物理學(xué)獎(jiǎng)

2019-03-23 09:37

大眾科學(xué) 2019年11期

獲獎(jiǎng)原因：

瑞典皇家科學(xué)院10月8日宣布，將2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三名科學(xué)家。來(lái)自美國(guó)的詹姆斯·皮布爾斯因宇宙學(xué)相關(guān)研究獲獎(jiǎng)，來(lái)自瑞士的米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲因首次發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星獲獎(jiǎng)。

瑞典皇家科學(xué)院常任秘書(shū)戈蘭·漢松當(dāng)天在皇家科學(xué)院會(huì)議廳公布了獲獎(jiǎng)?wù)呙麊渭爸饕删汀h松說(shuō)，今年的獲獎(jiǎng)研究為“我們理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置作出了貢獻(xiàn)”。

獲獎(jiǎng)人簡(jiǎn)介：

米歇爾·馬約爾（MichelG·E·Mayor），瑞士天體物理學(xué)家現(xiàn)年77歲，1942年出生于瑞士洛桑，他曾于2015年獲得京都基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)（KyotoPrize）。

麥耶在1966年于洛桑大學(xué)取得物理學(xué)位之后，于1971年在日內(nèi)瓦大學(xué)取得天文學(xué)博士學(xué)位。他以休假方式在英國(guó)劍橋的天文臺(tái)、智利的歐洲南方天文臺(tái)和夏威夷的夏威夷大學(xué)天文研究所進(jìn)行研究。

1989年到1992年期間，麥耶在歐洲南方天文臺(tái)工作。1988年到1991年之間他和國(guó)際天文聯(lián)會(huì)一起研究星系結(jié)構(gòu)；而1990年到1993年間則是和瑞士天文及天文物理學(xué)會(huì)（Swiss SocietyforAstrophysicsandAstron omy）一起研究。

邁耶已于2007年從日內(nèi)瓦大學(xué)天文學(xué)系退休，但仍以榮譽(yù)退休教授身份持續(xù)進(jìn)行研究。

菲利普·詹姆斯·埃德溫·皮布爾斯（PhillipJamesEdwinPeebles），加拿大裔美國(guó)物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家，目前是普林斯頓大學(xué)的阿爾伯特·愛(ài)因斯坦科學(xué)名譽(yù)教授。自1970年以來(lái)，他被廣泛認(rèn)為是世界上領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家之一，對(duì)原始核合成、暗物質(zhì)、宇宙微波背景和結(jié)構(gòu)形成具有重要的理論貢獻(xiàn)。

皮布爾斯1935年4月25日生于曼尼托巴省溫尼伯市，并在曼尼托巴大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位。1958年秋天，他離開(kāi)曼尼托巴進(jìn)入普林斯頓大學(xué)，在羅伯特·迪克（RobertDicke）的指導(dǎo)下完成了博士學(xué)位。他之后整個(gè)職業(yè)生涯都留在普林斯頓。

迪迪?！た迤潱―idierQueloz），生于1966年2月，是瑞士天文學(xué)家，在劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的天體物理學(xué)小組以及日內(nèi)瓦大學(xué)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系外行星方面擁有豐富的記錄。

1995年，他還是日內(nèi)瓦大學(xué)的一位博士生。他和他的博士生導(dǎo)師米歇爾·馬約爾（MichelMayor）發(fā)現(xiàn)了一顆主序恒星周圍的第一顆系外行星。Queloz使用徑向速度測(cè)量（多普勒光譜儀）對(duì)51Pegasi進(jìn)行了分析，并驚訝地發(fā)現(xiàn)了一個(gè)軌道周期為4.2天的行星。名為Pegasib的行星51是當(dāng)時(shí)流行的木星或烘烤器，挑戰(zhàn)了當(dāng)時(shí)公認(rèn)的行星形成觀點(diǎn)。他因開(kāi)發(fā)新的天文儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)而獲得了2011年BBVA基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí)前沿獎(jiǎng)（與MichelMayor共同獲獎(jiǎng)），從而首次觀察了太陽(yáng)系以外的行星。2017年，他獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。

茫茫宇宙，我們從哪里來(lái)？宇宙中還有沒(méi)有其他類似地球的星球也演化出生命？因?yàn)閷?duì)這兩個(gè)基本問(wèn)題的探索成就，這是科學(xué)界永恒的探討，三名科學(xué)家也因此分享了2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

許多科學(xué)先驅(qū)都曾預(yù)言，滿天繁星中，一定有許多恒星也擁有繞它們旋轉(zhuǎn)的行星。然而那些行星距地球太過(guò)遙遠(yuǎn)，所反射的光又太過(guò)微弱，想要“看”到它們并不容易。

