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临床流行病学官方权威解读全文出炉:一文读懂诺贝尔物理奖!

作者:admin 发布日期:2019-10-09 12:26 点击:
临床流行病学官方权威解读全文出炉:一文读懂诺贝尔物理奖!

[摘要]今年的诺贝尔奖物理奖,临床流行病学表彰科学家们在人类理解宇宙演化史和地球在宇宙中所处位置而做的贡献。

【腾讯科技编者按】北京时间10月8日消息,2019年诺贝尔物理学奖被授予詹姆斯?皮布尔斯(James Peebles)、米歇尔·麦耶(Michel Mayor)以及迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),以表彰他们在人类理解宇宙演化史和地球在宇宙中所处位置而做的贡献。

其中一半奖金授予美国普林斯顿大学的皮布尔斯,以表彰他在物理宇宙学方面的理论贡献;另一半授予瑞士日内瓦大学的麦耶和英国剑桥大学的奎洛兹,以表彰他们发现了一颗围绕类日恒星运行的系外行星。

以下是诺奖官网的权威解读

关于地球在宇宙中所处位置的新见解

2019年诺贝尔物理学奖旨在表彰科学家对宇宙结构和历史的新见解,以及首次发现围绕类日恒星运行的系外行星。今年的获奖者为回答关于我们存在的基本问题做出了贡献。宇宙初期发生了什么,接下来又将发生什么?会不会有其他行星围绕着类似于太阳的其他恒星运行?

詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)与拥有数十亿个星系和星系团的宇宙展开了较量。他的理论框架起源于20世纪60年代中期,已经发展了20多年,是我们当代宇宙观的基础。皮布尔斯的发现使人类对宇宙环境有了更深刻的认识,其中已知物质只占宇宙中所有物质和能量的5%,其余95%都隐藏其中。这对于现代物理学来说是一个谜,也是一个挑战。

米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)则在探索我们的家乡银河系,从中寻找未知的世界。1995年,他们首次发现了一颗围绕类日恒星运行的系外行星。他们的发现颠覆了我们对这些奇怪世界的固有看法,并引发了天文学历史上的革命。迄今为止人类所发现的4000多颗系外行星形式之丰富令人难以置信,其中大多数行星系统和我们完全不同。这些发现导致研究人员不断修正关于行星起源背后物理过程的新理论。

宇宙大爆炸的起源

过去50年是研究宇宙起源和进化的宇宙学的黄金时代。20世纪60年代的研究奠定了将宇宙学从推测转向科学的基础。这一转变中的关键人物是皮布尔斯,其决定性发现将宇宙学牢牢地置于科学领域之中,丰富了整个研究领域。他出版的第一本书《物理宇宙学》(1971)激励了整整一代的物理学家。其不仅通过理论思考,还通过观察和测量为该宇宙学的发展做出了贡献。科学和其他任何东西都不能回答关于我们从哪里来和我们要到哪里去这种永恒问题,但宇宙学却摆脱了诸如信仰和意义等人为概念。这呼应了阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)上世纪初的话: 世界永恒的谜就是它的可知性。

宇宙的故事是关于宇宙演化的科学叙述,直到最近一百年才为人所知。长期以来人们都认为宇宙是静止和永恒的,但在20世纪20年代,天文学家发现所有的星系都在远离彼此,远离我们。宇宙在成长。我们现在知道今天的宇宙与昨天的不同,明天宇宙也会更加不同。

早在1916年,爱因斯坦的广义相对论就已经预言过了天文学家在天空中看到的东西,现在这一理论已经成为关于宇宙所有大规模计算的基础。当爱因斯坦发现广义相对论得出空间正在膨胀的结论时,他在方程中增加了一个常数(宇宙常数),军部蜂后计划这将抵消重力的影响,使宇宙静止不动。十多年后,一旦观察到宇宙的膨胀,就不再需要这个常数了。爱因斯坦认为这是他一生中最大的错误。他并不知道宇宙常数会在20世纪80年代通过皮布尔斯的贡献辉煌地回归宇宙学。

