天體物理學(xué)的研究與宇宙的新圖景
——2019年諾貝爾物理學(xué)獎簡介

本刊資料室

1 2019年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉

2019年10月8日瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，2019年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國普林斯頓大學(xué)吉姆·皮布爾斯(James Peebles，1935- )教授，表彰他“在物理宇宙學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)”；以及瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)米歇爾·麥耶(Michel Mayor，1942- )教授和瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授兼英國劍橋大學(xué)迪迪?！た迤?Didier Queloz，1966- )教授，表彰他們“發(fā)現(xiàn)了一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”. 諾貝爾委員會表示：“他們更新了人們對宇宙結(jié)構(gòu)和歷史的認(rèn)識，并首次發(fā)現(xiàn)了圍繞其他類太陽恒星運行的系外行星.這些發(fā)現(xiàn)將永遠(yuǎn)改變我們對世界的認(rèn)識.”

圖1 吉姆·皮布爾斯

圖2 米歇爾·麥耶

2 從靜態(tài)宇宙觀到演化宇宙觀的歷史進(jìn)步

20世紀(jì)50年代以前，人類對宇宙的認(rèn)識，僅停留在觀察靜態(tài)的宇宙.這種靜態(tài)宇宙觀認(rèn)為：我們所觀察到的天體都是“神”的創(chuàng)造物，沒有自己演化、形成的歷史(過程).20世紀(jì)40年代末，伽莫夫在宇宙膨脹模型的基礎(chǔ)上，吸取20世紀(jì)初粒子物理的研究成果，提出大爆炸宇宙論，把演化的概念引入宇宙學(xué)的研究，開創(chuàng)了宇宙學(xué)發(fā)展的新時代，逐漸形成了一個演化宇宙的新圖景.現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為：在大約140億年前，宇宙處于溫度極高(約1030K)的初始狀態(tài)，從那個點開始，宇宙發(fā)生熱爆炸，體積急速膨脹，溫度不斷變低，開始了演化過程.從微觀來說，經(jīng)歷了高能粒子的相互作用、相互轉(zhuǎn)化，中子、質(zhì)子、氦核、化學(xué)元素、分子等的形成；從宇觀來說，經(jīng)過一系列演化過程，逐漸形成彌散的氣狀物質(zhì)、星云、星系和恒星、行星而成為今天的狀態(tài).現(xiàn)代宇宙學(xué)還認(rèn)為：目前，我們所知的宇宙物質(zhì)只占整個宇宙物質(zhì)的約5%，其余的約95%為暗物質(zhì)與暗能量，對于人類來說，它們還是神秘而未知的(或知之甚少).

從靜態(tài)宇宙觀到演化宇宙觀的歷史進(jìn)步，是世界各國物理學(xué)家、天文學(xué)家，乃至科學(xué)技術(shù)家共同努力的結(jié)果.其中，吉姆·皮布爾斯作出了獨特的貢獻(xiàn).吉姆·皮布爾斯是一位加拿大裔的美國物理學(xué)家和理論宇宙學(xué)家，被廣泛認(rèn)定為“世界上領(lǐng)先的理論宇宙學(xué)家之一”，其對原始核合成、微波背景輻射、宇宙結(jié)構(gòu)形成、暗物質(zhì)與暗能量等做出了重要的理論貢獻(xiàn).最為突出的有：

(1)對微波背景輻射產(chǎn)生原因的說明

20世紀(jì)60年代，美國的微波電子學(xué)家彭齊亞斯和威爾孫在研究微波探測器性能時，發(fā)現(xiàn)探測器探測微波信號時會出現(xiàn)無法消除的背景噪聲.排除了各種可能后，他們把這種背景噪聲歸結(jié)為來自太空的深處，但不清楚真正的原因.其實，其原因皮布爾斯早就做出：“大爆炸的宇宙起源會留下射電噪聲的殘余物”的理論預(yù)言.兩位電子學(xué)家采用了這個解釋，從而構(gòu)成宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)(1965年)，為大爆炸宇宙論提供了強有力的實驗支持.

(2)對宇宙有關(guān)成份及結(jié)構(gòu)的理論研究

20世紀(jì)60年代，宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)并確定后，皮布爾斯把當(dāng)時有關(guān)粒子物理的知識與宇宙微波背景輻射中物質(zhì)與輻射的比例結(jié)合起來，對大爆炸后合成的核同位數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計算.20世紀(jì)70年代，皮布爾斯開創(chuàng)了宇宙結(jié)構(gòu)形成的理論探討，闡明了今天宇宙中的星系、恒星、行星等是如何演變形成的.

