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2019諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉：宇宙演化獲獎(jiǎng)
北京時(shí)間10月8日消息，2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉：加拿大裔美國科學(xué)家James Peebles、瑞士科學(xué)家Michel Mayor、瑞士科學(xué)Didier Queloz獲獎(jiǎng)。 獎(jiǎng)勵(lì)他們“在增進(jìn)我們對(duì)宇宙演化，以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的貢獻(xiàn)”。其中一半獎(jiǎng)金授予美國普林斯頓大學(xué)JamesPeebles，獲獎(jiǎng)理由是“對(duì)于物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)。”另一半獎(jiǎng)金授予瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Michel Mayor，以及瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)/英國劍橋大學(xué)的Didier Queloz，獲獎(jiǎng)理由是“發(fā)現(xiàn)了圍繞其他類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”。
關(guān)于我們?cè)谟钪嬷械匚坏膷湫乱暯?/strong>
今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)勵(lì)人類對(duì)于宇宙結(jié)構(gòu)與歷史方面的嶄新理解，以及圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星。James Peebles關(guān)于物理宇宙學(xué)的洞察豐富了整個(gè)研究領(lǐng)域并為過去50年間宇宙學(xué)領(lǐng)域所發(fā)生的深刻變革奠定了基礎(chǔ)，將猜想變?yōu)榱丝茖W(xué)。他在上世紀(jì)1960年代中期以來所建立的理論框架，已經(jīng)成為我們理解宇宙的基礎(chǔ)。
大爆炸模型描述了宇宙從大約140億年前誕生開始的歷史，當(dāng)時(shí)的宇宙極端高溫，密度極大。自那以后，宇宙經(jīng)歷了不斷的膨脹，體積變大，不斷降溫。大約在宇宙大爆炸之后40萬年，宇宙開始變得透明，光第一次得以在宇宙間傳播。即使在今天，這一古老的輻射仍舊彌漫在我們的周圍，并在其中隱藏著許許多多關(guān)于宇宙的秘密。借助他所開創(chuàng)的理論工具和計(jì)算方法，James Peebles得以解碼這些來自宇宙嬰兒時(shí)期的線索，并發(fā)現(xiàn)了全新的物理學(xué)過程。
他的研究結(jié)果顯示，我們所知的宇宙只占到宇宙的5%，它包括了所有的恒星，行星，樹木，以及我們。剩余的95%都是未知領(lǐng)域，包括暗物質(zhì)以及暗能量。這是當(dāng)代物理學(xué)所面臨的重大謎團(tuán)和挑戰(zhàn)。
1995年10月，Michel Mayor和Didier Queloz宣布首次發(fā)現(xiàn)太陽系外的一顆行星，一顆系外行星，圍繞我們的銀河系中的一顆類似于太陽的恒星運(yùn)行。在法國南部的Haute-Provence天文臺(tái)，使用定制的儀器，他們能夠看到行星“51 Pegasi b”，一個(gè)可與太陽系最大的氣體巨星“木星”相媲美的氣態(tài)球體。
這一發(fā)現(xiàn)開啟了天文學(xué)的一場革命，自那時(shí)以來，銀河系已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星。奇異的新世界仍在不斷被發(fā)現(xiàn)，其大小、形狀和軌道之豐富令人難以置信。這些行星挑戰(zhàn)了我們對(duì)行星系統(tǒng)的先入之見，并迫使科學(xué)家修正他們關(guān)于行星起源背后的物理過程的理論。隨著大量的尋找系外行星的計(jì)劃著手實(shí)施，我們或許最終能回答其他星球是否有生命存在這一永恒的問題。
今年的獲獎(jiǎng)?wù)吒淖兞宋覀儗?duì)宇宙的看法。James Peebles的理論發(fā)現(xiàn)有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的，而Michel Mayor和Didier Queloz則在尋找未知行星的過程中探索了我們的宇宙鄰居。他們的發(fā)現(xiàn)永遠(yuǎn)改變了我們對(duì)地球和宇宙的看法。
現(xiàn)代宇宙學(xué)揭示了宇宙的歷史，以及宇宙中令人意想不到的物質(zhì)和能量組成部分。與此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)太陽遠(yuǎn)不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發(fā)現(xiàn)顯示，行星系統(tǒng)具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里，我們對(duì)宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化，也改變了我們對(duì)地球在宇宙中所處地位的看法。今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)關(guān)注的正是這些突破性的發(fā)現(xiàn)。
物理宇宙學(xué)
天文學(xué)家對(duì)宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）中溫度各向異性的測(cè)量越來越精確，對(duì)宇宙膨脹歷史的研究也更加深入，同時(shí)對(duì)宇宙大型結(jié)構(gòu)的天文觀測(cè)也越來越詳細(xì)，這一切都使宇宙學(xué)發(fā)展成為一門以精確性為標(biāo)志的科學(xué)。
