理论和观测、大尺度与小尺度,从哪来和到哪去,不负有心——详细解读2019年诺贝尔物理学奖

[ 录入者:nanciji | 时间:2019-10-10 10:32:27 | 作者:左文文 | 来源: | 浏览:230次 ]

一、前言

北京时间10月8日下午5点50分,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔物理学奖的获奖者名单,表彰他们为理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的贡献。奖金的一半被授予普林斯顿大学的詹姆斯·皮伯斯(James Peebles),理由是物理宇宙学的理论发现,另一半奖项则授予了日内瓦大学教授米歇尔·梅耶(Michel Mayor)和日内瓦大学兼剑桥大学教授迪迪埃·奎洛斯(Didier Queloz),理由是发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星。

图1:2019年诺贝尔物理学奖的三位获奖者,图片版权:Nobel Media

此次获奖的组合很有意思。研究领域上是理论和观测的组合;研究对象上是大尺度和小尺度的组合,是从哪来和到哪去的组合,一个研究物理宇宙学,关心大尺度和宇宙起源,一个是研究系外行星,关心我们在宇宙中是否孤独;还是“不负有心”的组合,一个是参与的团队曾经有心探测微波背景辐射却被捷足先登,一个是有心探测系外行星并最终探测到。

细节如何,此次获奖对于我们有怎样的启示?这些问题是接下来笔者想一一分享的。

 

二、关于物理宇宙学:理论、大尺度、从哪来、不负有心

此次诺奖的一半授予了皮伯斯,是为了表彰他在物理宇宙学的理论发现。

综看皮伯斯的学术发表历史,他几乎在宇宙学的各个分支上都留下了印记。早在2004年,邵逸夫奖委员会曾这样评价:“察方面的几乎所有代宇宙学研究奠定了基,将高度猜性的转变为精密科学。

这次,诺贝尔奖委员会评论,他发展的理论框架构成了“现代理解从大爆炸一直到今天的宇宙历史的理论基础”。他撰写的三本教科书都已成为物理宇宙学领域的经典参考书。

图2:皮伯斯以一作于60年代发表的文章清单的截图,从这里的标题,你们有没有不明觉厉?

他基于物理学的计算,开发了一个理论框架,描述宇宙的演化过程,解释诸如原初元素核合成、宇宙微波背景辐射、星系的形成、星系中球状星团的形成等问题。他帮助建立了宇宙微波背景辐射的理论基础,是预测背景辐射光谱的先驱;帮助建立了现代宇宙演化的“标准模型”。 根据他的理论模型,可以预测宇宙的形状和其中所包含的成分,与后来的观测结果吻合较好。

2019年诺贝尔物理学奖公布之后,在接受自然杂志的采访时,他强调了宇宙学研究中理论和观测的紧密关系。理论模型有很多,但需要实践观测去检验理论的正确。

当问及他能否预测什么时候、人类将以何种方式去探测到暗物质,他的回答也许让不少人觉得不满意,因为他说他不知道,也许在实验室中探测到,也许在太空中探测到,但有一点可以确定,这项探测工作最精彩的部分便是虽然我们不知道我们将看到什么,但要继续寻找下去。

了不起的探测者必须要决定探测暗物质的方向,然后很多年超级努力地工作在这个方向,也许看起来是固执的。他非常欣赏那些努力做实验去探测暗物质的同仁们。

那有没有觉得这项任务太艰巨而难以承受(overwhelming)呢?他连着用4个no来表示不认同,他说从来没有这种感受,接着用“wonderful yes fascinating yes eager to know more absolutely”坚定地说出他的感受。

接下来,让我们回顾下物理宇宙学的发展,回忆41年前一群理论学家们错过诺奖的历史。

 

2.1 物理宇宙学是怎样的一个领域?

