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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”| 直击诺奖

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发表于 2019-10-9 16:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
重新熟悉我们在宇宙中所处的职位
2019年诺贝尔物理学奖表彰了对宇宙结构和宇宙历史的新大白,以及对绕类太阳恒星扭转的系外行星的初度发现。今年的获奖者在解答与我们的存在关连的庞大题目方面有着突出的进献。
宇宙在诞生早期发生过什么?
后来又履历了怎样的演变?
太阳系之外会不会有此外行星,绕着其他的“太阳”扭转?
詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)研讨宇宙,以及其中数以千亿计的星系与星系团。他从上世纪60年月中期起头构想、花了横跨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大白打下了根柢。皮布尔斯的诸多发现让我们更好地洞悉宇宙情况。在这个宇宙里,我们已知的物资仅仅占了全部物资与能量的5%。剩下的95%藏匿在我们的视野之外,是留给今世物理学的一个谜题和搬弄。
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访未知的全国。1995年,他们初度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。他们的发现摆荡了人们对这些奇异全国的固有想法,在天文学界激发了一场变革。现在,横跨4000颗系外行星正以它们各异的形状震动着众人。它们地点的大部分行星系,包含它们的“太阳”和行星们,都跟我们太阳系完全不同。这些发现促使研讨职员成长新的理论,去表白孕育行星的物理进程。
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Jim Peebles丨Wikipedia/Juan Diego Sole
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Michel Mayor丨Wikipedia/Franck Schneider
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Didier Queloz丨Wikipedia/M.McCaughrean
大爆炸宇宙学的初步
过去的50年,是宇宙学的黄金年月,它的研讨工具是宇宙的初步与演变。上世纪60年月奠基的根柢,让宇宙学从揣度酿成了科学。在这一变化进程中,詹姆斯·皮布尔斯是其中一个关键人物。他决议性的几多发现,将宇宙学牢安稳定在了科学邦畿之上,也让全部研讨范围欣欣向荣。他的第一本书《物理宇宙学》启发了整整一代物理学家去成长这一学科,不单是经过理论推导,还立足于观察与丈量。我们从那边来?又将到那边去?科学,也只要科学,才大要解答这些永久的疑问。宇宙学超越了诸如信心或意义之类报酬订立的概念。这正应和了爱因斯坦在上世纪初说过的话——这个全国居然是可以被大白的。
6000字解读物理诺奖:致敬浩大宇宙,寻觅另一个“能够的地球”| 直击诺奖  明星
詹姆斯·皮布尔斯撰写的《物理宇宙学道理》,1993年版丨普林斯顿大学出书社
宇宙的故事,大要说关于宇宙演变的科学描摹,直到近来100年来才为人所知。在那之前,人们以为宇宙是静止且永久的。但在上世纪20年月,天文学家发现几乎全数的星系都在阔别相互,也在阔别我们。宇宙正在收缩。我们现在晓得,本日的宇宙和过去并纷歧样,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年颁发的广义相对论所预言。广义相对论成为了全数有关宇宙的大标准盘算的根柢。爱因斯坦当初发现他的理论会导出宇宙在收缩的结论时,他给自己的方程加上了一个常数(即宇宙学常数),可以也许抵消引力的成果,从而让宇宙连结静态。十多年后,当人们观察到宇宙收缩,这个常数也就被弃置不用了。爱因斯坦将这件事看做他人生中最大的毛病。但他并不晓得,宇宙学常数会在20世纪80年月都丽回归。在此时代,詹姆斯·皮布尔斯尤其功不成没。
宇宙第一束光芒显现万物
宇宙收缩意味着,宇宙已经加倍致密,也加倍灼热。在上世纪中叶,宇宙的诞生被命名为大爆炸。没有人晓得,最起头的时候到底发生了什么,但早期宇宙充溢着致密的、灼热的、不通明的粒子汤,光子会在其间不停地反弹。
