2019诺奖 | 重新认识宇宙

作者: 编译/lulu

来源: https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/popular-physicsprize2019.pdf

发布日期: 2019-10-09 17:10:54

2019年诺贝尔物理学奖授予三位天文物理学家,他们的研究帮助我们更好地理解宇宙的起源和演化,包括宇宙大爆炸模型和系外行星的发现。

2019年诺贝尔物理学奖获得者是三位帮我们重新认识宇宙的天文物理学家——James Peeble教授、Michel Mayor教授以及Didier Queloz教授。他们的研究让我们更加接近“宇宙是怎么来的?”“宇宙将会怎样?”“宇宙中,我们是否唯一?”这些基础问题的答案。

过去的50年是宇宙学的黄金时代。宇宙学最关心的问题是宇宙的起源和演化。思考和解释“这一切究竟是如何开始的”似乎是人类的本能。但在大部分时间里,人们对宇宙的探索都基本靠“猜”,直到20世纪60年代,James Peeble提出的理论框架成功把宇宙学从“猜测”引到了“科学”的正路上。新一代物理学家在其理论研究的基础上,通过理论思考、观察和测量等多种方法不断为这一崭新的学科贡献自己的力量。

人们意识到宇宙在不断演化是最近一个世纪的事情。在此之前,人们认为宇宙是静止和永恒不变的。直到20世纪20年代,天文学家发现,所有星系都在彼此远离,并且离我们也越来越远。这意味着,宇宙仍在膨胀。而宇宙膨胀则意味着此前的宇宙肯定比现在密度更高,也更加炽热。到了20世纪中期,科学家们提出了大爆炸(Big Bang)模型,用来描述宇宙的诞生。

膨胀了40万年后,这碗汤终于冷却了下来(不过也有几千摄氏度),原始的粒子开始结合,形成由氢原子和氦原子组成的透明气体,而光子也开始在空间中自由穿梭。时至今日,这些原始的辐射仍然存在于我们周围。只不过由于空间的膨胀,可见光波最终被拉伸成不可见的微波,形成了我们今天所知的“宇宙微波背景辐射”,宇宙的许多秘密就隐藏在其中。

James Peeble通过理论计算的方法成功从无处不在的背景辐射中找到了宇宙最初的痕迹。这一发现开辟了现代宇宙学的新纪元。

1995年10月,Michel Mayor 和Didier Queloz宣布他们在太阳系外发现了一颗行星——飞马座51 b,正围绕银河系中一颗类似太阳的恒星旋转。

两人在法国南部的普罗旺斯天文台用自制的设备发现了这颗位于飞马座、距离地球50光年的系外行星,这是一颗气态的球状行星,大小与太阳系中的气态行星木星相当。寻找系外行星并非易事。行星本身不会发光,只能反射星光,而相比于恒星的耀眼光芒,行星反射的微弱星光很难被观测到。于是,天文学家想出了利用多普勒效应进行的视向速度法,其测量的是行星引力对主星恒星的影响。

视向速度法根据多普勒效应,天体在靠近我们时,发出的光会更蓝;在远离我们时,发出的光会更红。于是,天文学家就通过观测主星的颜色变化来推算主星的视向速度,间接观测行星。这一发现引发了天文学的革命,迄今为止,天文学家们已在银河中发现了超过4000颗系外行星。还有更多新的行星等待我们去发现,它们的大小、组成和轨道特征很可能会令我们大跌眼镜。

这些系外行星挑战了我们对行星系统的固有观念,迫使科学家们修正有关行星起源的物理理论。大量探索系外行星的项目即将启动,“除了我们,宇宙中还有其他生命吗?”,我们或许最终会找到这个问题的答案。

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