宇宙学是天体物理学的一个分支,研究宇宙大尺度结构、宇宙形成和演化的学科。宇宙学关于宇宙的起源和演化问题。在人类历史的相当长一段时间内,它曾是人类形而上学的一部分。从哥白尼、牛顿等之后,宇宙学慢慢成为科学。而一般认为,现代宇宙学的起源可以追溯到爱因斯坦广义相对论的提出和对极远天体的观测。现代宇宙学就像考古学,根据宇宙早期自然过程所留下的遗迹来推断宇宙的演化。

2.2 浅述宇宙大爆炸理论的发展史

2.2.1 物理宇宙学的诞生

理论上,1915年,爱因斯坦提出了广义相对论。1917年,他将广义相对论应用到整个宇宙,发表了标志物理宇宙学诞生的论文《根据广义相对论对宇宙学所做的考察》。然而该论文建立的宇宙模型不是静态的,当时大部分物理学家认为宇宙是静态的,不会收缩或膨胀,爱因斯坦为此在他的方程中增加了一个宇宙学常数项进行修正。

2.2.2 如何用数学和物理去描述宇宙?

1922年,前苏联物理学家弗里德曼利用广义相对论描述给定密度和压力的流体,给出了一个简化的场方程,描述一个均匀的和各向同性的宇宙。

1927年,一位比利时的神父勒梅特在不理解弗里德曼的工作的情况下,独立给出了这个场方程;在了解到星云远离我们的观测现象后,提出宇宙在膨胀,并据此提出如果往过去追溯,宇宙应该很小,直至宇宙的所有质量集中到一个尺寸很小的“原生原子”上。

后来,罗伯逊和沃克分别于1935年和1936年证明了弗里德曼和勒梅特独立推出的场方程 。因此这一模型称作弗里德曼-勒梅特-罗伯森-沃克宇宙模型。

2.2.3 观测发现宇宙在膨胀

而观测方面,早在1910年,斯里菲和威兹用多普勒现象来解释观测到的旋涡星云的红移,意味着这些星云在远离我们。勒梅特所基于的观测现象正是以此为代表的观测结果。但由于难以知道它们到我们的距离,所以斯里菲和威兹并不知道这些星云其实在银河系之外。

1929年,哈勃得以通过对一些旋涡星云中变星的观测,测定这些星云的距离,发现它们是河外星系,并发现这些星系距离我们越远,远离我们的速度越快。这说明,宇宙是在膨胀的。

图3:哈勃定律的卡通示意图,图片版权:2018 howstuffworks

 

2.2.4 宇宙大爆炸模型 V.S. 稳态宇宙模型

第二次世界大战后,宇宙膨胀的观点引出了两种相互对立的可能理论,一种理论是勒梅特所提出、乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫和他的学生阿尔菲提出了大爆炸后元素合成的理论,又称作abg理论。为了凑成了前三个希腊字母的发音,伽莫夫特意邀请实际上没有参与工作的汉斯·贝特加入作为合作者。

根据宇宙大爆炸理论,时空产生于从一个密度极大、温度极高的奇点发生的爆炸,最初,物质处于高密高温高压的均匀和各项同性的状态。光子不断地和自由电子发生散射,因此,早期宇宙对光子是不透明的。

大爆炸之后38万年时,温度降至约3000开尔文,几乎所有电子和原子核发生复合后,由于光子被中性原子散射的几率低,所以光子得以相对自由的传播并被观测到。随着宇宙的膨胀,这些光子的能量降低至微波波段,构成了背景辐射。宇宙微波背景光子携带着宇宙在“电子和光子最后碰撞时刻”的信息。

伽莫夫指导他的学生拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼理论预言了微波背景辐射的存在。他们预言背景辐射的余温是峰值在10开尔文左右的黑体辐射,认为难以探测到它。

另一个模型是弗雷德·霍伊尔等提出的稳态理论。在稳恒态宇宙模型里,新物质在星系远离留下的空间中不断产生,从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。

具有讽刺意味的是,大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼,他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》(The Nature of Things)中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸”的观点。

刚开始,大部分科学家们就像霍伊尔一样,对于“宇宙有确定的起源”嗤之以鼻。之后很多年,这两种理论并立,但射电源计数等一系列观测证据使天平逐渐偏向大爆炸理论。1965年微波背景辐射的发现,与宇宙大爆炸模型的预言非常相符,因此基本证实了宇宙大爆炸模型,给稳态模型沉重的打击。

