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6000字解读物理诺奖:致敬浩瀚宇宙,寻找另一个“可能的地球”

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匿名  发表于 2019-10-9 15:42 回帖奖励 |正序浏览 |阅读模式

6000字解读物理诺奖:致敬浩瀚宇宙,寻找另一个“可能的地球”





  重新认识我们在宇宙中所处的地位

  2019年诺贝尔物理学奖表彰了对宇宙结构和宇宙历史的新理解,以及对绕类太阳恒星旋转的系外行星的首次发现。今年的获奖者在解答与我们的存在相关的重大问题方面有着突出的贡献。

  宇宙在诞生初期发生过什么?

  后来又经历了怎样的演化?

  太阳系以外会不会有别的行星,绕着其他的“太阳”旋转?

  詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)研究宇宙,以及其中数以千亿计的星系与星系团。他从上世纪60年代中期开始构思、花了超过20年订立的理论框架,为我们现今对宇宙从大爆炸至今这整段历史的理解打下了基础。皮布尔斯的诸多发现让我们更好地洞悉宇宙环境。在这个宇宙里,我们已知的物质仅仅占了全体物质与能量的5%。剩下的95%隐匿在我们的视野之外,是留给现代物理学的一个谜题和挑战。

  米歇尔·马约尔(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)则在我们的银河系里探寻未知的世界。1995年,他们首次发现了太阳系外绕着类似太阳的恒星运转的行星,也就是系外行星。他们的发现动摇了人们对这些奇异世界的固有想法,在天文学界引发了一场变革。目前,超过4000颗系外行星正以它们各异的形态震惊着世人。它们所在的大部分行星系,包括它们的“太阳”和行星们,都跟我们太阳系完全不同。这些发现促使研究人员发展新的理论,去解释孕育行星的物理过程。

  

  Jim Peebles丨Wikipedia/Juan Diego Sole

  

  Michel Mayor丨Wikipedia/Franck Schneider

  

  Didier Queloz丨Wikipedia/M.McCaughrean

  大爆炸宇宙学的开端

  过去的50年,是宇宙学的黄金年代,它的研究对象是宇宙的起源与演化。上世纪60年代奠定的基础,让宇宙学从推断变成了科学。在这一转变过程中,詹姆斯·皮布尔斯是其中一个关键人物。他决定性的若干发现,将宇宙学牢牢固定在了科学版图之上,也让整个研究领域欣欣向荣。他的第一本书《物理宇宙学》启发了整整一代物理学家去发展这一学科,不只是通过理论推导,还立足于观测与测量。我们从哪里来?又将到哪里去?科学,也只有科学,才可能解答这些永恒的疑问。宇宙学超越了诸如信念或意义之类人为订立的概念。这正应和了爱因斯坦在上世纪初说过的话——这个世界竟然是可以被理解的。

  

  詹姆斯·皮布尔斯撰写的《物理宇宙学原理》,1993年版丨普林斯顿大学出版社

  宇宙的故事,或者说关于宇宙演化的科学描述,直到最近100年来才为人所知。在那之前,人们认为宇宙是静止且永恒的。但在上世纪20年代,天文学家发现几乎所有的星系都在远离彼此,也在远离我们。宇宙正在膨胀。我们现在知道,今天的宇宙和过去并不一样,和未来的宇宙也将不同。

  天文学家在天空中看到的这些现象,早已被爱因斯坦1916年发表的广义相对论所预言。广义相对论成为了所有有关宇宙的大尺度计算的基础。爱因斯坦当初发现他的理论会导出宇宙在膨胀的结论时,他给自己的方程加上了一个常数(即宇宙学常数),能够抵消引力的效果,从而让宇宙保持静态。十多年后,当人们观察到宇宙膨胀,这个常数也就被弃置不用了。爱因斯坦将这件事看作他人生中最大的错误。但他并不知道,宇宙学常数会在20世纪80年代华丽回归。在此期间,詹姆斯·皮布尔斯尤为功不可没。

  宇宙第一束光线揭示万物

  宇宙膨胀意味着,宇宙曾经更加致密,也更加炽热。在上世纪中叶,宇宙的诞生被命名为大爆炸。没有人知道,最开始的时候到底发生了什么,但早期宇宙充斥着致密的、炽热的、不透明的粒子汤,光子会在其间不停地反弹。

  宇宙膨胀了差不多40万年之后,这锅原初粒子汤才冷却到了几千摄氏度。原初粒子终于能够结合,形成主要由氢和氦原子构成透明气体。直到此刻,光子才开始自由移动,光才有能力在空间中穿行。最初的这些光线至今仍充斥于宇宙。空间膨胀拉伸了这些可见光的光波,把它们的波长拉到了几毫米那么长,最终落在了肉眼看不见的微波波段。

