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2019年諾貝爾物理學獎:我們探索星辰大海的旅程才剛剛開始

三名科學家共同獲得2019年諾貝爾物理學獎。

2020-01-08 11:52 / 4人閱讀過此篇文章  

三名科學家共同獲得2019年諾貝爾物理學獎。其中,宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)揭示了宇宙主要是由看不見的物質和能量構成的,另外兩名科學家米歇爾·麥耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz)發現了第一顆圍繞類太陽恆星運行的系外行星。

通過研究宇宙誕生後的最初時刻,普林斯頓大學的詹姆斯·皮布爾斯對宇宙的演化搭建了一個理論框架,而這個理論框架使我們逐步了解了宇宙的暗物質和暗能量:哪些任何科學儀器都無法觀測到的物質,卻占宇宙的95%。

同為諾貝爾獎獲得者的日內瓦大學的米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲在1995年宣布發現了一個巨大的氣體世界,它圍繞著一顆距我們的太陽50光年的恆星旋轉—這是第一顆圍繞類太陽恆星的太陽系外行星。

在那之後的幾十年里,科學家們又發現了數千顆類似的太陽系外行星,天文學家們現在普遍認為,我們的宇宙中包含的行星比恆星還多。

諾貝爾獎委員會成員烏爾夫·丹尼爾松(Ulf Danielsson)說:「今年的諾貝爾物理學獎得主繪製了一幅遠比我們想像的更陌生、更奇妙的宇宙宏圖,我們對自己在宇宙中的位置的看法將完全不同。」

近一個世紀以來,科學家們一直認為宇宙起源於大爆炸,從一個熾熱的緻密的「粒子湯」變成為塵埃、恆星和星系的集合,星系在一個巨大且不斷擴大的空間中飛躍。

50年前,兩位射電天文學家偶然發現了宇宙最初膨脹時期的特徵:宇宙微波背景,一種瀰漫在整個天空的微弱輻射形式。

諾貝爾獎評委會認為,這種輻射對物理學家來說就是「金礦」。通過分析這種古老餘輝的微小變化,科學家們可以回溯到過去,了解宇宙的演化過程。

詹姆斯·皮布爾斯通過研究宇宙微波背景的溫度來了解大爆炸中產生的那些物質。

加州大學天文台的工作人員、觀測宇宙學家桑德拉·法伯(Sandra Faber)說:「從理論上講,這為我們打開了探索宇宙起源的大門。它表明,現有的物理定律可以解釋宇宙只有「一百秒」大的時候發生的事。這不是很神奇嗎?」

詹姆斯·皮布爾還開發了一些工具來解釋我們所知道的宇宙是如何形成的。他說:「在大爆炸後不到百萬分之一秒的時間內,宇宙急速膨脹,在這個膨脹期間出現微小量子漲落,從而產生了物質這些「塊」,最終演化成星系。」

這些「塊」,以及依然神秘的暗物質,解釋了我們今天看到的星系的大小、形狀和分布。

詹姆斯·皮布爾通過電話採訪時說:「我並不是一個人在前行,蘇聯的研究人員為科學家理解宇宙的演化也做出了突出貢獻。」他還說道:「自從1964年探測到了宇宙微波背景輻射後,對於這個領域的學術研究就在不斷進步,但我也提出過很多錯誤的觀點。」

最終,詹姆斯·皮布爾的理論引領了暗能量和暗物質的發現,暗能量是一種推動宇宙膨脹的無形能量,而暗物質則是一種將星系聚集在一起的不可觀測的物質。

詹姆斯·皮布爾獲獎後與祝福者們通話。(路透社照片)

當下我們能觸摸或看到的一切、科學儀器所探測到的一切、以及尚未被發現的一切,只占宇宙的5%。但即使是在這小小的5%里,仍有雙眼看不到的東西。今年下半年頒發的物理學獎所涉及的科學理論就證實了這一點。

米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲所發現到的第一顆系外行星無法通過望遠鏡觀測到。天文學家反其道而行之:通過觀察它如何影響它的宿主恆星來直觀地了解系外行星的存在。

他們的研究基於這樣一個事實:行星並不圍繞恆星運行;相反,行星和恆星都繞著它們共同的質心公轉。如果一顆行星與它的太陽相比足夠大,它就會造成恆星的些許攝動。

這種攝動使得恆星發出的光存在微小的位移變化,科學家可以通過分析這些位移變化來確定行星的大小和距離。

米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲發現的第一顆系外行星被命名為飛馬座51b,它與我們太陽系中的任何一個行星都不同。這顆行星和木星一樣體積巨大且是氣態的,但它離它的恆星非常近,只需要4天就可以完成一次軌道運行。它的溫度超過1000攝氏度。

