讓人類重新認(rèn)識宇宙

楊陽

2019年10月8日，2019年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉：加拿大裔美國科學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯、瑞士科學(xué)家米歇爾·馬約爾、瑞士科學(xué)家迪迪?！た迤?人獲獎。其中一半獎金授予詹姆斯·皮布爾斯，獲獎理由是“對于物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)”；另一半獎金授予米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤潱@獎理由是“發(fā)現(xiàn)了圍繞其他類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”。皮布爾斯對宇宙學(xué)的洞見豐富了整個物理宇宙學(xué)領(lǐng)域的研究，成為當(dāng)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)；馬約爾和奎洛茲探索了我們的宇宙鄰域的未知行星，他們的研究指向一個永恒的問題：地球之外是否還有生命存在？

揭示宇宙歷史

詹姆斯·皮布爾斯1935年 4月25日出生在加拿大曼尼托巴省溫尼伯，目前就職于美國普林斯頓大學(xué)，他今年已經(jīng)84歲了。在得獎之前，他已經(jīng)在宇宙微波背景輻射領(lǐng)域工作了近60年。他的探究使我們對宇宙的結(jié)構(gòu)和歷史有了全新的認(rèn)識，有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的。

現(xiàn)在我們都知道，宇宙起源于大爆炸。大爆炸理論認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。大約140億年前，在宇宙開始的時刻，當(dāng)時的宇宙非常熱，密度相當(dāng)大。自宇宙爆炸之后，宇宙體系不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，溫度也很快冷卻、下降。大爆炸后不到40萬年，宇宙變得透明，光線可以在太空中穿行。即使在今天，這種古老的輻射（宇宙微波背景輻射）仍然存在于我們周圍，宇宙許多的秘密都隱藏在其中。這些熱輻射擴(kuò)散到整個宇宙中，隨宇宙不同階段的發(fā)展而變化，成為宇宙生長的“年輪”。皮布爾斯利用他創(chuàng)建的理論工具和運(yùn)算方法，將宇宙誕生之初留下的“蛛絲馬跡”成功“解碼”。

物理宇宙學(xué)是怎樣的一個領(lǐng)域 物理宇宙學(xué)（簡稱宇宙學(xué)）是天體物理學(xué)的一個分支，是研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、宇宙形成和演化的學(xué)科。宇宙學(xué)研究關(guān)于宇宙的起源和演化問題。在哥白尼、牛頓之后，宇宙學(xué)慢慢成為科學(xué)。一般認(rèn)為，現(xiàn)代宇宙學(xué)的起源可以追溯到愛因斯坦廣義相對論的提出和對極遠(yuǎn)天體的觀測。現(xiàn)代宇宙學(xué)就像考古學(xué)，根據(jù)宇宙早期自然過程所留下的遺跡來推斷宇宙的演化。曾幾何時，宇宙學(xué)充斥著沒有堅(jiān)實(shí)依據(jù)的猜想，數(shù)據(jù)也少得可憐。但今天，宇宙學(xué)已經(jīng)成長為一門精確的數(shù)學(xué)科學(xué)，愈發(fā)精確的觀測數(shù)據(jù)正發(fā)揮關(guān)鍵性作用。在過去的50多年中，把宇宙學(xué)從推測科學(xué)變成一門可以定量計(jì)算的科學(xué)的關(guān)鍵人物之一就是詹姆斯·皮布爾斯。在每一項(xiàng)巨大的理論成就中，幾乎都能看到皮布爾斯的身影。

皮布爾斯在宇宙學(xué)方面的貢獻(xiàn)主要集中在宇宙微波背景輻射上。為了探索宇宙初期發(fā)生了什么，接下來又將發(fā)生什么，皮布爾斯與擁有數(shù)十億個星系和星系團(tuán)的宇宙展開了較量。早在20世紀(jì)60年代，他與羅伯特·迪克等人一起預(yù)測了宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸模型提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，同時皮布爾斯還用大爆炸理論解釋了宇宙初期的痕跡，并發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)進(jìn)程。因此，宇宙微波背景輻射在現(xiàn)代已成為精確測量宇宙學(xué)的關(guān)鍵。通過觀測微波背景輻射，皮布爾斯推斷出宇宙的過去：從宇宙最初極高速的爆炸，到轉(zhuǎn)入所謂熱大爆炸，再到逐漸冷卻，形成第一代的恒星和星系，形成今天的宇宙……宇宙微波背景輻射的角功率譜上，忠實(shí)地記錄著這一切。皮布爾斯建立了一個模型，通過這個模型，能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現(xiàn)在以及遙遠(yuǎn)未來的狀態(tài)變化。根據(jù)皮布爾斯提出的模型，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著大量暗能量和暗物質(zhì)；根據(jù)他的理論，科學(xué)家推測出了宇宙的成分—構(gòu)成行星和人類的普通物質(zhì)僅占宇宙物質(zhì)總量的5%，剩下的是26%的暗物質(zhì)和69%的暗能量。皮布爾斯對物理宇宙學(xué)的理論見解為物理宇宙學(xué)從推測到科學(xué)的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。