现在宇宙大爆炸理论已经成为描述宇宙起源和演化最好的主流宇宙学模型,理论预言和观测证据符合得较好。

图4:宇宙大爆炸模型的示意图,图片版权:NASA/WMAP科学团组

 

2.3 给微波背景辐射的理论工作者的迟到的表彰

2.3.1 有意探测宇宙微波背景辐射,万事近乎备好

20世纪40年代,全世界从事观测宇宙学研究的人不过十个人左右。宇宙学还算不上天文学和物理学的发展主流,甚至观测宇宙学一词还没有得到公认。如今,宇宙学已经从一颗种子成长为一颗生机勃勃的大树,有观测和理论,两者相互促进。

此次获奖的皮伯斯是在20世纪60年代步入物理宇宙学的领域,那时相较于稳态模型,宇宙大爆炸模型已经得到了更多观测证据的支持。1958年,他进入普林斯顿大学跟随物理学家罗伯特·迪克攻读博士学位,后来他就留在普林斯顿工作。

那时,宇宙学的一个基本问题是宇宙的原初时刻究竟发生了什么,物质的起源是什么。在导师迪克的指导下,他计算了宇宙早期物理过程,预言了宇宙微波背景辐射应该分布在整个天空,但温度已经很低,只有绝对零度(零下273摄氏度)以上几度,非常难以测量。

虽然他不是第一个提出该理论的,伽莫夫的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼早于他提出预言,但他的理论计算更加深入和细致,给出了温度上限,并提出了探测微波背景辐射的可能性。70年代,他的理论工作预言了微波背景辐射的细节谱型,为后来获得高精度微波背景辐射观测的解释提供了重要理论基础。

迪克是美国著名的低温物理学家,他在40年代就已经发明了探测微波辐射的微波探测器,常被称作“迪克探测器”,他意识到这可以用于探测微波背景辐射。他指导他的学生皮伯斯、威尔金斯和罗尔发展低温探测技术,他们四人建造微波辐射计,旨在接收到波长为3厘米处的热辐射。

之所以选择这个波长,是因为更短波长处,大气吸收将带来影响;而更长波长处,河内和河外的辐射又会产生干扰。他们估算,根据他们所造设备的灵敏度,在3厘米处来自于河内和河外的辐射强度较弱,不会影响它们探测到微波背景辐射。

普林斯顿的这个团组意在探测到背景辐射,有理论支撑,为设备努力,然而事实不太尽如人意。

2.3.2 无心插柳柳成荫的彭齐亚斯和威尔逊

在他们探测到之前,1965年,毗邻普林斯顿大学的贝尔电话实验室的两位同志——彭齐亚斯和威尔逊在7.3厘米处碰巧探测到一个他们无法解释的信号残余,对应的温度是3.5开尔文。

图5:彭齐亚斯和威尔逊所使用的微波探测天线,图片来源:NASA

当迪克接到来自两位的咨询电话时,就意识到他们一直在探测的微波背景信号被彭齐亚斯和威尔逊先探测到了。彭齐亚斯和威尔逊随后以一篇简短的文章发表了他们的观测结果,而迪克、彭齐亚斯、罗尔、威尔金森四人以另一篇文章理论解释了该观测结果。

值得一提的是,威尔金森后来为许多宇宙微波背景辐射实验做出基本的贡献,包括两个美国航空航天局的卫星——宇宙背景探测者卫星(COBE)和他去世后以他命名表示敬意的威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)。

2.3.3 三次颁发给与微波背景辐射相关进展的诺贝尔物理学奖

1978年,诺贝尔物理学奖授予彭齐亚斯和威尔逊,表彰他们观测发现了宇宙微波背景辐射。而从事理论工作的迪克和皮伯斯却无缘诺奖。

1978年的诺贝尔物理学奖颁给了微波背景辐射,但为何没有颁发给理论工作者,如伽莫夫(1968年去世)、伽莫夫的学生拉尔夫·阿尔菲(2007年去世)和罗伯特·赫尔曼(1997年去世)、迪克(1997年去世)和皮伯斯等?原因可能是诺贝尔物理学奖一次只能发给3个人,但当时简单统计就能发现作出重要贡献的理论学家就超过了3个人,究竟给谁就成了一个难题。于是,就做了这样一个几乎没有争议的决定。

