诺奖解读 | 探索星辰大海,是人类永久的追求

2019-10-08信息快讯网

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北京时间10月8日下午5点50分,2019年诺贝尔物理学奖揭晓。三位学者分享了这一奖项,以“表彰他们为理解宇宙演化以及地球在宇宙中的位置所作出的贡献”。其中,美国普林斯顿大学教授吉姆·皮布尔斯(James Peebles)将分得一半奖金;瑞士日内瓦大学教授米歇尔·麦耶(Michel Mayor)以及瑞士日内瓦大学教授兼英国剑桥大学教授迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)平分另一半奖金。

探索星辰大海,从来都是人类永久的向往。皮布尔斯在上世纪60年代提出的宇宙演化理论,让人类离解答“我们从哪里来”这个终极问题又进了一步;而麦耶和奎洛兹第一次发现了系外行星,在满足人类一直以来最原始的好奇——“我们是否是苍茫宇宙中唯一的生命体”这一问题上,提供了更多可能的答案。

或许可以这样说:皮布尔斯的成就主要在基础研究领域,而麦耶和奎洛兹的成就主要在探测领域,正是得益于他们的卓越工作,人类重新认识了自身在宇宙中的位置。

宇宙大爆炸世界是什么样的?皮布尔斯的发现奠定了宇宙学的研究基础

皮布尔斯是加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家,目前是普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学名誉教授。自1970年以来,他就被认为是世界上领先的理论宇宙学家之一,对原始核合成、暗物质、宇宙微波背景和结构形成具有重要的理论贡献。他的三本教科书《物理宇宙学》《宇宙的大规模结构》《物理宇宙学原理》已成为该领域的标准参考书。

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“皮布尔斯的研究成果主要产生于上世纪60年代至80年代初,他的理论为后来宇宙学的快速发展奠定了理论基础。”中国科学院院士、上海交通大学物理与天文学院院长景益鹏教授介绍,他的理论涵盖宇宙大爆炸核合成、宇宙微波背景辐射、冷暗物质理论、宇宙结构形成的理论、宇宙大尺度结构的统计主要研究领域。

众所周知,宇宙起源于大爆炸。大爆炸模型从大约140亿年前的第一刻开始描述了宇宙,当时它非常炽热且密集。此后,宇宙开始膨胀,变得越来越大,越来越冷。40万年后,宇宙变得透明,光线得以穿越太空。即使在今天,大爆炸最初的古老辐射仍在我们周围,这被认为是宇宙微波背景。

皮布尔斯的研究结果向我们展示了宇宙仿佛一杯“咖啡”:其中5%的内容是已知物质,由恒星、行星等物质构成;其余的95%是未知的暗物质和暗能量。

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在今天诺奖揭晓、诺奖委员会接通皮布尔斯的电话时,他说:“我的研究始于1964年,这是我一生的事业。但是在宇宙学研究这样宏大的项目面前,我感到自己是非常渺小的,常常也有进展不下去的时候。最初我们的科研项目是很小的,直到80年代才被整个科研界认可,成为一个相对重要的项目。随着科学的发展,我的理论也得到越来越多的证明,作为科学家的经历,真是令人欣喜的过程。”

地球是宇宙中唯一的宜居行星吗?两位学者的发现开启了一场天文革命

“麦耶和奎洛兹的发现可以说是开启了天文学的一场革命,自从1995年他们发现太阳系外的第一颗行星至今,银河系已经发现了4000多颗系外行星。而这些行星的大小、形状和轨道之丰富令人难以置信。”上海交通大学青年学者刘江来教授称,系外行星的发现满足了人类长久以来的好奇心“我们是整个宇宙中的唯一吗?”

长久以来,人们一直怀疑在茫茫宇宙中还有许多其它的行星,就连牛顿都曾在他的著作中提到这一猜想,但长久以来,却没有证据。

“通过对系外行星的研究,可以了解行星的演化过程,他们的成果改变了我们对人类与地球在宇宙中的位置的理解。”中国科学院国家天文台研究员陈学雷说,今年的诺贝尔物理学奖的成果可说是为我们绘制了整个宇宙的地图,比我们想象的更陌生,更璀璨。

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陈学雷介绍称,寻找系外行星极端困难。因为行星本身不发光,只能反射恒星的光芒;同时,离地球最近的恒星,与地球之间的距离也以光年计。相距如此遥远的情况下,系外行星肯定会被笼罩在它所环绕的恒星的光芒中。昨天诺奖委员会在介绍他们的成果时也称,在麦耶和奎洛兹那个年代,要发现系外星形,不仅需要深入的研究,还需要一些天赋。

当行星远去时,恒星的光就会发生轻微的蓝移。反之,当行星靠近时,恒星发出的光就会发生轻微的红移。这样一来,如果一颗恒星的周围真的存在一颗行星,这颗恒星的光谱就会出现周期性的蓝移和红移交替的现象,反之亦然。这种探测系外行星的方法就是径向速度法。诺奖委员会在颁奖时称,通俗地讲,这个现象可以理解为仿佛一辆车驶入车站和离开车站时,反射的光会有微弱的不同。

陈学雷说,更重要的是,他们发现的行星还是一颗非常特殊的行星。在太阳系中,离太阳近的行星质量小,离太阳远的行星是大质量的木星、天王星之类的行星,但是他们发现的行星是离恒星又近,质量又大,“这意味着宇宙中行星和恒星的绕行有不同的形式,事实上,其后陆续发行的系外行星,确实证明了这一点”。

我国越来越多的团队参与研究,尚未达到满地开花的程度

“宇宙学在上世纪六七十年代还是冷门学科,但是上世纪80年代以后进入蓬勃发展,国内几个主要的天文观测单位和高校都相继开始研究,目前也进入了快速发展时期。”景益鹏告诉记者。

国家天文台、上海天文台、南京紫金山天文台等单位都相继开始,中国科技大学、上海交通大学、北京大学、南京大学等高校也都纷纷在宇宙学领域布局。景益鹏介绍称,中国的科学家团队也参与了国际大项目, 如主焦点巡天(PFS)”、“暗能量光谱仪器巡天(DESI)”。上海交大、清华大学也都在四川锦屏山进行暗物质探测。中科院高能所正在西藏阿里建造观测宇宙微波背景偏正的望远镜。

陈学雷也说,目前,国内的科研团队在宇宙学研究领域越来越活跃,一方面,虽然与国家上最发达的团队仍然有差距,但是试验设备近年来越来越先进,出现了很多不错的成果;另一方面理论研究也越来越活跃,虽然还没有进入全面开花的阶段,但是也出于上升的势头。

今天,皮布尔斯也说:“我的成果并非来自我一个人,当时全世界的科学家,包括前苏联的科学家都给了我很多的启迪,我觉得和我同时代的科学家都有一种精彩绝伦的天才想法,这都对我产生了很大的影响。”

不过,对于外星生命是否存在,皮布尔斯在电话连线中称:“这只是一个猜测,我们能够确定星球本身有些是适合生命的进化的,但是目前为止,很难知道其他星球是否有生命。我可以非常确定的是,我们能够见到外星人、外星生命迹象的机会是微乎其微的,这取决于我们需要全世界更多的科学力量共同加入。”


作者:姜澎

编辑:沈湫莎

责任编辑:许琦敏

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