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权威天文学家解读:为什么2019年诺贝尔物理学奖颁给他们?
浏览: 发布日期:2019-10-09

瑞典皇家科学院宣布,将2019年诺贝尔物理学奖授予詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹,以表彰他们在"有助于我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置"所作出的杰出贡献。

这三位科学家重塑了人类对宇宙结构和历史的理解,并首次发现了一颗围绕太阳系外类太阳恒星运行的行星。这有助于回答关于人类存在的基本问题:宇宙早期发生了什么,接下来发生了什么?是否可能还有其他行星,绕着其他的太阳运行?

詹姆斯·皮布尔斯

James Peebles

1935年出生于加拿大温尼伯

普林斯顿大学阿尔贝特·爱因斯坦荣誉科学教授

詹姆斯·皮布尔斯

突出贡献领域:原始核合成,暗物质,宇宙微波背景和结构形成

詹姆斯·皮布尔斯研究示意图

米歇尔·麦耶

Michel Mayor

1942年出生于瑞士洛桑

日内瓦大学天文学系荣誉退休教授

米歇尔·麦耶

迪迪埃·奎洛兹

Didier Queloz

1966年出生于瑞士

日内瓦大学教授、剑桥大学教授

迪迪埃·奎洛兹

获奖成就

詹姆斯·皮布尔斯对物理宇宙学的见解丰富了整个研究领域,为宇宙学在过去50年中从观测推断到科学判断的转变奠定了基础。他的理论框架自20世纪60年代中期发展以来,是我们当代关于宇宙思想的基础。

大爆炸模型描述了宇宙最初的时刻。大约140亿年前,宇宙拥有极高的热度和密度。从那时起,宇宙一直在膨胀,变得越来越大,越来越冷。大爆炸后仅仅40万年,宇宙就变得透明,光线能够穿越太空。即使在今天,那些古老的辐射依然围绕着我们,解码这些辐射将揭开许多宇宙隐藏的秘密。詹姆斯·皮布尔斯的理论工具和计算方法,能够解释宇宙婴儿期的这些痕迹,并发现新的物理过程。

结果显示,宇宙中只有5%的质量是已知的,其余的95%是未知的暗物质和暗能量。这个谜对现代物理学是一个挑战。1995年10月,米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎罗兹宣布首次发现太阳系外的一颗行星,围绕我们的母星系银河系的一颗类太阳恒星运行。在法国南部的上普罗旺斯天文台,他们观测到了行星51Pegasi b,这是一个与太阳系最大的气体巨人木星相媲美的气体行星。

米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎罗兹宣布首次发现太阳系外的一颗行星

这一发现开启了天文学的一场革命,此后人类在银河系中发现了4000多颗系外行星。它们拥有着令人难以置信的大小、形状和轨道。这挑战了我们对行星系统的先入为主的观念,也使得科学家修正他们关于行星起源背后的物理过程的理论。随着寻找系外行星的更多计划启动,我们最终可能会找到“是否有其他生命存在”这一问题的答案。

宇宙的终极奥秘

在物理学奖颁布之后,造就第一时间采访了国内天体物理学的两位学者。

01

张同杰

北京师范大学天文系教授、博导

北京师范大学天文系教授、博导,研究天体物理与宇宙学的专家张同杰告诉了我们为什么诺奖会颁给James Peebles:

一、以往诺奖颁给天文学大多基于重大发现,比如宇宙加速膨胀和引力波等,这次颁给宇宙学基础研究而非重大天文发现,对宇宙学基础研究意义重大。James Peebles是国际上最早一批研究宇宙学理论的天文学家,是整个国际宇宙学界的泰斗和鼻祖,是目前还在世的对宇宙学基础理论贡献最大、资历最高的人,他写的专业著作是宇宙学必读经典书籍。

二、James Peebles主要有三方面贡献:

1.对宇宙微波背景辐射的理论研究;

2.对大尺度结构理论的理论贡献;

3.对宇宙学零散理论的系统化、结构化,形成了一系列基础性著作。

宇宙微波背景辐射图

三、对进行天文学科基础理论研究的科学家带来了巨大的激励,也是对这群人常年默默无闻工作的肯定。

今年颁给他可能有争议,但我作为一个研究了20多年的宇宙学者,我很赞同颁给这种科学家。因为重大发现里面存在着偶然性,也存在运气。这对从事基础理论的科学家显得有些不公平,虽然他们不一定有重大发现,但是一直作为学科的奠基石在勤勤恳恳工作着。

02

造就讲者 陈鹏飞

长江学者

南京大学天文与空间科学学院教授

造就演讲嘉宾、长江学者、南京大学天文与空间科学学院教授陈鹏飞说:

其实几年前大家就在猜测,研究太阳系外行星的Michel G. E. Mayor,很可能得诺贝尔奖。2017年引力波得奖时他也是强有力的竞争对手。

太阳系外面的行星太遥远,不容易看见,甚至根本看不见。看不见怎么办呢?用得比较多的方法有两类。

第一类方法就是掩星法,比如说恰好行星挡住了恒星,虽然我们看不见这种小的行星,但这颗行星挡住了那个恒星的万分之一或千分之一的一个面积,恒星的亮度就会减少万分之一或千分之一。等行星不再遮挡恒星时,恒星就会回到原来的亮度。通过这种方式我们就会知道那里有一个行星。这个方法就是掩星法。

第二种方法就是这次诺奖获得者Michel Mayor和Didier Queloz用的方法,他们测量恒星的视向运动速度。

我们知道,当行星绕着恒星转时,恒星其实也在转,虽然转得比较慢。行星和恒星其实都是在绕着它们的公共质心转,两者的动量正好平衡。这有点像链球运动,运动员在让链球旋转时,他自己也不得不转,只是人转得没有链球那么快。这样的话,随着行星的公转,恒星一会儿是朝着我们运动,一会儿是背离我们运动。

这样的话就会产生多普勒效应,它发出来的光的频率就会发生变化,就像一辆火车,迎着我们开过来的时候,其叫声的音调变高,远离我们的时候音调变低。

多普勒效应示意图

恒星发出来的光的频率一会儿变低,一会儿或者变高,根据这个变化的大小和周期,天文学家就可以测出这个恒星的转动速度和行星的公转周期。根据公转周期进而可以计算行星到恒星的距离,并进一步算出行星的质量。

瑞士日内瓦大学的这两位学者他们就是用自己研制的精度可以达到70米每秒的光谱仪进行测量。只要恒星的视向运动速度超过70米每秒,它就可以测出来。通过这种方式,他们第一次发现了这个太阳系外面的行星。

待到2017年,有观测迹象表明这颗行星含有水。

因为通常有水就意味着很可能会有生命,这个就使得日内瓦大学教授的发现又显得更有意义了。大家都关心生命的这个起源,人类是否是这个地球上独一无二的生命?这很可能说明,那个地方其实也会有生命。虽然不一定是有高级的生命,但是很可能是有生命的。

从昨天的诺贝尔生理学奖到今天的诺贝尔物理学奖,我们可以看到诺贝尔奖的风向标正在逐渐地从关注各个学科领域的重大突破转向了每个学科的基础科研工作。

这也是诺贝尔奖在经历了124年之后一个极具意义的转折和突破,无论是那些默默在基础科研中耕耘的科学家,还是那些致力于前沿科学发现的科学工作者,他们都共同地为人类的科学发展与无穷的好奇心探索做出了杰出贡献。

互动话题:为什么发现地外行星如此重要?

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