图示:皮布尔斯在物理宇宙学方面做出的理论贡献

宇宙中的第一束光线

宇宙膨胀理论意味着宇宙曾经密度更大,温度更高。在20世纪中叶,宇宙的诞生被命名为“宇宙大爆炸”。没有人知道一开始到底发生了什么,但是初期的宇宙是一锅炽热、致密的“粒子汤”,其中的轻粒子光子在其间来回反弹。

这锅汤冷却到几千摄氏度花了将近40万年的时间。最初的粒子相互结合,形成主要由氢原子和氦原子组成的透明气体。光子现在开始能够自由移动,使得光能够在空间中传播。这样以来第一束光线就充满了整个宇宙。空间的不断膨胀拉长了可见光波,所以其最终成为波长只有几毫米的不可见微波。

1964年,两位美国射电天文学家第一次偶然捕捉到宇宙诞生时的光芒。这就是1978年诺贝尔奖得主阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)。他们无法消除天线从太空中任何地方接收到的持续不断 “噪音”,所以不得不在其他研究人员的工作中寻找解释,而皮布尔斯也已经对这种无处不在的背景辐射进行了理论计算。近140亿年后,背景辐射的温度已经下降到接近绝对零度(-273°C)。当皮布尔斯意识到背景辐射的温度可以提供关于宇宙大爆炸中创造了多少物质的信息时,宇宙学的重大突破随之而来,并使得我们了解到这种光对物质后来如何聚集形成现在太空中的星系和星系团起到了决定性的作用。

微波背景辐射的发现开创了现代宇宙学的新纪元。来自宇宙婴儿期的远古辐射已经成为一座金矿,其中蕴含了宇宙学家想要知道的几乎所有问题的答案。宇宙存在了多久?它的命运是什么?有多少物质和能量存在其中?

科学家可以在这些寒冷的余辉中找到宇宙诞生最初时刻留下的痕迹,微小变化以声波形式通过早期的“粒子汤”传播开来。如果没有这些微小的变化,宇宙就会从一个火球变成冷而均匀的空虚之地。我们知道这并没有发生,因为空间中充满了星系和星系团。背景辐射是平滑的,就像海洋表面是光滑的一样;但波浪近距可见,其间的波纹就揭示了早期宇宙的变化。

皮布尔斯一次又一次主导着对这些宇宙初期留下痕迹的解释。宇宙学家以惊人的准确性预测了背景辐射的变化,并展示出它们如何影响宇宙中的物质和能量。

第一个重大的观测突破出现在1992年4月,当时美国COBE卫星项目的主要研究人员展示了宇宙中第一束光线的图像,这一研究也使得美国科学家约翰·马瑟(John C. Mather)和乔治·斯穆特(George F. Smoot)获得了2006年诺贝尔物理学奖。而美国WMAP和欧洲Planck等卫星的观测数据逐渐完善了有关年轻宇宙的画像。正如预测的那样,背景辐射的均匀温度变化了千分之一度。随着精确度的提高,对宇宙中所含物质和能量的理论计算得到了证实,黑执事ova4其中95%对我们来说是不可见的。

暗物质和暗能量:宇宙学最大的谜团

自20世纪30年代以来,我们已经知道,我们所能看到的并不是宇宙的全部。对星系旋转速度的测量表明,它们必须通过看不见物质的引力而结合在一起,否则就会被撕裂开来。人们还认为,远在“粒子汤”放松对光子的控制之前,这种暗物质就在星系起源中发挥了重要作用。

暗物质的组成仍然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来科学家们一直认为,已知的中微子可以构成这种暗物质,但以几乎光速穿越空间的低质量中微子数量多得难以想象,其速度太快以至于无法凝聚在一起形成物质。相反,皮布尔斯在1982年提出,冷暗物质沉重而缓慢的粒子可以完成这项工作。我们仍在寻找这些未知的冷暗物质粒子,它们避免与已知物质相互作用,并占宇宙的26%。

根据爱因斯坦的广义相对论,空间的几何形状与引力相互关联:宇宙包含的质量和能量越多,空间就会越弯曲。在质量和能量的临界值下,宇宙不会弯曲。这种类型的宇宙中两条平行线永远不会相交,通常被称为平面宇宙。另外两种可能是物质太少而导致平行线最终发散的开放宇宙,或者物质太多导致平行线最终会交叉的封闭宇宙。