宇宙收缩了差不多40万年以后,这锅原初粒子汤才冷却到了几千摄氏度。原初粒子终究可以也许团结,构成严重由氢和氦原子组成通明气体。直到现在,光子才起头自在移动,光才有本事在空间中穿行。最初的这些光芒至今仍充溢于宇宙。空间收缩拉伸了这些可见光的光波,把它们的波长拉到了几毫米那末长,终极落在了肉眼看不见的微波波段。
源自宇宙诞生的这些光,1964年由于机遇偶合而被两位美国射电天文学家捕捉。他们是阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson),是以获得了1978年的诺贝尔物理学奖。那时,他们的天线总是从宇宙的四周八方吸收到连续的“乐音 ”,不管怎样都摆脱不了。为此,他们要从其他科学家的研讨工作中追求一个表白,而詹姆斯·皮布尔斯就是其中之一,那时他已经从理论上得出了结论,宇宙中应当存在这类无处不在的背景辐射。在宇宙收缩了大约140亿年以后,这类背景辐射的温度已经降到了靠近绝对零度(-273°C)。皮布尔斯意想到,这类辐射的温度可以供给信息,显现大爆炸中发生了几多物资。他还熟悉到,“束缚”这些光起到了决议性的感化,决议了物资后来怎样聚集成团,构成了我们本日宇宙中所见的星系和星系团。这才是庞大的冲破。
微波背景辐射的发现,引领今世宇宙学进入了一个新时代。宇宙婴儿期间的陈腐辐射,成为了一座金矿,蕴藏着宇宙学家想晓得的几乎全数答案——宇宙有多老?它的命运是什么?到底存在着几多物资和能量?
在这片冷却的余辉中,科学家可以也许找到宇宙最初时辰的痕迹,渺小的不同随着声波在宇宙早期的原初粒子汤中传播开来。假如没有这些小小的不同,宇宙会从一个灼热的火球冷却成一片严寒而又均匀的虚无。我们晓得,究竟并非如此,宇宙空间中充溢着星系,它们又常常聚集成星系团。宇宙背景辐射的平滑,就如同陆地表面的平滑一样,靠近了可以看见海浪,而这些波纹显现着早期宇宙中的不同。
一次又一次,詹姆斯·皮布尔斯领导的研讨对来自宇宙最早期的化石痕迹作出了表白。宇宙学家可以也许以惊人的正确性,预言背景辐射中存在这些渺小不同,并证实它们会怎样影响宇宙中的物资和能量。
观察上的首个庞大冲破出现在1992年4月,那时美国COBE卫星的两位首席研讨员,约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot),展现了宇宙背景辐射的第一张完整照片。他们是以获得了2006年的诺贝尔物理学奖。其他卫星,包含美国的WMAP和欧洲的普朗克卫星,渐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不同,跟皮布尔斯的理论预言千篇齐截。宇宙中包含几多物资和能量的理论推导,也获得了越来越正确的证实,其中占到95%的绝大部分物资和能量,对我们来说都是看不见的。
暗物资与暗能量
——宇宙学最大的谜团
上世纪30年月以来,我们就已经晓得,我们可以也许看见的并非宇宙的全数。对星系扭转速度的丈量表白,必定有看不见的物资在供给更多的引力,将星系约束在一路,否则星系会由于转得太快而崩溃。这些看不见的物资被称为暗物资。科学家以为,它们在星系初步中也饰演偏严重的脚色,早在原始粒子汤放松对光子的控制之前就在发挥感化。
暗物资的组成还是宇宙学中最大的谜团之一。在很长的一段时候里,科学家曾以为暗物资大要由那时已知的中微子组成,但这类数目多到没法想像的低质量中微子靠近光速在宇宙空间中穿越,速度实在太快,无助于将物资约束在一路。皮布尔斯在1982年提出了另一种大要,大要质量大且速度慢的冷暗物资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资粒子,它们不跟已知的物资发生相互感化,在宇宙的物资和能量组成中占到26%。
按照爱因斯坦的广义相对论,空间的几多外形与引力有关——宇宙所含的质量与能量越多,空间就会越曲折。在质量和能量的某个临界点,宇宙恰好不曲折。在这样的宇宙中,两条平行线永久不会订交,凡是被称为平直宇宙。此外另有两种情况:假如宇宙中物资太少,就会致使开放宇宙,其中的平行线终极会渐行渐远;假如宇宙中物资太多,则会致使闭合宇宙,其中的平行线终极会订交。
对宇宙背景辐射的丈量,团结理论推导,得出了一个大白的答案:我们的宇宙是平直的。但是,宇宙所包含的物资只能满足临界值的31%,其中5%是平常物资,26%是暗物资。此外的大部分,占到69%,那时仍不知所踪。又一次,詹姆斯·皮布尔斯提出了一个激进的打点计划。1984年,他作出的进献新生了爱因斯坦的宇宙学常数,代表了真空所包含的能量。这些能量被命名为暗能量,在宇宙的物资和能量组成中占到69%。与冷暗物资战争常物资一路,暗能量富足支持“宇宙平直”这一概念。