  源自宇宙诞生的这些光,1964年因为机缘巧合而被两位美国射电天文学家捕获。他们是阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson),因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。当时,他们的天线总是从宇宙的四面八方接收到持续的“噪音 ”,无论如何都摆脱不了。为此,他们要从其他科学家的研究工作中寻求一个解释,而詹姆斯·皮布尔斯就是其中之一,当时他已经从理论上得出了结论,宇宙中应该存在这种无处不在的背景辐射。在宇宙膨胀了大约140亿年之后,这种背景辐射的温度已经降到了接近绝对零度(-273°C)。皮布尔斯意识到,这种辐射的温度可以提供信息,揭示大爆炸中产生了多少物质。他还认识到,“解放”这些光起到了决定性的作用,决定了物质后来如何聚集成团,形成了我们今天宇宙中所见的星系和星系团。这才是重大的突破。

  微波背景辐射的发现,引领现代宇宙学进入了一个新时代。宇宙婴儿时期的古老辐射,成为了一座金矿,蕴藏着宇宙学家想知道的几乎所有答案——宇宙有多老?它的命运是什么?到底存在着多少物质和能量?

  在这片冷却的余晖中,科学家能够找到宇宙最初时刻的痕迹,细微的差异随着声波在宇宙早期的原初粒子汤中传播开来。如果没有这些小小的差异,宇宙会从一个炽热的火球冷却成一片寒冷而又均匀的虚无。我们知道,事实并非如此,宇宙空间中充斥着星系,它们又往往聚集成星系团。宇宙背景辐射的平滑,就如同海洋表面的平滑一样,凑近了可以看见波浪,而这些波纹揭示着早期宇宙中的差异。

  一次又一次,詹姆斯·皮布尔斯领导的研究对来自宇宙最早期的化石痕迹作出了解释。宇宙学家能够以惊人的准确性,预言背景辐射中存在这些细微差异,并证明它们会如何影响宇宙中的物质和能量。

  观测上的首个重大突破出现在1992年4月,当时美国COBE卫星的两位首席研究员,约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot),展示了宇宙背景辐射的第一张完整照片。他们因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖。其他卫星,包括美国的WMAP和欧洲的普朗克卫星,逐渐细化了年轻宇宙的这幅肖像。在背景辐射看似均匀的温度上,存在着十万分之一度的差异,跟皮布尔斯的理论预言一模一样。宇宙中包含多少物质和能量的理论推导,也得到了越来越精确的证实,其中占到95%的绝大部分物质和能量,对我们来说都是看不见的。

  暗物质与暗能量

  ——宇宙学最大的谜团

  上世纪30年代以来,我们就已经知道,我们能够看见的并非宇宙的全部。对星系旋转速度的测量表明,必定有看不见的物质在提供更多的引力,将星系束缚在一起,否则星系会因为转得太快而解体。这些看不见的物质被称为暗物质。科学家认为,它们在星系起源中也扮演着重要的角色,早在原始粒子汤放松对光子的控制之前就在发挥作用。

  暗物质的构成仍是宇宙学中最大的谜团之一。在很长的一段时间里,科学家曾认为暗物质可能由当时已知的中微子构成,但这种数量多到无法想像的低质量中微子接近光速在宇宙空间中穿梭,速度实在太快,无助于将物质束缚在一起。皮布尔斯在1982年提出了另一种可能,或许质量大且速度慢的冷暗物质粒子才是我们要找的答案。科学家仍在搜寻这些未知的冷暗物质粒子,它们不跟已知的物质发生相互作用,在宇宙的物质和能量构成中占到26%。

  根据爱因斯坦的广义相对论,空间的几何形状与引力有关——宇宙所含的质量与能量越多,空间就会越弯曲。在质量和能量的某个临界点,宇宙刚好不弯曲。在这样的宇宙中,两条平行线永远不会相交,通常被称为平直宇宙。另外还有两种情况:如果宇宙中物质太少,就会导致开放宇宙,其中的平行线最终会渐行渐远;如果宇宙中物质太多,则会导致闭合宇宙,其中的平行线最终会相交。