对宇宙微波背景辐射的测量,以及理论上的思考提供了一个明确的答案:宇宙是平的。然而,它所包含的物质只够31%的临界值,其中5%是普通物质,26%是暗物质。其余69%都不见了。皮布尔斯再次提供了一个激进的解决方案。1984年,他为恢复爱因斯坦的宇宙常数做出了贡献,这种虚空中的能量被命名为暗能量,占据了整个宇宙的69%。与冷暗物质和普通物质一起,它足以支持平面宇宙的理论观点。

14年来暗能量一直只是一个理论,直至1998年科学家发现宇宙在加速膨胀。这一成果也让苏尔·珀尔姆特(Saul Perlmutter)、布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)获得了2011年诺贝尔物理学奖。除了物质之外,一定有其他东西导致了宇宙日益快速的膨胀:一种未知的暗能量正在推动它。突然之间,这个理论补遗变成了可以在太空中观察到的现实。

暗物质和暗能量现在都是宇宙学中最大的谜团。两者只会通过对周围环境的影响来让为人所知:一个在拉,另一个在推。除此之外,人们对它们知之甚少。在宇宙的黑暗里隐藏着什么秘密?在未知的背后隐藏着什么新的物理学?在我们试图解开太空之谜的过程中,我们还会发现什么?

第一颗围绕另一个太阳运行的系外行星

大多数宇宙学家现在都同意,宇宙大爆炸模型是一个关于宇宙起源和演化的真实故事,尽管现在只知道宇宙物质和能量的5%。这一小片物质最终聚集在一起,形成了我们周围所见的一切:恒星、行星、树木和花卉,还有人类。只有我们在凝视宇宙吗?在绕另一个太阳运行的行星上还会存在生命吗?没有人知道。但我们现在知道,我们的太阳并不是唯一有行星的恒星,而且银河系数千亿颗恒星中的大多数也应该有伴随的行星。天文学家现在已经发现超过4000颗系外行星。奇怪的新世界已经被发现,和我们自己的行星系统完全不同。第一个被发现的系外行星是如此奇特,以至于几乎没有人相信它是真实存在的。这颗行星太大了,不该离它的主星如此之近。

米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)于1995年10月6日在意大利佛罗伦萨举行的天文学会议上宣布了他们的惊人发现。这是第一颗被证明围绕类日恒星运行的系外行星。这颗行星名为51Pegasi b,围绕它的恒星51Pegasi快速旋转,而这颗恒星距离地球50光年。51Pegasi b需要四个地球日的时间来完成一次公转,这意味着行星离这颗恒星很近,两者之间的距离只有800万公里。因此恒星将51Pegasi b加热到1000°C以上。相比之下,地球的情况要平静得多,地球绕太阳公转一周需要一年,距离太阳1.5亿公里。

图示:米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)首次发现系外行星

这颗新发现的行星也出人意料地大,这颗气态行星可以与太阳系最大的行星木星相媲美。木星的体积是地球的1300倍,重量是地球的300倍。根据先前关于行星系统是如何形成的想法,木星大小的行星应该是在远离其宿主恒星的地方产生的,因此需要很长时间才能完成一次公转。木星几乎需要12年的时间才能绕太阳一周,所以51 Pegasi b公转周期如此之短对系外行星观测者来说完全是一个惊喜,也从侧面说明他们此前找错了地方。

这个发现公布之后,美国天文学家保罗·巴特勒(Paul Butler)和杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)就将他们的望远镜对准了恒星51 Pegasi,并且很快就确认麦耶和奎洛兹的革命性发现。仅仅几个月后,他们又发现了两颗绕类日恒星运行的新系外行星。它们的公转轨道周期是如此之短,以至于天文学家不需要等待几个月或几年就能看到一颗系外行星围绕其恒星运行一周。现在他们有时间看着这些系外行星转了一圈又一圈。

它们怎么会离恒星如此之近?这个问题挑战了现有的行星起源理论,并导致了新理论的诞生,这些理论描述了巨大的气态行星是如何在恒星系统的边缘产生,然后向内围绕主星旋转。

改进方法取得的成果

追踪系外行星需要复杂的方法:行星本身并不发光,它们所反射的星光是如此微弱,以至于光芒会被主星的亮光所掩盖。研究小组用来寻找行星的方法被称为径向速度法,通过测量主星在受到其行星引力影响时的运动来实现。当行星围绕其恒星运行时,恒星也会有轻微移动,它们都会绕着共同的引力点移动。从地球上的观察点来看,恒星在视野中前后摆动。