當迪迪埃·奎洛茲回憶他第一次在他的數據中看到這顆行星的特徵時說道:「我嚇壞了,我以為是測量儀器出了問題。」

天文學家們花費了大量的時間進行重新分析,才使自己相信他們看到的是真實存在的。下一個問題就是如果說服世界上其他國家。這顆行星的情況與科學家們的預測大相逕庭,許多研究人員最初對這一發現持懷疑態度。但後來的研究最終表明,米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲最初的猜想是正確的。

卡內基天文台的系外行星天文學家約翰娜·泰斯克(Johanna Teske)說:「新的科學理論很少是由一個人探究完成的,在探究完成之前和之後都有很多人做出了重要貢獻,但是米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲的發現確實是該領域的一個轉折點。」

很快,全球的天文學家開始了他們自己對系外行星的搜索,通過儀器掃描天空和查看大量的歷史數據來探測系外行星的宿主「母星」的攝動。

通過地面和太空望遠鏡的觀測,發現了4000多顆已確認的系外行星,這對科學家關於行星系統如何演化的觀點提出了質疑。

2018年,美國國家航空航天局(NASA)發射了凌日系外行星勘測衛星(TESS),這是一架功能強大的太空望遠鏡,可以掃描整個深空,尋找圍繞附近恆星運轉的行星。這次發射任務中最令人感興趣的是在已發現的系外恆星很近的軌道上運行的岩石行星的表面可能存在液態水。

翰娜·泰斯克說:「當米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲在研究和尋找這些系外行星時,有人嘲笑他們的研究,並諷其為科幻小說。但看到這一研究一路發展到現在,最終他們二人獲得了諾貝爾獎,我們也離發現和表征類地行星越來越近,這不但偉大同時也令人興奮,甚至有點超現實的感覺。」

按照諾貝爾獎自身的慣例,在獲獎名單的公布後引發了關於「獲獎者缺乏多樣性」的爭論。在諾貝爾物理學獎100多年的歷史中,只有3位女性獲得過該獎項,且沒有一位黑人科學家獲得過該獎項。

特別是本次頒獎對詹姆斯·皮布爾理論的認可更是引發很多不滿,因為證明暗物質存在的女性學者維拉·魯賓(Vera Rubin)未曾獲此殊榮。

天文學家埃米莉·萊斯克(Emily Levesque)曾對《天文學》雜誌說:「卡耐基研究所的天文學家正在與性別歧視鬥爭,維拉·魯賓的研究也徹底改變了我們對宇宙的看法。」維拉·魯賓曾在2016年去世前被認為是諾貝爾物理學獎的最有可能獲獎的候選人(但諾貝爾獎不頒發給死者)。

約翰娜·泰斯克這樣評價維拉·魯賓:「她對天文學領域的每一個人都有著巨大的影響力,並且充滿了鼓舞人心的力量,過去是,現在仍然是。她沒有被諾貝爾物理學獎認可,這一點充滿了諷刺意味。我認為,至少對我來說,這將永遠成為諾貝爾物理學獎的一道傷疤。」

頒發這些獎項的瑞典皇家科學院告訴《自然》雜誌,該組織已經採取措施,消除對女性和有色人種科學家的偏見,包括明確要求提名者考慮性別、地理和主題的多樣性。因為今年的醫學獎和物理獎的六位獲獎者都是白人男性。

然而,桑德·拉法伯認為詹姆斯·皮布爾的成就是無可取代的,因為他合理的解釋了宇宙演化的過程,而且他的研究範圍從大爆炸到量子力學再到暗物質的本質。桑德·拉法伯對諾貝爾物理學獎能夠授予詹姆斯·皮布爾感到非常高興。

一位和詹姆斯·皮布爾幾乎同時進行星系形成和暗物質的研究宇宙學家說:「詹姆斯·皮布爾的理論深深地影響了她,無論是在情感上還是在科學上。」她還說說:「這告訴了全人類,我們是根據物理定律出生的,這意味著我們需要遵循這些定律來生活。」

正如詹姆斯·皮布爾的研究強調了我們地球人在宇宙中的渺小,米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲的發現有確定了我們的星球是多麼的罕見和不尋常,因為過去二十年中發現的絕大多數系外行星與我們太陽系的任何天體都不同。

不過,諾貝爾委員會成員丹尼爾森(Danielsson)表示,在浩瀚而不可思議的宇宙中,在某個陌生而遙遠的星球上,可能存在著其他形式的生命。

他說,這可能需要數年、數百年甚至數千年的時間。但是他仍然抱有希望,有一天,人類會在黑暗中找到證據,證明我們並不孤獨。

參考資料

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. sciencealert- X-inG

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