改變?nèi)祟悓?duì)宇宙的認(rèn)知
——寫在2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉之際

□ 鄭莉穎

北京時(shí)間2019年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）、米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪?！た迤潱―idier Queloz）。

為了表彰他們?cè)谌祟惱斫庥钪嫜莼泛偷厍蛟谟钪嬷兴幬恢醚芯糠矫娴呢暙I(xiàn)，瑞典皇家科學(xué)院頒發(fā)了900萬瑞典克朗（約合人民幣697萬元）的獎(jiǎng)金。其中，因“在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”獲獎(jiǎng)的皮布爾斯分得一半獎(jiǎng)金，因“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”獲獎(jiǎng)的麥耶和奎洛茲，則共享另一半獎(jiǎng)金。

諾貝爾委員會(huì)認(rèn)為：他們的發(fā)現(xiàn)，永遠(yuǎn)地改變了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知。

對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)和歷史的新認(rèn)識(shí)

詹姆斯·皮布爾斯與擁有數(shù)十億個(gè)星系和星系團(tuán)的宇宙展開了較量。他的理論框架起源于20世紀(jì)60年代中期，已經(jīng)發(fā)展了20多年，是當(dāng)代宇宙觀的基礎(chǔ)，使人類對(duì)宇宙環(huán)境有了更深刻的認(rèn)識(shí)。

——摘自諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

對(duì)普通大眾而言，有關(guān)宇宙的知識(shí)是晦澀的，除了“宇宙大爆炸”“宇宙膨脹”這些耳熟能詳?shù)恼J(rèn)知，只有真正的從業(yè)人員或者興趣愛好者，才會(huì)進(jìn)一步了解到：宇宙膨脹理論意味著它曾經(jīng)密度更大、溫度更高。

“初期的宇宙是一鍋熾熱、致密的‘粒子湯’，其中的輕粒子、光子在其間來回反彈?！痹诮?0萬年的時(shí)間里，粒子們相互結(jié)合，光子們自由移動(dòng)，于是形成了由氫、氦原子組成的透明氣體，及充滿整個(gè)宇宙的第一束光。之后，宇宙的膨脹拉長了可見光波，逐漸演化出波長只有幾毫米的不可見微波。

一直以來，人類探索宇宙的步伐從未停止，其中極為重要的一筆，即預(yù)言宇宙微波背景輻射的存在便是皮布爾斯奠定了其物理宇宙學(xué)研究的起點(diǎn)。作為宇宙微波輻射的提出者之一，在某種程度上，皮布爾斯與這一概念最早的提出者伽莫夫和阿爾夫師徒有著同樣不可磨滅的貢獻(xiàn)。

2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者：詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·麥耶和迪迪?！た迤?。

20世紀(jì)60年代，在美國的兩個(gè)無線電工程師找到了皮布爾斯，告訴他一個(gè)無法解釋、意外的“噪音發(fā)現(xiàn)”。當(dāng)時(shí)，皮布爾斯剛剛向政府建議“在微波段尋找宇宙微波背景輻射”，并加快實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，一聽到這個(gè)消息大為振奮。他投入到對(duì)這種“神秘發(fā)現(xiàn)”的研究中，最終經(jīng)過重重理論驗(yàn)證，確認(rèn)那就是宇宙微波背景輻射。

“近140億年后，背景輻射的溫度已經(jīng)下降到接近絕對(duì)零度(-273℃)。當(dāng)皮布爾斯意識(shí)到背景輻射的溫度可以提供關(guān)于宇宙大爆炸中創(chuàng)造了多少物質(zhì)的信息時(shí)，宇宙學(xué)的重大突破隨之而來，并使得我們了解到這種光對(duì)物質(zhì)后來如何聚集形成現(xiàn)在太空中的星系和星系團(tuán)起到了決定性的作用?！毕嚓P(guān)報(bào)道指出，微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)的新紀(jì)元，這使得兩個(gè)無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自此之后，隨著現(xiàn)代宇宙學(xué)的理論研究更為細(xì)節(jié)化、具象化，在幾十年的時(shí)間里，皮布爾斯使用各種理論工具和計(jì)算，完成了一次又一次對(duì)宇宙的“窺探”，解釋著那些來自宇宙嬰兒時(shí)期的線索，并且還發(fā)現(xiàn)了新的物理過程。他做了諸多深入的理論研究，例如，微波背景輻射應(yīng)該是怎樣的、宇宙在大尺度上的不均勻是怎樣形成和演化的等。其中，他和蘇尼亞耶夫、澤爾多維奇共同開展了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)最初的理論框架性研究，預(yù)言了宇宙微波背景輻射可能存在著，同宇宙微波背景輻射溫度相關(guān)的漣漪。而這一“漣漪論”于1992年被NASA發(fā)射的宇宙微波背景輻射衛(wèi)星COBE證實(shí)。主導(dǎo)COBE項(xiàng)目的約翰·馬瑟和喬治·斯穆特也因此榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