  对宇宙背景辐射的测量,结合理论推导,得出了一个明确的答案:我们的宇宙是平直的。然而,宇宙所包含的物质只能满足临界值的31%,其中5%是普通物质,26%是暗物质。其余的大部分,占到69%,当时仍不知所踪。又一次,詹姆斯·皮布尔斯提出了一个激进的解决方案。1984年,他作出的贡献复活了爱因斯坦的宇宙学常数,代表了真空所蕴含的能量。这些能量被命名为暗能量,在宇宙的物质和能量构成中占到69%。与冷暗物质和普通物质一起,暗能量足够支撑“宇宙平直”这一观点。

  

  

  图丨原图:nobelprize.org,翻译:luna。第一个峰显示,宇宙在几何层面上是平的,即两条不会相交的平行线;第二个峰显示,普通物质仅占宇宙物质与能量的5%;第三个峰显示,26%的宇宙由暗物质组成。从这三个峰里可以得出结论,如果宇宙的31%是由物质组成的,那么余下的69%必须是暗能量才能满足对平的宇宙的要求。

  

  图丨原图:nobelprize.org;翻译:luna

  暗能量在随后的14年里仅仅是一个理论,直到1998年,索尔·珀尔玛特(Saul Perlmutter)、布莱恩·思密特(Brian Schmidt)和亚当·利斯(Adam Riess)发现宇宙在加速膨胀,他们也因此获得了2011年的诺贝尔物理学奖。必定有某种不同于物质的东西,某种未知的暗能量,在推动宇宙加速膨胀。突然之间,这个纯理论的附产物成了能在天空中观测到的事实。

  暗物质和暗能量,如今都是宇宙学中最扑朔迷离的存在。只有当它们对周围产生影响,即一个拉、一个推时,人们才会察觉到它们。除此之外,我们对它们实在知之甚少。这宇宙的阴暗面究竟隐藏着什么秘密?这未知的背后隐藏着什么新物理?在试图解开宇宙奥秘的过程中,我们又会有什么其他的发现呢?

  首颗绕其他“太阳”转的行星

  现在,大多数宇宙学家同意大爆炸模型是解释宇宙起源与演化的可信理论,尽管现在人们只了解其中5%的物质与能量。这一小部分物质最终聚集成团,构成了我们周围所见的一切——恒星、行星、花草树木,当然也包括人类自身。是否只有我们人类孤单地注视着宇宙?在太空中的其他地方,在绕着其他太阳转的另一颗行星上,还会有生命存在吗?没有人知道。不过我们现在知道,在拥有行星这件事上,我们的太阳绝不孤单,银河系中数以千亿计的其他恒星,大多数也应该有行星伴随。天文学家现在已知的系外行星超过4000颗。奇异的新世界已经被发现,跟我们自己的太阳系完全不同。而首次发现的那颗便是如此奇特,以至于当初几乎没人相信那是真的——就这颗行星与它的恒星那么近的距离而言,它的个头实在是过于巨大了。

  1995年10月6日,米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹在意大利弗洛伦萨的一个天文学会议上宣布了他们发现,顿时引起轰动。这是第一颗被证实绕着类似太阳的恒星运行的行星。它被命名为飞马座51b,绕着50光年以外的恒星飞马座51快速运动。只需要4天时间,它就能完成一圈公转。这意味着它的轨道离那颗恒星极近,只有800万千米。恒星将这颗行星加热到超过1000℃。相比较而已,地球上的情况就要平静得多,距离太阳足有1.5亿千米,要用一年的时间才能绕太阳一圈。

  

  新发现的这颗行星,个头也大得惊人,是一个巨型气球,足以跟太阳系里最大的气态巨行星木星相提并论。相比于地球,木星的体积大了1300倍,质量则大了300倍。按照以往关于行星系统形成的观点,木星尺寸的行星应该形成于远离恒星的地方,因此要花很长时间才能完成一圈公转。木星绕太阳一圈需要将近12年时间,因此飞马座51b超短的公转周期,对寻找系外行星的科学家来说,完全是意料之外。他们过去一直找错了地方。

  发现公布之后,另外两名美国天文学家保罗·巴特勒(Paul Butler)和杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)几乎马上将他们的望远镜转向了飞马座51这颗恒星,很快就证实了马约尔和奎洛兹革命性的发现。几个月之后,他们又发现了另外两颗绕着类太阳恒星运转的系外行星。轨道周期短对于天文学家来说很方便,他们不需要等上数月甚至数年时间,来观察系外行星绕着它的太阳公转了。现在,他们有时间看这些行星转上一圈又一圈了。

  