不过,科学同行是不会忘记他们的贡献。最早提出微波背景辐射的赫尔曼和阿尔菲获得了1993年的亨利·德雷伯奖章。另一次微波背景辐射获得诺贝尔物理学奖是2006年,COBE卫星的两位主要研究人员因为发现发现了微波背景辐射的黑体形式和各向异性。

图6:COBE拍摄的微波背景辐射数据显示的温度涨落,图片来源:NASA

今年的诺贝尔物理学奖颁发给了皮伯斯。此次颁发给理论工作,算是一次迟到的对微波背景理论工作的颁奖。

 

三、关于系外行星观测、小尺度、到哪去、不有心

观测、小尺度、到哪去、有意为之并最终寻得

此次诺奖的另一半授予了一对师生——导师米歇尔·迈耶和学生迪迪埃·奎洛斯,为了表彰他们发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星。具体的工作是1995年,他们一起发现了第一个环绕类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b

图7:迈耶和奎洛兹观测发现飞马座51b的观测室门口,图片来源:Josselin Desmars

 

3.1 探测系外行星真的很难

系外行星指太阳系外的恒星。有两个重要原因使得系外行星的探测很困难。第一,行星本身不发光,而是靠反射恒星的光,它的亮度与恒星相比太弱太弱;第二,行星和恒星彼此相距很近,就如同在一个大探照灯边上的飞蛾。

在太阳系中,木星已经是最大的大行星了,而且距离太阳也算是比较远的啦。让我们来看看,假设从太阳临近的恒星周围来看向太阳系,能不能分辨出木星。

假设从太阳系周围的其它恒星来看木星和太阳,如在300多光年之外,木星和太阳之间的距离就约相当于半角秒,1角秒相当于1/3600度。木星和太阳在光学波段上,亮度相差可达10亿倍。要分辨出如此靠近且亮度差距那么大的系统中的暗行星,难度之大,难以想象。

 

3.2 探测正常恒星周围的系外行星前传

19世纪中期,光谱技术应用到天文观测,使天文学家们对诸如温度、元素组成、运动等天体性质有了更多的认识。

20世纪上半叶,随着对恒星的认识加深,天文学家们意识到一方面恒星与太阳相似,均为氢氦主导的气体球;另一方面,恒星在质量、颜色、亮度和元素组成等性质上多种多样。

尽管性质多种多样,但与太阳的相似性不禁让天文学家们开始思索,其它恒星周围是否也存在着行星呢?因此从1940年代,他们便开始寻找系外行星。

虽然早在1989年就有天文学家表示,他们发现了一颗10倍于木星质量的天体在围绕一个类似太阳的恒星运动,但当时系外行星的看法未获得普遍认可。

直到1992年,天文学家们在一颗毫秒脉冲星周围发现了两颗行星;到了1994年,还证实了存在第三颗行星。这三颗行星是最早确认发现的系外行星。毫秒脉冲星周围的行星是毫秒脉冲星强烈的高能粒子风和辐射将伴星外层物质剥蚀后形成的,因此不可能有生命存在。但是该系外行星系统的发现解开了人类发现系外行星新的篇章。

3.3 探测正常恒星周围的系外行星

在法国南部的Haute-Provence天文台,一架口径为1.93米的望远镜安装了一台自制的光谱仪ELODIE。1993年,光谱仪的观测精度接近13米/秒,随后经改进,精度提升至可探测到恒星7米/秒的运动。

迈耶和他的学生奎洛兹就是利用这套设备,开发了新的观测技术,去搜寻系外行星。他们采用的方法是视向速度法,当光源朝向观测者运动时,光的频率降低,颜色变蓝,称作蓝移;反之称作红移。

