大学博士毕业，现任日内瓦大学和剑桥大学教授。主要贡献包括：与导师米歇尔麦耶一起发 现飞马座51b、开发新的观察太阳系外行星的天文学仪器和实验技术。