看到這里不難發(fā)現(xiàn)，皮布爾斯數(shù)次與諾貝爾獎(jiǎng)擦身而過，在外界看來，他的陪跑經(jīng)歷頗有些戲劇色彩。但他自己卻十分看得開，寄語有志投身科研的年輕人，不要為得獎(jiǎng)做科研。“你們應(yīng)該出于對(duì)科學(xué)的熱愛而從事科研，獎(jiǎng)項(xiàng)雖然有吸引力且令人感激，但這并不應(yīng)該是你們計(jì)劃的一部分。你們應(yīng)該是因?yàn)閷?duì)科學(xué)著迷而研究，我就是這樣?！?/p>

為科學(xué)著迷的皮布爾斯，以其對(duì)物理宇宙學(xué)的洞見影響著現(xiàn)代宇宙學(xué)。他陸續(xù)發(fā)表的文章和著作，發(fā)展了宇宙結(jié)構(gòu)形成的理論，為宇宙學(xué)從猜測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)證科學(xué)奠定了基礎(chǔ)。但是，這些對(duì)于宇宙學(xué)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。皮布爾斯的研究結(jié)果顯示：人類所知的涵蓋恒星、行星、樹木及我們的“宇宙”只占到宇宙的5%，剩余的95%都是未知領(lǐng)域，包括暗物質(zhì)以及暗能量。

在獲得2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之際，皮布爾斯也表示，雖然他的研究有助于加深了解宇宙起源，但暗物質(zhì)和暗能量仍然是個(gè)謎團(tuán)，“即使我們?cè)谟钪孢M(jìn)化方面的理解取得重大突破，很多問題仍然未解”。

在太陽系的“鄰居”那兒發(fā)現(xiàn)未知行星

米歇爾·麥耶和迪迪?！た迤澰谔剿縻y河系，從中尋找未知的世界。1995年，他們首次發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類日恒星運(yùn)行的系外行星，這一發(fā)現(xiàn)顛覆了人類對(duì)世界的固有看法，并引發(fā)了天文學(xué)歷史上的革命。

——摘自諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)

基于恒星會(huì)因行星引力變化而產(chǎn)生微小擺動(dòng)的理論，麥耶和奎洛茲發(fā)現(xiàn)了首顆太陽系之外的行星，將其命名為“飛馬座51 b（51Pegasi b）”。他們?cè)诜▏喜康纳掀樟_旺斯天文臺(tái)，使用定制的儀器觀測(cè)到了它，發(fā)現(xiàn)它圍繞著距離地球50光年的恒星——51Pegasi快速旋轉(zhuǎn)，且需要4個(gè)地球日的時(shí)間來完成一次公轉(zhuǎn)。

這一發(fā)現(xiàn)引起了天文學(xué)界的沸騰。

一是因?yàn)椴捎昧诵路椒▽ふ蚁低庑行?，二是利用觀測(cè)到的飛馬座51 b周期與當(dāng)時(shí)唯一可用的數(shù)據(jù)點(diǎn)——太陽系、木星（公轉(zhuǎn)周期大約為12年）做對(duì)比，顯然，這顆氣態(tài)行星根據(jù)以往約定俗成的行星系統(tǒng)觀念，其公轉(zhuǎn)周期并不能夠被解釋。也正是因?yàn)檫@樣，天文界掀起了一場(chǎng)浩浩蕩蕩的革命，天文學(xué)家們不得不重新思考已存在的觀測(cè)方法、行星形成理論是否合理。

在此后的20多年間，隨著技術(shù)手段的不斷發(fā)展、探測(cè)精度的提升，人類在了解宇宙的過程中累計(jì)找到了4000多顆系外行星。這些行星有著千奇百怪的體積、形態(tài)和軌道，不斷挑戰(zhàn)著固有的行星系統(tǒng)觀念，使舊理論漸漸被修正，新理論逐步成型。

在這個(gè)過程中，由于行星本身并不具有發(fā)光的特性，尋找、追蹤起來難度頗大。已知的徑向速度法，通過測(cè)量恒星在受到其行星引力影響時(shí)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。這種方法十分復(fù)雜，主要是利用恒星因行星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的輕微移動(dòng)，且兩者均會(huì)繞著共同的引力點(diǎn)移動(dòng)，來從地球某一觀察點(diǎn)記錄恒星的“前后擺動(dòng)”?！斑@種徑向速度可以用眾所周知的多普勒效應(yīng)來測(cè)量：當(dāng)恒星朝向我們移動(dòng)時(shí)，發(fā)出的光更藍(lán)；如果物體離我們遠(yuǎn)去時(shí)，發(fā)出的光就更紅。”諾貝爾獎(jiǎng)官網(wǎng)在解讀中指出，行星的影響使恒星光在藍(lán)色和紅色之間交替變化，天文學(xué)家用儀器捕捉到恒星光波長的變化，并通過測(cè)量恒星光的波長，精確地確定顏色的變化，從而得到徑向速度。除了徑向速度法之外，如今天文學(xué)家還通過凌日測(cè)光法搜尋系外行星。該方法可測(cè)量當(dāng)一顆行星經(jīng)過所屬恒星前方時(shí)引起的光強(qiáng)變化。同時(shí)，由于來自恒星的光在到達(dá)地球之前會(huì)經(jīng)過行星大氣層，這種方法還使得天文學(xué)家能夠觀察系外行星的大氣層。