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图丨原图:nobelprize.org,翻译:luna。第一个峰表现,宇宙在几多层面上是平的,即两条不会订交的平行线;第二个峰表现,平常物资仅占宇宙物资与能量的5%;第三个峰表现,26%的宇宙由暗物资组成。从这三个峰里可以得出结论,假如宇宙的31%是由物资组成的,那末余下的69%必须是暗能量才华满足对平的宇宙的要求。
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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)发现宇宙在加速收缩,他们也是以获得了2011年的诺贝尔物理学奖。必定有某种不同于物资的工具,某种未知的暗能量,在鞭策宇宙加速收缩。忽然之间,这个纯理论的附产物成了能在天空中观察到的究竟。
暗物资和暗能量,现在都是宇宙学中最空中楼阁的存在。只要当它们对四周发生影响,即一个拉、一个推时,人们才会发觉到它们。除此之外,我们对它们实在知之甚少。这宇宙的暗澹面究竟隐藏着什么机密?这未知的背后隐藏着什么新物理?在试图解开宇宙奥秘的进程中,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,大大都宇宙学家赞成大爆炸模子是表白宇宙初步与演变的可信理论,尽管现在人们只了解其中5%的物资与能量。这一小部分物资终极聚集成团,组成了我们四周所见的齐全——恒星、行星、花卉树木,固然也包含人类本身。能否只要我们人类孤独地注视着宇宙?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?没有人晓得。不外我们现在晓得,在具有行星这件事上,我们的太阳绝不孤独,银河系中数以千亿计的其他恒星,大大都也应当有行星伴随。天文学家现在已知的系外行星横跨4000颗。奇异的新全国已经被发现,跟我们自己的太阳系完全不同。而初度发现的那颗即是如此奇异,以致于当初几乎没人相信那是真的——就这颗行星与它的恒星那末近的间隔而言,它的个头实在是过于庞大了。
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集会会议上公布了他们发现,顿时引发轰动。这是第一颗被证实绕着类似太阳的恒星运转的行星。它被命名为飞马座51b,绕着50光年之外的恒星飞马座51快速活动。只需要4天时候,它就能完成一圈公转。这意味着它的轨道离那颗恒星极近,只要800万千米。恒星将这颗行星加热到横跨1000℃。相比力而已,地球上的情况就要平静很多,间隔太阳足有1.5亿千米,要用一年的时候才华绕太阳一圈。
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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等量齐观。相比于地球,木星的体积大了1300倍,质量则大了300倍。依照以往关于行星系统构成的概念,木星尺寸的行星应当构成于阔别恒星的地方,是以要花很长时候才华完成一圈公转。木星绕太阳一圈需要快要12年时候,是以飞马座51b超短的公转周期,对根究系外行星的科学家来说,美尽是料想之外。他们过去不停找错了地方。
发现公布以后,此外两名美国天文学家保罗·巴特勒(Paul Butler)和杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)几乎顿时将他们的千里镜转向了飞马座51这颗恒星,很快就证实了马约尔和奎洛兹反动性的发现。几个月以后,他们又发现了此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候,来观察系外行星绕着它的太阳公转了。现在,他们偶然间看这些行星转上一圈又一圈了。
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它们怎样能离恒星这么近呢?这一题目搬弄了那时的行星初步理论,并催生了一些新理论,描摹了气态巨行星若何在恒星系统边沿构成,又怎样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式才行。行星自己不会发光,只能反射星光,而反射的星光又过于亏弱,被主星发出的亮光完全蒙蔽。研讨团队用来搜寻行星的方式,称作视向速度法,丈量的是行星引力对主星活动的影响。行星绕着恒星转的同时,恒星也会响应地作细小的活动——它们都在绕着引力中心运转。从地球上观察,恒星会在视野偏向上前后活动。