一切始于宇宙大爆炸

大約140億年前，在宇宙最開(kāi)始的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)的宇宙非常熱，密度相當(dāng)大。自宇宙爆炸之后，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，溫度也很快冷卻、下降。大爆炸后不到40萬(wàn)年，宇宙變得透明，光線可以在太空中穿行。即使在今天，這種古老的輻射仍然存在于我們周圍，許多宇宙的秘密都隱藏在其中。

皮布爾斯在宇宙學(xué)方面的貢獻(xiàn)主要集中在宇宙微波背景輻射上。而宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸模型提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，同時(shí)皮布爾斯還用大爆炸理論解釋了宇宙初期的痕跡，并發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)進(jìn)程。他的研究工作使得宇宙學(xué)迅速成長(zhǎng)起來(lái)，結(jié)果顯示，在我們所知的宇宙中，只有5%的物質(zhì)是已知的，即這些構(gòu)成了恒星、行星、樹(shù)木和人類生命的物質(zhì)。剩下的95%是未知的暗物質(zhì)和暗能量。所謂的暗能量會(huì)推動(dòng)宇宙的膨脹，而暗物質(zhì)是一種看不見(jiàn)的物質(zhì)，它似乎懸浮在星系周圍，僅僅通過(guò)引力來(lái)彰顯存在感。當(dāng)然，這是一個(gè)謎，也是對(duì)現(xiàn)代物理學(xué)的一個(gè)挑戰(zhàn)。

尋找系外行星的起點(diǎn)

1995年，馬約爾和奎洛茲基于恒星會(huì)因行星引力變化而產(chǎn)生微小擺動(dòng)的理論，宣布首次在太陽(yáng)系外發(fā)現(xiàn)一顆行星。這顆繞著約50光年外飛馬座內(nèi)類日恒星“飛馬座51”運(yùn)轉(zhuǎn)的行星被命名為“飛馬座51b”，它是一顆與太陽(yáng)系最大行星木星相仿的氣態(tài)行星。這項(xiàng)成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物《自然》上。有人認(rèn)為這顆行星的發(fā)現(xiàn)為人類尋找宇宙中的伙伴帶來(lái)了新希望；也有人稱馬約爾和奎洛茲為“新世界的發(fā)現(xiàn)者”，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)堪比哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。

“飛馬座51b”的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃了系外行星探索的“星星之火”。迄今科學(xué)家們?cè)阢y河系發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量已超過(guò)4000顆。各種各樣的新天體仍在不斷被發(fā)現(xiàn)，其大小、形狀、軌道之豐富令人難以置信。它們挑戰(zhàn)了我們對(duì)行星系統(tǒng)的已有認(rèn)識(shí)，迫使科學(xué)家們修正行星起源理論。

這片奇異的新世界還在繼續(xù)向我們展示著它的神奇和美妙，最容易被發(fā)現(xiàn)的是巨大的、熾熱的氣體巨行星，它們圍繞著母星在極其靠近的軌道上旋轉(zhuǎn)，另一些表面布滿巖石，在適宜居住區(qū)域下有液態(tài)水流動(dòng)，還有一些系外行星是奇異的水世界，它們的整個(gè)表面都是海洋。

宇宙面前的孩子

在飛馬座51b之前，為什么沒(méi)人發(fā)現(xiàn)類太陽(yáng)系外行星？第一是技術(shù)原因。徑向速度的恒星擺動(dòng)只有幾十米每秒，與高速路上的汽車大致相當(dāng)，而把這個(gè)速度放到宇宙中、放在一顆恒星上則是非常慢的，所以探測(cè)起來(lái)很困難。

第二是科研思路的原因。在此之前，也有其他團(tuán)隊(duì)達(dá)到這種技術(shù)和觀測(cè)精度，但是按照太陽(yáng)系模型去做的，預(yù)設(shè)了以年為長(zhǎng)周期的觀測(cè)，而這顆星的一年只相當(dāng)于地球上的4天。

而這一發(fā)現(xiàn)的不可思議之處在于，完全改變了人們的宇宙觀，改變了人們對(duì)行星的認(rèn)識(shí)。居然可以有這么一顆行星，它的周期這么短，離它的恒星那么近，只有地球和太陽(yáng)之間距離的1/20。

1995年之后，系外行星的探測(cè)越來(lái)越熱門。主要有兩大方向。一是在可居住帶內(nèi)發(fā)現(xiàn)類地行星，目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了幾十顆；二是發(fā)現(xiàn)大量的行星系統(tǒng)，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)與太陽(yáng)系的異同。