  它们怎么能离恒星这么近呢?这一问题挑战了当时的行星起源理论,并催生了一些新理论,描述了气态巨行星如何在恒星系统边缘形成,又如何向内盘旋着靠近恒星。

  想砍柴,先磨刀

  追踪系外行星,必须动用高精尖的方法才行。行星本身不会发光,只能反射星光,而反射的星光又过于微弱,被主星发出的亮光完全蒙蔽。研究团队用来搜寻行星的方法,称作视向速度法,测量的是行星引力对主星运动的影响。行星绕着恒星转的同时,恒星也会相应地作微小的运动——它们都在绕着引力中心运转。从地球上观测,恒星会在视线方向上前后运动。

  前后运动的速度,即视向速度,可以通过著名的多普勒效应来测量。多普勒效应表明,向着我们运动的物体发出的光会变得更蓝,而物体若远离我们,它发出的光会变得更红。这跟我们听到救护车靠近时音调变高,远离时音调变低是一样的。

  

  因此,行星的作用使得恒星的颜色交替变蓝或变红,天文学家用他们的设备捕捉的,正是星光波长的这种交替变化。颜色的改变可以通过测量星光的波长而精确测定,提供了一种直接测量视向速度的方法。

  

  

  最大的挑战在于,视向速度非常慢。举例来说,木星的引力使太阳以12米/秒的速度绕着太阳系的引力中心旋转。地球的贡献仅有0.09米/秒,这使得想要发现一颗类似地球的行星,器材的灵敏度就必须达到极高的要求。为了提高精度,天文学家同时测量几千个波长。把星光拆分成不同波长谱线的,正是光谱仪,这是这些测量的核心设备。

  上世纪90年代初,迪迪埃·奎洛兹在日内瓦大学开始他的学术生涯时,米歇尔·马约尔已经花了好几年时间来研究恒星的运行,并在其他研究人员的帮助下建造了他自己的测量仪器。1977年,马约尔设法把他的第一台光谱仪安装到了马赛东北100千米处上普罗旺斯天文台的望远镜上。这台设备的速度测量下限约为300米/秒,仍然太高了,看不到行星牵引恒星的运动。

  作为博士生,迪迪埃·奎洛兹受命和研究团队一起,开发一些新的方法用于更精确的测量。他们使用了众多新技术,能够迅速观察多颗恒星,并就地分析结果。光纤能把星光毫无失真地导入光谱仪,而更好的数字成像传感器,即CCD,也提高了设备对光的灵敏度。这是2009年诺贝尔物理学奖获得者高锟,威拉德·博伊尔(Willard Boyle)和乔治·史密斯(George Smith)的贡献。更强大的计算机也让科学家可以编写订制的软件来处理数据照片和分析数据。

  到了1994年春天,当新的光谱仪完成时,速度测量下限降低到了10-15米/秒,距离首颗系外行星的发现也就不远了。当时,系外行星搜寻还不是天文学界的主流,但马约尔和奎洛兹仍然决定公布他们的发现。他们花了几个月改进结果,到了1995年10月,他们准备好向世界公布这第一颗太阳系外的行星了。

  揭开众多世界的帷幕

  首次发现围绕类太阳恒星的系外行星,在天文学界引发了一场革命。数千个未知的世界随之被揭开面纱。现在,不断发现新行星的,不只有地球上的天文望远镜,还有太空中的人造卫星。美国的TESS空间望远镜,正在扫描超过20万颗离我们最近的恒星,搜寻类似我们地球的行星。而在此之前,开普勒空间望远镜已所获颇丰,发现了超过2300个地外行星。

  在视向速度法不断变化的同时,凌星测光法现在也被用来寻找系外行星。这种方法测量的是星光强度的变化,如果有行星刚好从恒星前面经过,就会遮挡一部分星光。凌星测光法让天文学家还有机会观察地外行星的大气,因为在凌星发生的时候,恒星的光会先穿过那颗行星的大气,然后再传到我们地球上。有时候,这两种方法都有采用:凌星测光法告诉我们系外行星有多大,视向速度法则可以测定它的质量是多少。如此一来,便有可能计算出这颗系外行星的密度,从而确定它的结构。

  迄今发现的系外行星,形态、大小及轨道的极端多样性令人称奇,挑战着过去我们对于行星系统的认知,迫使研究者修改有关行星诞生物理过程的理论。随着大量项目计划开始搜寻系外行星,我们或许最终能够找到答案来回答那个永恒的问题——远方,是否有其他生命存在?

  今年的获奖者改变了我们对宇宙的认知。詹姆斯·皮布尔斯的理论发现增进了我们对宇宙在大爆炸之后如何演化的理解,米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹搜寻未知的星球,探索我们的宇宙邻居。他们的发现永久地改变了我们对世界的看法。

  

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