(3)對暗物質(zhì)、暗能量的有關(guān)猜測

早在20世紀(jì)30年代，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著大量不可見的物質(zhì)，用來保證星系或星團的穩(wěn)定性.這種不可見物質(zhì)稱為暗物質(zhì).經(jīng)估算，約占宇宙總物質(zhì)的26%.加上已知的普通宇宙物質(zhì)(各類天體等)5%，還有69%的剩余物質(zhì)是什么？物理學(xué)家稱其為暗能量，它是造成宇宙加速膨脹的原因.但暗能量在哪里呢？物理學(xué)家提出了種種猜測，眾說紛紜.1984年，皮布爾斯提供了一種解決方案，他復(fù)活了愛因斯坦原來的一個思想：引力場方程中的宇宙常數(shù)項，即真空中的能量，具有對抗引力的性質(zhì).這樣一來，普通物質(zhì)加暗物質(zhì)與暗能量就可以支撐一個平坦的宇宙.這個方案，目前得到不少物理學(xué)家的支持.

此外，吉姆·皮布爾斯編寫過三本教科書，包括1971年的《物理宇宙學(xué)》，1980年的《宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)》和1993年的《物理宇宙學(xué)原理》，均已成為該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)參考書.

在過去的50年里，吉姆·皮布爾斯使用他的理論工具與計算，解釋了來自宇宙的信息，對宇宙學(xué)的洞見，豐富了整個研究領(lǐng)域，為宇宙學(xué)的猜測轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵶C科學(xué)奠定了理論基礎(chǔ).

3 系外行星的發(fā)現(xiàn)開啟了人類對宇宙的新認(rèn)知

1994年，米歇爾·麥耶和迪迪?！た迤澃l(fā)現(xiàn)了第一個太陽系外的行星，這顆系外行星處于我們所在的銀河系中，環(huán)繞著的一顆類太陽的恒星51 Pegasi(飛馬座51)旋轉(zhuǎn).這個系外行星，他們是在法國南部的上普羅旺斯天文臺通過利用多普勒光譜儀技術(shù)觀測到的.因為母恒星名為51 Pegasi(飛馬座51)，環(huán)繞其旋轉(zhuǎn)的行星則命名為51 Pegasi b(飛馬座51b)，如圖4所示.飛馬座51b距離地球約50光年，質(zhì)量只有木星的一半，但體積卻是木星的兩倍.這一發(fā)現(xiàn)令師徒二人非常興奮但又困惑不已.要知道，太陽系中距離太陽最近的水星，公轉(zhuǎn)周期也要88天，而這個比水星重將近3000倍的行星公轉(zhuǎn)周期只有4天(每4天繞轉(zhuǎn)一圈)；另外，其距母恒星飛馬座51非常非常近(僅僅800萬千米)，因而表面溫度極高(天文學(xué)家給了它們一個形象的名字——熱木星).人們很難想象與太陽系內(nèi)八大行星迥異的熱木星是如何形成的？這些現(xiàn)象及問題與當(dāng)時天文學(xué)界的傳統(tǒng)認(rèn)知完全不同，不能不引起深思；也引起有的人對是否真的發(fā)現(xiàn)了系外行星的懷疑.為避免可能的失誤，他們花了半年多的時間反復(fù)核查，排除結(jié)果中可能存在的錯誤.經(jīng)反復(fù)核實后確認(rèn)，觀察到的系外行星無可懷疑，困惑原因可能出在傳統(tǒng)觀念的“保守”上.因此，1995年11月，師徒二人才把研究結(jié)果交《自然》雜志發(fā)表，正式宣布他們首次在類太陽恒星周圍發(fā)現(xiàn)了系外行星——飛馬座51b.

這一發(fā)現(xiàn)是天文學(xué)上的一場革命，掀起了尋找與研究系外行星的熱潮.此后，陸續(xù)在銀河系中發(fā)現(xiàn)了超過4000顆系外行星.這些行星有著千奇百怪的體積、形態(tài)和軌道，這些奇異的新世界仍在不斷被發(fā)現(xiàn).它們對我們關(guān)于行星系統(tǒng)的先入為主的觀點(行星離恒星的距離不能太近等)形成了挑戰(zhàn)，促使科學(xué)家們修正他們關(guān)于行星起源背后的物理過程的理論.

系外行星的發(fā)現(xiàn)，又一次引起人們對地外文明的關(guān)注，提出有關(guān)于問題與猜想.迪迪埃·奎洛茲認(rèn)為，我們不是宇宙中唯一的生命，未來30年內(nèi)，創(chuàng)造一臺新機器，以便更好地理解系外行星發(fā)生的任何物理化學(xué)活動，是“現(xiàn)實的”設(shè)想.