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2019年的诺贝尔物理学奖揭晓

(2019-10-11 20:27:22)
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诺贝尔物理学奖

分类: 他山之石

2019年的诺贝尔物理学奖揭晓

2019年的诺贝尔物理学奖授予加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯、瑞士天文学家米歇尔·梅耶和瑞士天文学家迪迪埃尔·克罗兹,以表彰他们在理解宇宙进化上作出的卓越贡献——因为他们的工作,人类重新认识了自身在宇宙中的位置。

 詹姆斯·皮布尔斯因在物理宇宙学理论上作出突出的贡献而获奖,将获得 1/2 的奖金;米歇尔·梅耶和迪迪埃尔·克罗兹因共同发现了第一颗围绕类太阳恒星运转的系外行星获奖,将平均分享另外 1/2 的奖金。

 一、皮布尔斯的工作

 1.宇宙变透明的时刻

 宇宙大爆炸,是今天我们熟知的宇宙演化模型。大爆炸模型描述了大约 140 亿年前宇宙诞生之初的状态,当时的宇宙拥有极高的温度和密度。在此之后,宇宙不断膨胀,变得越来越庞大,也越来越冷。

 在早期,宇宙中是一堆氢离子和氦离子以及电子组成等离子气体,并没有自由光子。在高中物理中,我们知道,氢原子的最低能级是-13.6电子伏特,所以,只要存在能量超过13.6ev的光子气体,氢原子里的电子就会被光子打出来,成为离子状态。这个时候的光子是不自由的,经常与电子碰撞,它们不能跑出来——这就好像一个电影明星穿过一个菜市场,大家都找她签名,明星是不自由的,根本跑不出那个菜市场。

 当宇宙的温度降低到退耦温度(T=0.26eV,相当于3000K)以下时,质子与电子才会结合起来生成氢原子。当大多数自由电子被质子俘获后,光子就可以自由地在宇宙中传播,即宇宙对光子变得透明了——这发生在宇宙大爆炸的38万年以后。这就是我们能够观察到的宇宙中最早也是最古老的光,它携带了宇宙大爆炸后遗留下来的信息。由于宇宙学红移,现在观察到大爆炸后遗留下来光子频率的极大值已经移动到了微波波段,这就是宇宙微波背景辐射被发现的历史故事。

 2.微波辐射被发现

 1965年,贝尔实验室的工程师彭齐亚斯和威尔逊意外地发现了这宇宙最早的光。他们在波长为7.35厘米的长波段发现了温度为3.5K的不明信号——这个温度是根据电子学里的纳奎斯特定理估计出来的。这个信号非常特别,就是无论你如何改进探测仪器,它永远如影随形,不可消除。这个信号甚至与时间无关,与空间无关。也就是说,在任何季节,这个信号存在,在天空的任何方向,这个信号也存在。

 作为工程师,彭齐亚斯和威尔逊完全不懂宇宙学,他们刚开始以为,这事情真是见鬼了,他们甚至清除了微波天线上的鸽子粪,但这个神秘信号依然存在。于是他们把观测结果写了一个1000字的文章发表出去了,意思在排除了微波天线上的鸽子粪以后,这些信号依然存在,他们指出这个神秘信号是来自远处的辐射背景。但具体是什么需要得到科学家的解释。

 3.找到宇宙大爆炸的证据

 普林斯顿大学的科学家迪克和皮布尔斯在《天体物理杂志》上详尽地讨论了彭齐亚斯和威尔逊发现的信号的宇宙学意义:认为这个信号可能来自宇宙大爆炸。即使在今天,这一古老的辐射仍然包围着我们,宇宙的许多秘密就隐藏其中。皮布尔斯利用理论工具和计算,诠释了宇宙早期留下的痕迹,并发现了新的物理过程。

 这些结果对我们展示了这样一个宇宙——我们只了解了它的 5%,这些物质构成了恒星、行星、树木与我们。剩余的 95% 是仍然未知的暗物质和暗能量,这是现代物理学所面临的谜团和挑战。

 自1970年以来,他被广泛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》,1971年;《宇宙的大规模结构》,1980年;《物理宇宙学原理》,1993年)已成为该领域的标准参考书。皮布尔斯对物理宇宙学的洞见丰富了整个研究领域,为过去五十年宇宙学研究从推测转化成科学奠定了基础。他在 20 世纪 60 年代中旬发展的理论框架如今已成为我们理解宇宙的基础。

 据英国《卫报》报道,当被问到是否建议年轻人考虑将科学作为职业选择时,皮布尔斯道:“这些奖励,它们当然很吸引人,很珍贵,但这不该是你计划中的东西。”皮布尔斯认为,年轻人应该出自于对科学的热爱而进入这一领域。“你应该是因为自己为之着迷而进入科学领域。”

 二、梅耶与克罗兹的工作

 米歇尔•梅耶是迪迪埃尔•克罗兹的导师。1995 年,克罗兹在日内瓦大学攻读博士学位期间,与他的导师米歇尔•梅耶一起发现了太阳系外的第一个巨行星,这一发现挑战了当时公认的行星形成观点,为行星形成和演化理论带来了一场革命。从那时起,克罗兹就参与了一系列成功的精密光谱仪开发工作,极大地提高了多普勒技术的精度。

 1992年,亚历山大•沃尔兹森首次发现系外行星,这颗系外行星围绕脉冲星PSR 1257运行。3年后,梅耶和克罗兹在《自然》杂志上发表论文,宣布在利用径向速度测量(多普勒光谱)对飞马座5151 PEGASI)进行分析的过程中,首次发现围绕主序星运行的系外行星。一周后,加利福尼亚的立克天文台证实了他们的发现。这项发现成为了天文学研究的重要转折点,促进了新的探测仪器的发展,以及促进了对行星形成和演化的理解。此后天文学家开始接受巨行星可以存在于短周期轨道的事实。这项发现使得更多的天文望远镜开始参与系外行星的搜寻。目前,人类发现的系外行星数量已经有4000多颗。


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