前后活动的速度,即视向速度,可以经过著名的多普勒效应来丈量。多普勒效应表白,向着我们活动的物体发出的光会变得更蓝,而物体若阔别我们,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,阔别时音调变低是一样的。
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是以,行星的感化使得恒星的色彩交替变蓝或变红,天文学家用他们的装备捕捉的,正是星光波长的这类交替变化。色彩的改变可以经过丈量星光的波长而正确测定,供给了一种间接丈量视向速度的方式。
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最大的搬弄在于,视向速度很是慢。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扭转。地球的进献唯一0.09米/秒,这使得想要发现一颗类似地球的行星,工具的灵敏度就必须到达极高的要求。为了进步精度,天文学家同时丈量几千个波长。把星光拆分红不同波长谱线的,正是光谱仪,这是这些丈量的焦点装备。
上世纪90年月初,迪迪埃·奎洛兹在日内瓦大学起头他的学术生活时,米歇尔·马约尔已经花了好几年时候来研讨恒星的运转,并在其他研讨职员的帮助下建造了他自己的丈量仪器。1977年,马约尔想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千里镜上。这台装备的速度丈量下限约为300米/秒,仍然太高了,看不到行星牵引恒星的活动。
作为博士生,迪迪埃·奎洛兹受命和研讨团队一路,开辟一些新的方式用于更正确的丈量。他们利用了众多新技术,可以也许灵敏观察多颗恒星,并就地分析成果。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,也进步了装备对光的灵敏度。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·史姑娘(George Smith)的进献。更强大的盘算机也让科学家可以编写订制的软件来处置赏罚数据照片和分析数据。
到了1994年春季,当新的光谱仪完成时,速度丈量下限低落到了10-15米/秒,间隔首颗系外行星的发现也就不远了。那时,系外行星搜寻还不是天文学界的支流,但马约尔和奎洛兹仍然决议公布他们的发现。他们花了几个月改良成果,到了1995年10月,他们预备好向全国公布这第一颗太阳系外的行星了。
揭开众多全国的帷幕
初度发现围绕类太阳恒星的系外行星,在天文学界激发了一场反动。数千个未知的全国随之被揭开面纱。现在,不停发现新行星的,不单有地球上的天文千里镜,另有太空中的人造卫星。美国的TESS空间千里镜,正在扫描横跨20万颗离我们近来的恒星,搜寻类似我们地球的行星。而在此之前,开普勒空间千里镜已所获颇丰,发现了横跨2300个地外行星。
在视向速度法不停变化的同时,凌星测光法现在也被用来根究系外行星。这类方式丈量的是星光强度的变化,倘使有行星恰好从恒星前面经过,就会遮挡一部分星光。凌星测光法让天文学家另有机会观察地外行星的大气,由于在凌星发生的时候,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。偶然候,这两种方式都有采纳:凌星测光法告诉我们系外行星有多大,视向速度法例可以测定它的质量是几多。如此一来,便有大要盘算出这颗系外行星的密度,从而肯定它的结构。
迄今发现的系外行星,形状、巨细及轨道的极端多样性使人称奇,搬弄着过去我们对于行星系统的认知,迫使研讨者点窜有关行星诞生物理进程的理论。随着大量项目筹划起头搜寻系外行星,我们大要终极可以也许找到答案往返答那个永久的题目——远方,能否有其他生命存在?
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加了我们对宇宙在大爆炸以后怎样演变的大白,米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹搜寻未知的星球,摸索我们的宇宙邻人。他们的发现永久地改变了我们对全国的看法。
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译者:Calo 、麦麦、Edan、 窗敲雨、Amber 、darla Dai、steed
编辑:steed
编译根源:诺贝尔奖官方
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