在頒獎典禮現(xiàn)場，有記者向皮布爾斯提問：其他的行星上是否有生命呢？皮布爾斯認(rèn)為：目前來說，這僅僅是一種猜測。我們已經(jīng)非常確認(rèn)地球之外會有適宜生命存在的星球，那里會有可以稱之為生命的存在。但是這些生命是否跟地球上的生命相同，這個就很難知道了。雖然我們認(rèn)為可能其他的行星上有生命，但是我們也并不能看到這些生物。

開啟太陽系以外的新世界之門

許多科學(xué)先驅(qū)都曾經(jīng)預(yù)言，滿天繁星中一定有許多恒星，也擁有圍繞它們旋轉(zhuǎn)的行星。然而，那些行星距地球太過遙遠(yuǎn)，所反射的光又太過微弱，想要“看”到它們并不容易。美國天文學(xué)家、科幻作家卡爾·薩根也堅(jiān)信宇宙中不止一個地球。他說道：“如果上帝只為人類創(chuàng)造了這么大的一個宇宙，那也太浪費(fèi)空間了。”20世紀(jì)90年代，這個猜想終于被米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲的觀測證實(shí)了。1995年10月，他們宣布首次在太陽系外發(fā)現(xiàn)了一顆行星，它圍繞著我們的銀河系中的一顆類日恒星運(yùn)行，這顆恒星距離地球50光年。在法國南部的上普羅旺斯高地天文臺，他們使用定制儀器觀察到了系外行星“飛馬座 51b”（51 Pegasi b）。這是人類首次在一顆與太陽相似的恒星周圍發(fā)現(xiàn)行星，這顆行星的質(zhì)量下限差不多是地球的150倍，表面有大氣，整體呈紅熱狀態(tài)。最重要的是“飛馬座 51b”所環(huán)繞的恒星與太陽非常相似：大小相近而且正值壯年。而之前，天文學(xué)家觀測到的母恒星不是已經(jīng)死亡的脈沖星，就是步入暮年的紅巨星。

馬約爾和奎洛茲的發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)界掀起了一場革命，有科學(xué)家稱這顆行星的發(fā)現(xiàn)為人類尋找宇宙中的伙伴帶來了新希望；也有科學(xué)家稱他們?yōu)椤靶率澜绲陌l(fā)現(xiàn)者”，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)堪比哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。人類終于知道，太陽不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發(fā)現(xiàn)顯示，行星系統(tǒng)具有廣泛的多樣性?！帮w馬座51b”的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃了系外行星探索的“星星之火”。得益于各類觀測技術(shù)的突飛猛進(jìn)，迄今科學(xué)家們在銀河系發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量已超過4000顆，其中包括位于半人馬座、距離地球4.2光年的宜居星球“比鄰星b”，距離地球39光年的“七星繞日”系統(tǒng)TRAPPIST-1，以及表面存在大氣和水的K2-18b。各種各樣的新天體仍在不斷被發(fā)現(xiàn)，其大小、形狀、軌道之豐富令人難以置信。它們挑戰(zhàn)了我們對行星系統(tǒng)的已有認(rèn)識，迫使科學(xué)家們修正行星起源理論。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)估算，在銀河系中與地球類似的行星可能有110億顆，不難想象，也許其中的一顆就是人類未來的新家。隨著大量尋找系外行星的計(jì)劃得以成行，我們可能最終會找到“是否有其他地外生命存在”這個永恒問題的答案。

值得一提的是，此次獲獎的兩位瑞士天文學(xué)家還是一對師生。米歇爾·馬約爾1942 年出生于瑞士，1971年獲得瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)在是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授。自從馬約爾發(fā)現(xiàn)了“飛馬座51b”之后，他的研究則主要是發(fā)現(xiàn)太陽系外行星。2009年，馬約爾和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)環(huán)繞主序星的、目前質(zhì)量最小的太陽系外行星格利澤581e。迪迪?！た迤?966年2月出生，他是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室和日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)教授。1995年，奎洛茲在日內(nèi)瓦大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，與他的導(dǎo)師馬約爾一起發(fā)現(xiàn)了太陽系外的第一顆巨行星。從那時起，奎洛茲就參與了一系列成功的精密光譜儀開發(fā)工作，極大地提高了多普勒技術(shù)的精度。2007年，在新興的行星軌道探測領(lǐng)域，他與英國的WASP團(tuán)隊(duì)建立了成功的國際合作，為光譜確認(rèn)、精確的光度跟蹤和新行星的確認(rèn)提供了新的研究方法。他還積極參與過境行星的探測工作。因?yàn)殚_發(fā)出了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)，2011年，奎洛茲和他的博士導(dǎo)師馬約爾獲得了BBVA基礎(chǔ)科學(xué)前沿知識獎，2017年，奎洛茲獲得了沃爾夫物理學(xué)獎。

他們改變了人們對宇宙的認(rèn)識

今年的諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)吒淖兞宋覀儗τ钪娴目捶?。皮布爾斯的理論發(fā)現(xiàn)有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的，讓我們得知了暗物質(zhì)的存在；馬約爾和奎洛茲則在尋找未知行星的過程中探索到了我們在宇宙中的鄰居。因?yàn)檫@3人的成就，當(dāng)我們再次審視宇宙，視角已與前人完全不同。在過去的幾十年里，我們不僅對宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化，而且對地球在宇宙中所處的地位看法也發(fā)生了巨大的改變。