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西甲韦斯卡对毕尔巴鄂竞技:2019年諾貝爾物理學獎揭曉

2019-10-09 09:46:16  來源:新浪科技

韦斯卡距离马德里 www.mdkice.com.cn 北京時間10月8日消息,2019年諾貝爾物理學獎揭曉:加拿大裔美國科學家James Peebles、瑞士科學家Michel Mayor、瑞士科學家Didier Queloz獲獎。獎勵他們“在增進我們對宇宙演化,以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的貢獻”。其中一半獎金授予美國普林斯頓大學的James Peebles,獲獎理由是“對于物理宇宙學方面的理論發現。”另一半獎金授予瑞士日內瓦大學的Michel Mayor,以及瑞士日內瓦大學/英國劍橋大學的Didier Queloz,獲獎理由是“發現了圍繞其他類太陽恒星運行的系外行星”。

關于我們在宇宙中地位的嶄新視角

今年的諾貝爾物理學獎獎勵人類對于宇宙結構與歷史方面的嶄新理解,以及圍繞類太陽恒星運行的系外行星。James Peebles關于物理宇宙學的洞察豐富了整個研究領域并為過去50年間宇宙學領域所發生的深刻變革奠定了基礎,將猜想變為了科學。他在上世紀1960年代中期以來所建立的理論框架,已經成為我們理解宇宙的基礎。

大爆炸模型描述了宇宙從大約140億年前誕生開始的歷史,當時的宇宙極端高溫,密度極大。自那以后,宇宙經歷了不斷的膨脹,體積變大,不斷降溫。大約在宇宙大爆炸之后40萬年,宇宙開始變得透明,光第一次得以在宇宙間傳播。即使在今天,這一古老的輻射仍舊彌漫在我們的周圍,并在其中隱藏著許許多多關于宇宙的秘密。借助他所開創的理論工具和計算方法,James Peebles得以解碼這些來自宇宙嬰兒時期的線索,并發現了全新的物理學過程。

他的研究結果顯示,我們所知的宇宙只占到宇宙的5%,它包括了所有的恒星,行星,樹木,以及我們。剩余的95%都是未知領域,包括暗物質以及暗能量。這是當代物理學所面臨的重大謎團和挑戰。

1995年10月,Michel Mayor和Didier Queloz宣布首次發現太陽系外的一顆行星,一顆系外行星,圍繞我們的銀河系中的一顆類似于太陽的恒星運行。在法國南部的Haute-Provence天文臺,使用定制的儀器,他們能夠看到行星“51 Pegasi b”,一個可與太陽系最大的氣體巨星“木星”相媲美的氣態球體。

這一發現開啟了天文學的一場革命,自那時以來,銀河系已經發現了4000多顆系外行星。奇異的新世界仍在不斷被發現,其大小、形狀和軌道之豐富令人難以置信。這些行星挑戰了我們對行星系統的先入之見,并迫使科學家修正他們關于行星起源背后的物理過程的理論。隨著大量的尋找系外行星的計劃著手實施,我們或許最終能回答其他星球是否有生命存在這一永恒的問題。

今年的獲獎者改變了我們對宇宙的看法。James Peebles的理論發現有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的,而Michel Mayor和Didier Queloz則在尋找未知行星的過程中探索了我們的宇宙鄰居。他們的發現永遠改變了我們對地球和宇宙的看法。

現代宇宙學揭示了宇宙的歷史,以及宇宙中令人意想不到的物質和能量組成部分。與此同時,人們發現太陽遠不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發現顯示,行星系統具有廣泛的多樣性。在過去的幾十年里,我們對宇宙的理解發生了深刻的變化,也改變了我們對地球在宇宙中所處地位的看法。今年的諾貝爾物理學獎關注的正是這些突破性的發現。

物理宇宙學

天文學家對宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)中溫度各向異性的測量越來越精確,對宇宙膨脹歷史的研究也更加深入,同時對宇宙大型結構的天文觀測也越來越詳細,這一切都使宇宙學發展成為一門以精確性為標志的科學。

如此令人興奮的發展之所以成為可能,要感謝過去半個世紀以來,物理學家們在宇宙學理論框架中的突破性發現。今年的諾貝爾獎得主James Peebles在這個領域做出了開創性的貢獻。他通過詳細的建模,并利用分析和數值方法,對宇宙的基本屬性進行了探索,發現了意想不到的新物理學。現在,我們有了一個統一的模型,能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現在以及遙遠未來的狀態變化。