方法運(yùn)用的純熟加快了行星研究的進(jìn)程。徑向速度法與凌日測(cè)光法結(jié)合使用，前者確定行星的質(zhì)量，后者測(cè)量行星的大小，從而有可能通過計(jì)算得出行星的密度，并進(jìn)一步確定其結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，有關(guān)行星形成物理過程的問題也在持續(xù)增加，且復(fù)雜性日益增強(qiáng)。

從各方的解讀中可以知道，行星誕生離不開圍繞新生恒星的旋轉(zhuǎn)氣體，也就是氫氣和氦氣，更不能夠缺少新生恒星周圍的塵埃顆粒，即非晶硅、碳化合物和冰。塵埃顆粒在靜電作用下逐漸凝聚成更大的塊狀物?！斑@一過程很大程度上取決于參與其中的碰撞能量，而碰撞能量又取決于氣體和塵埃盤的動(dòng)蕩程度（天文學(xué)家對(duì)此還不甚了解）以及在與氣體相互作用的過程中朝中央恒星發(fā)生的輻射遷移?！毕嚓P(guān)報(bào)道還指出，顆粒物形成塊狀物，塊狀物的體積在多方作用下持續(xù)增長，慢慢地，成為直徑上百米甚至更大的“微行星”。

“微行星之間的相互碰撞可能會(huì)將其摧毀，也可能形成更大的微行星體。微行星增長到一定大小之后，‘礫石吸積’便成了主導(dǎo)的增長機(jī)制，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步形成原行星，最終形成行星?！比欢@一過程中還有許多細(xì)節(jié)尚不清楚，還等待著研究人員的進(jìn)一步探索。

在宇宙中追尋行星，歸根結(jié)底是人類對(duì)生命的探索。地球這顆行星之外是否還有生命存在，這是一個(gè)永恒的問題。

“人們關(guān)心地外生命，第一步首先需要發(fā)現(xiàn)系外行星，下面才有可能發(fā)現(xiàn)系外生命，乃至智慧生命。在恒星演化早期和晚期，恒星都不穩(wěn)定，周圍很難存在高級(jí)生命，只有類太陽星周圍的行星才有這種可能。因此，兩位諾貝爾獎(jiǎng)得主是第一個(gè)在類太陽星周圍發(fā)現(xiàn)了一顆系外行星，滿足了人們想在太陽系之外找到系外行星的想象，為大家打開了一扇通往尋找系外生命的大門。”中國科學(xué)院國家天文臺(tái)專家接受媒體采訪時(shí)，曾這樣解釋了系外行星發(fā)現(xiàn)的意義。

但遺憾的是，首顆系外行星飛馬座51 b從已知情況來看，并不具備生命體存在的環(huán)境。其公轉(zhuǎn)時(shí)間決定了它距離恒星較近，大概只有800萬公里，也因此可推測(cè)行星溫度達(dá)到了1000℃，相比距離太陽1.5億公里、溫度適宜的地球，顯然沒有達(dá)到生物生存的條件。

不管是探索行星形成系統(tǒng)、宇宙生命，還是解開暗物質(zhì)和暗能量疑團(tuán)，人類對(duì)于未知，一如既往地前赴后繼，等待著一項(xiàng)又一項(xiàng)偉大發(fā)現(xiàn)的問世。此次天體物理成就問鼎諾貝爾獎(jiǎng)無疑是振奮人心的激勵(lì)，但不論這種激勵(lì)是有是無、或多或少，就像皮布爾斯說的那樣，他們始終為科學(xué)著迷而研究。

獲獎(jiǎng)人簡介：

詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），加拿大裔美國物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家。1935年出生于加拿大溫尼伯市，1962年在美國普林斯頓大學(xué)博士畢業(yè)，現(xiàn)任普林斯頓大學(xué)阿爾伯特—愛因斯坦科學(xué)教授。主要貢獻(xiàn)包括：推動(dòng)讓愛因斯坦后悔不已的宇宙常數(shù)重返宇宙學(xué)、預(yù)測(cè)并促進(jìn)宇宙微波背景輻射研究、理論證實(shí)暗物質(zhì)和暗能量的存在。

米歇爾·麥耶（Michel Mayor），瑞士天文學(xué)家。1942年出生于瑞士洛桑市，1971年在瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士畢業(yè)，2007年退休前任教于日內(nèi)瓦大學(xué)天文學(xué)系，目前仍以榮譽(yù)退休教授身份在日內(nèi)瓦天文臺(tái)開展研究。主要貢獻(xiàn)包括：1995年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)圍繞類日恒星運(yùn)行的系外行星——飛馬座51b，此后將研究聚焦在搜尋系外行星上。

迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz），瑞士天文學(xué)家。1966年出生，1995年在瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士畢業(yè)，現(xiàn)任日內(nèi)瓦大學(xué)和劍橋大學(xué)教授。主要貢獻(xiàn)包括：與導(dǎo)師米歇爾·麥耶一起發(fā)現(xiàn)飛馬座51b、開發(fā)新的觀察太陽系外行星的天文學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。