这种径向速度可以用众所周知的多普勒效应来测量:当恒星朝向我们移动时,发出的光更蓝;如果物体离我们远去时,发出的光就更红。

因此,行星的影响将恒星光在蓝色和红色之间交替变化,天文学家用他们的仪器捕捉到的就是恒星光波长的变化。通过测量恒星光的波长,可以精确地确定颜色的变化,从而直接测量恒星的径向速度。

最大的挑战是径向速度非常低。例如,木星的重力使太阳以大约12米/秒的速度围绕整个太阳系的引力点移动。地球的影响只有0.09米/秒。如果要发现类似地球的行星,这就对设备的灵敏度提出了非常高的要求。为了提高精度,天文学家会同时测量数千个波长,并使用光谱仪将光分成不同的波长,这是这些测量的核心。

图示:自此之后,人类已经发现了4000多颗系外行星

20世纪90年代初,当奎洛兹在瑞士日内瓦大学开始他的研究生涯时,马西已经花了很多年研究恒星运动,并在其他研究人员的帮助下制造了自己的测量仪器。1977年,马西将他的第一台光谱仪安装在位于马赛东北100公里的上普罗旺斯高地天文台望远镜上。这部仪器将径向速度的下限拉低到300米/秒左右,但这仍然太高,看不到行星在拉扯其恒星。

此时的博士生奎洛兹被要求与研究小组一起开发更精确测量的新方法。他们利用了许多新技术,使得快速观察许多恒星并在现场分析结果成为可能。光纤可以将星光传送到光谱仪而不会失真,更好的数字图像传感器CCD提高了光谱仪的灵敏度,这些成果也使得查尔斯·高(Charles Kao),威拉德·博伊尔(Willard Boyle)和乔治·史密斯(George Smith)获得了2009年诺贝尔物理学奖。而功能更强大的计算机使科学家能够开发定制软件生成数字图像并进行数据处理。

当新的光谱仪在1994年春天完成时,使得能够观测到的径向速度下降到10到15米/秒,这也意味首次发现系外行星水到渠成。当时,寻找系外行星并不是天文学界的主流研究,但马西和奎洛兹决定宣布他们的发现。他们花了几个月时间完善他们的观测结果,并在1995年10月向世界展示他们发现的第一颗系外行星。

揭示了许多新世界

第一次发现围绕类日恒星运行的系外行星,开启了天文学的一场革命。

数以千计的未知新世界被发现。现在不仅地球上的望远镜能够发现新的行星系统,卫星也能够发现新的行星系统。美国太空望远镜“苔丝”目前正在扫描距离我们最近的20多万颗恒星,寻找类地行星。此前,开普勒太空望远镜带来了丰厚回报,发现了2300多颗系外行星。

除了径向速度法之外,现在天文学家还通过凌日测光法搜索系外行星。这种方法测量当一颗行星经过所属恒星前方时引起的光强变化。凌日测光法还使得天文学家能够观察这颗系外行星的大气层,因为来自恒星的光在到达地球之前会经过行星大气层。有时两种方法都可以使用;凌日测光法确定系外行星的大小,而径向速度法确定其质量。这样就有可能计算出系外行星的密度,从而确定其结构。

迄今为止发现的系外行星以其大小、形状和轨道之丰富令人难以置信。它们挑战了我们对行星系统的先入之见,并使得科学家不断修正关于行星起源背后物理过程的理论。随着大量寻找系外行星的计划得以成行,我们可能最终会找到是否有其他地外生命存在这个永恒问题的答案。

今年的诺贝尔物理学奖获奖者改变了我们对宇宙的看法。皮布尔斯的理论发现有助于我们理解宇宙在大爆炸后是如何演化的,而麦耶和奎洛兹则在寻找未知行星的过程中探索到了我们在宇宙中的邻居。他们的发现永远改变了我们对世界的看法。(编译/皎晗)

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