圖一:左側是宇宙未知的起源點,逐漸向右側擴展,形成一個不斷變暗的宇宙。右側的曲線指示背景輻射。

圖一:左側是宇宙未知的起源點,逐漸向右側擴展,形成一個不斷變暗的宇宙。右側的曲線指示背景輻射。

現代宇宙學建立在愛因斯坦廣義相對論的基礎上,假設了最初的“大爆炸”時期,當時宇宙極其高溫和稠密。大爆炸后不到40萬年,宇宙溫度下降到3000K左右,電子與原子核得以結合成原子。由于沒有留下任何能輕易與光子相互作用的帶電粒子,當時的宇宙對光是透明的。這種輻射現在以宇宙微波背景(CMB)的形式出現。由于宇宙學上的紅移,CMB的溫度目前只有2.7K——自物質和輻射去耦(decoupling)以來,這一系數降低了約1100倍。在圖1中,CMB的來源可以看成一個屏幕,使我們無法輕易地回溯到大爆炸后幾百萬年以前的時間。

美國恐怖小說作家埃德加·愛倫·坡是最早提出宇宙始于大爆炸這類觀點的人之一,他在他的散文詩《尤里卡》(Eureka)中描述稱,宇宙是有開端的,以此來解釋為什么夜晚的天空是黑暗的。這一問題后來被稱為奧伯斯佯謬,由德國天文學家海因里希·威廉·奧伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)于1823年提出,指出若宇宙是穩恒態且無限的話,那晚上應該是光亮而不是黑暗的。在《尤里卡》中,愛倫·坡甚至提出宇宙最初是一個“原始粒子”,然后爆炸了。

1922年,俄羅斯數學家、宇宙學家亞歷山大·弗里德曼(Alexander Friedman)利用愛因斯坦新提出的廣義相對論,首次提出了宇宙膨脹的數學理論。他在1924年進一步發展了自己的理論。1927年,這些觀點被比利時天主教神父和天文學家喬治·勒梅特(Georges Lemaitre)重新發現,他后來提出了“原始原子”的概念。勒梅特還認為,星系之間正在相互遠離,這一點可以用宇宙膨脹來解釋。1924年,瑞典天文學家克努特·倫德馬克(Knut Lundmark)獲得了類似的觀測結果,盡管嚴密性和精確性有所不足。隨著美國天文學家埃德溫·哈勃(Edwin Hubble)在1929年的觀測,人們普遍接受了宇宙實際上在膨脹的觀點。

通過天文觀測,我們了解到以核子形式存在于恒星、氣體云等結構中的常規重子物質的數量,不超過目前總能量密度的5%。此外,暗物質占宇宙臨界密度的26%。我們也可以稱暗物質為看不見的物質,因為它既不發光也不吸收光。到目前為止,天文學家只能通過暗物質的引力效應來了解它。

宇宙中最重要的組成部分是宇宙學常數,它代表了不受膨脹影響的恒定能量密度。宇宙學常數是暗能量的兩種模型之一,“暗能量”一詞也說明了它隨時間和空間變化的可能性。也就是說,暗能量不一定是量子場論中引入的常數,也不一定與真空能量有關。觀測結果表明,暗能量約占宇宙臨界密度的69%。隨著物質的其他成分被膨脹稀釋,暗能量將隨著時間變得越來越重要(除非它的能量密度開始下降)。

暗能量可以迫使星系加速遠離彼此,這一點似乎并不直觀,但卻是暗能量不尋常屬性的直接后果。圖1的右半部分顯示了宇宙加速膨脹的階段,星系的數量逐漸稀疏。在圖1中,圖中間橘紅色的“火焰”顯示的是大爆炸時期,這暗示著在大爆炸之前,可能還存在一個準備階段,如膨脹階段。天文學家假設存在一個快速加速的膨脹時期,這可以解釋宇宙的幾個特性,比如平坦性。

宇宙的基本組成部分,以及它們之間如何相互作用和演變的方程,構成了大爆炸宇宙學中的索引模型,有時稱為ΛCDM(Λ-冷暗物質模型)。其中Λ為宇宙學常數,是解釋當前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項;CDM即冷暗物質的英文縮寫。這個模型是物理宇宙學的一次勝利,它系統地將物理定律應用于宇宙的演化。該模型最重要的創始人之一便是James Peebles,他出版的三本教科書《物理宇宙學》(1971)、《宇宙的大尺度結構》(1980)和《物理宇宙學原理》(1993)已經成為該領域重要的參考文獻。

獲獎者簡介

James Peebles,1935年出生于加拿大溫尼伯。1962年獲美國普林斯頓大學博士,現在是美國普林斯頓大學阿爾伯特·愛因斯坦榮譽科學教授。

Michel Mayor,1942年出生于瑞士洛桑。1971年獲得瑞士日內瓦大學博士,現在是瑞士日內瓦大學教授。

Didier Queloz,1966年出生。1995年獲得瑞士日內瓦大學博士,現在是瑞士日內瓦大學和英國劍橋大學教授。

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