我们经常听说,行星绕着恒星转,更准确的说法,是它们相互围绕着公共的质心绕转。行星的运动,会带来恒星的周期性运动,但所造成的影响是微小的。木星大小的行星给太阳带来的运动只有约每秒13米,而地球带来的只有约每秒9厘米。高精度光谱技术的加入,带来了明朗的曙光,让科学家们能捕捉到恒星速度在视线方向上的分量——视向速度,从而判断它的周围是否有行星,帮助估算出行星的质量。

1995年10月,迈耶和奎洛兹宣布探测到了一颗正常恒星——飞马座51周围的行星飞马座51b,飞马座51与太阳属于同一光谱型,距离我们约50光年。飞马座51b造成了主星的视向速度影响是50米/秒,比木星给太阳的运动带来的影响更大。他们估算出,该行星的质量约为木星的一半,到主星的距离很近,相当于太阳系中水星轨道半径的14%,也因此表面温度很高,能达到1000多摄氏度,因此被称作热木星。

图8:系外行星飞马座51b和它的主星的艺术想象图,图片版权:ESO/M. Kornmesser/Nick Risinger

迈耶和奎洛兹的发现公布之后,不久便得到了另一个团组的确认。这证明了在太阳系之外的正常恒星周围也存在行星系统,我们可以使用该技术探测到更多的系外行星。如今,我们已发现了4100多颗系外行星,其中近30%是通过视向速度法发现。而视向速度法的精度也已经提升到0.7米每秒。

在接受媒体采访时,迈耶表示,此次获奖真是一个美好的惊喜。24年前的发现不是在一个特别的时刻立即就做出的发现,而是要收集好几个月的观测数据,确信没有问题后,再发布结果。他们的发现是有关系外行星,在问及何时能发现系外生命时,他的回答是,我们知道,想要找到系外生命,应该去关注怎样的信号,一定程度上也知道该如何努力,但技术上确实困难重重,但他对将来该领域的发展不用态度消极,要积极对待,继续努力。

奎洛兹的采访感言很有意思,“其实今天早上还挺悲剧,自行车出故障了。听说获奖时,刚开始我的大脑还一片空白,走出办公室,看到同事们为我鼓掌,哦,看来是真的,我成为诺奖获得者之一了。”他开玩笑说,他可以买一辆新自行车了。他特别说,家庭是他的支柱,他努力工作,因为他对他的工作充满激情,他的家人理解这是他的世界,非常支持他。他的同事们评价他是个很有工作激情的人,在为整个领域努力,而不是仅仅为他自己工作。

 

四、总结

皮伯斯发展的理论框架构成了“现代理解从大爆炸一直到今天的宇宙历史的理论基础”,为理解宇宙演化做出了贡献。1978年诺贝尔物理学奖颁发给微波背景辐射的发现,2006年花落观测上微波背景辐射的黑体形式和各向异性的发现。此次颁发给理论工作,算是对微波背景理论工作的纪念,算一份迟到的颁奖。

迈耶和奎洛兹1995年的发现,开启了一个系外行星探测的新领域,让大家意识到太阳系之外还有普通恒星周围存在行星,并让大家知道技术上是可行的。此外对于行星系统的形成理论带来了挑战,对于太阳系的形成理论和我们在宇宙中的位置有着重要的意义。

皮伯斯和他所在的团队关注的是微波背景辐射的探测,迈耶和奎洛兹关注的是系外行星的探测,两者的探测难度在想法提出的时候都是难以想象的。最终这些发现其实正说明了,基础科学研究和技术的发展是相互促进的,正因为基础科学研究的需求,促使了新技术的发展,而新技术的发展促进了新发现;再拔高一点,前沿基础科学研究的新发现离不开整个国家的工业实力。

于个人或一个团队,笔者非常认可和欣赏他们采访中不断强调的面对困难、“不要轻易下负面的结论”。他们相信,选择一条道路,然后就要自信地坚持走。也许,要做出好的工作,我们很需要自信和不畏难,踏出舒适区。

中国天文界的很多老师和同学,他们有着良好的学术基础,热情高涨,不怕困难,善于学习,笔者真心相信和祝愿未来中国的天文学一定会更强。

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责任编辑:nanciji

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