如此令人興奮的發(fā)展之所以成為可能，要感謝過去半個(gè)世紀(jì)以來，物理學(xué)家們?cè)谟钪鎸W(xué)理論框架中的突破性發(fā)現(xiàn)。今年的諾貝爾獎(jiǎng)得主James Peebles在這個(gè)領(lǐng)域做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。他通過詳細(xì)的建模，并利用分析和數(shù)值方法，對(duì)宇宙的基本屬性進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)了意想不到的新物理學(xué)。現(xiàn)在，我們有了一個(gè)統(tǒng)一的模型，能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現(xiàn)在以及遙遠(yuǎn)未來的狀態(tài)變化。
現(xiàn)代宇宙學(xué)建立在愛因斯坦廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)上，假設(shè)了最初的“大爆炸”時(shí)期，當(dāng)時(shí)宇宙極其高溫和稠密。大爆炸后不到40萬年，宇宙溫度下降到3000K左右，電子與原子核得以結(jié)合成原子。由于沒有留下任何能輕易與光子相互作用的帶電粒子，當(dāng)時(shí)的宇宙對(duì)光是透明的。這種輻射現(xiàn)在以宇宙微波背景（CMB）的形式出現(xiàn)。由于宇宙學(xué)上的紅移，CMB的溫度目前只有2.7K——自物質(zhì)和輻射去耦（decoupling）以來，這一系數(shù)降低了約1100倍。在圖1中，CMB的來源可以看成一個(gè)屏幕，使我們無法輕易地回溯到大爆炸后幾百萬年以前的時(shí)間。
美國恐怖小說作家埃德加·愛倫·坡是最早提出宇宙始于大爆炸這類觀點(diǎn)的人之一，他在他的散文詩《尤里卡》（Eureka）中描述稱，宇宙是有開端的，以此來解釋為什么夜晚的天空是黑暗的。這一問題后來被稱為奧伯斯佯謬，由德國天文學(xué)家海因里?！ねW伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）于1823年提出，指出若宇宙是穩(wěn)恒態(tài)且無限的話，那晚上應(yīng)該是光亮而不是黑暗的。在《尤里卡》中，愛倫·坡甚至提出宇宙最初是一個(gè)“原始粒子”，然后爆炸了。
1922年，俄羅斯數(shù)學(xué)家、宇宙學(xué)家亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedman）利用愛因斯坦新提出的廣義相對(duì)論，首次提出了宇宙膨脹的數(shù)學(xué)理論。他在1924年進(jìn)一步發(fā)展了自己的理論。1927年，這些觀點(diǎn)被比利時(shí)天主教神父和天文學(xué)家喬治·勒梅特（Georges Lemaitre）重新發(fā)現(xiàn)，他后來提出了“原始原子”的概念。勒梅特還認(rèn)為，星系之間正在相互遠(yuǎn)離，這一點(diǎn)可以用宇宙膨脹來解釋。1924年，瑞典天文學(xué)家克努特·倫德馬克（Knut Lundmark）獲得了類似的觀測(cè)結(jié)果，盡管嚴(yán)密性和精確性有所不足。隨著美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）在1929年的觀測(cè)，人們普遍接受了宇宙實(shí)際上在膨脹的觀點(diǎn)。
通過天文觀測(cè)，我們了解到以核子形式存在于恒星、氣體云等結(jié)構(gòu)中的常規(guī)重子物質(zhì)的數(shù)量，不超過目前總能量密度的5%。此外，暗物質(zhì)占宇宙臨界密度的26%。我們也可以稱暗物質(zhì)為看不見的物質(zhì)，因?yàn)樗炔话l(fā)光也不吸收光。到目前為止，天文學(xué)家只能通過暗物質(zhì)的引力效應(yīng)來了解它。
宇宙中最重要的組成部分是宇宙學(xué)常數(shù)，它代表了不受膨脹影響的恒定能量密度。宇宙學(xué)常數(shù)是暗能量的兩種模型之一，“暗能量”一詞也說明了它隨時(shí)間和空間變化的可能性。也就是說，暗能量不一定是量子場論中引入的常數(shù)，也不一定與真空能量有關(guān)。觀測(cè)結(jié)果表明，暗能量約占宇宙臨界密度的69%。隨著物質(zhì)的其他成分被膨脹稀釋，暗能量將隨著時(shí)間變得越來越重要（除非它的能量密度開始下降）。
暗能量可以迫使星系加速遠(yuǎn)離彼此，這一點(diǎn)似乎并不直觀，但卻是暗能量不尋常屬性的直接后果。圖1的右半部分顯示了宇宙加速膨脹的階段，星系的數(shù)量逐漸稀疏。在圖1中，圖中間橘紅色的“火焰”顯示的是大爆炸時(shí)期，這暗示著在大爆炸之前，可能還存在一個(gè)準(zhǔn)備階段，如膨脹階段。天文學(xué)家假設(shè)存在一個(gè)快速加速的膨脹時(shí)期，這可以解釋宇宙的幾個(gè)特性，比如平坦性。
宇宙的基本組成部分，以及它們之間如何相互作用和演變的方程，構(gòu)成了大爆炸宇宙學(xué)中的索引模型，有時(shí)稱為ΛCDM（Λ-冷暗物質(zhì)模型）。其中Λ為宇宙學(xué)常數(shù)，是解釋當(dāng)前宇宙觀測(cè)到的加速膨脹的暗能量項(xiàng)；CDM即冷暗物質(zhì)的英文縮寫。這個(gè)模型是物理宇宙學(xué)的一次勝利，它系統(tǒng)地將物理定律應(yīng)用于宇宙的演化。該模型最重要的創(chuàng)始人之一便是James Peebles，他出版的三本教科書《物理宇宙學(xué)》（1971）、《宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)》（1980）和《物理宇宙學(xué)原理》（1993）已經(jīng)成為該領(lǐng)域重要的參考文獻(xiàn)。
獲獎(jiǎng)?wù)吆喗?/strong>
James Peebles，1935年出生于加拿大溫尼伯。1962年獲美國普林斯頓大學(xué)博士，現(xiàn)在是美國普林斯頓大學(xué)阿爾伯特·愛因斯坦榮譽(yù)科學(xué)教授。
Michel Mayor，1942年出生于瑞士洛桑。1971年獲得瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士，現(xiàn)在是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授。
Didier Queloz，1966年出生。1995年獲得瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士，現(xiàn)在是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)和英國劍橋大學(xué)教授。
轉(zhuǎn)載自：新浪科技
