2019，诺贝尔物理学奖获得者回答宇宙终极问题

宇宙从哪里来？ 人类往哪里去？ 地球是不是唯一的家园？ 北京时间2019年10月8日17时50分许，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，2019 年诺贝尔物理学奖由美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles ）、瑞士日内瓦大学天文教授米歇尔·梅耶尔（Michel Mayor），以及他的学生迪迪埃·克罗兹（Didier Queloz）共同获得。 其中，詹姆斯·皮布尔斯因在“物理宇宙学方面的理论发现”获得 900 万瑞典克朗（约合人民币 697 万元）奖金中的一半，而米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹因“发现太阳系外绕日行星”而平分另外一半奖金。 听说自己获得诺贝尔奖的消息时，米歇尔·梅耶尔正在西班牙讲学，不断涌入的祝贺邮件让他在机场的快餐店里应接不暇，显得十分为难。 ▲图片来源：诺贝尔委员会 迪迪埃·克罗兹接到消息时，正在参加学术会议的路上，接下来等待他的可能是来自同行们的无数热情拥抱和祝福。 ▲图片来源：诺贝尔委员会 而另一位获奖者詹姆斯·皮布尔斯今年已经 84 岁了，在得奖之前，他已经在宇宙微波背景辐射领域工作了近六十年。 正是他多年以来的工作，成功地把物理宇宙学从抽象科学变成了一门能定量、能计算的科学。 ▲图片来源：诺贝尔委员会 之后，诺贝尔委员会在推特上总结到： “今年的诺贝尔物理学奖奖励了人们对宇宙结构、和宇宙历史的新认识，也奖励了人类首次发现的绕日行星。” 而这些发现，用他们的话来说，“永远地改变了人类对世界的观念”。

解读宇宙的历史

“宇宙是如何出现的？ ” 无论是科学哲学还是神学，人类都在不断追求这个究极问题的答案。 从“天地玄黄，宇宙洪荒”的混沌认识，到 1929 年美国物理学家埃德温·哈勃通过观测发现宇宙正在膨胀，人类的宇宙观在过去的一百年间不断被刷新颠覆。 而在过去的 50 年中，把宇宙学从推测科学变成一门可以定量计算的科学的关键人物之一，就是詹姆斯·皮布尔斯。 皮布尔斯的贡献很难用三两句话解释清楚，但正如物理学家 Sean Carroll 所说： “绝非夸张，现代宇宙学的一大部分是由皮布尔斯的脚注组成的。” 在每一项巨大的理论成就中，几乎都能看到皮布尔斯的身影。 60 年代，他与罗伯特·迪克（Robert Dicke）等人一起预测了宇宙微波背景（CMB）辐射； 根据他提出的模型，人们发现宇宙中存在着大量暗能量和暗物质； 他从 1960 年代中期开始发展出的理论框架，至今仍是构成我们当代宇宙观的基础。 ▲皮布尔斯的理论成果 而他的一系列贡献，构建了宇宙大爆炸框架和宇宙微波背景辐射理论的基础，为后来的科学家们指明了一条追溯宇宙起源的道路。 现在我们都知道，宇宙起源于大爆炸。 在大爆炸后不到40万年的时间，宇宙开始变得透明，光终于能够在空间中自由地穿梭。 大爆炸结束后，宇宙中留下了大量的热辐射（宇宙微波背景辐射），这些热辐射扩散在整个宇宙中，随宇宙不同阶段的发展而变化，成为了宇宙生长而形成的“年轮”。 因此，宇宙微波背景辐射在现代，就成为了精确测量宇宙学的关键。 德国马克斯普朗克天体物理研究所 Torsten Enlin 博士曾这样形容宇宙微波辐射： “宇宙微波背景是我们宇宙中最古老的光，当宇宙刚刚 380,000 岁时就刻在了天空上。它显示出微小的温度涨落，对应着局部密度的细微差异，代表着所有未来的结构，是当今的恒星与星系的种子。” 通过观测微波背景辐射，我们可以推断出宇宙的过去： 从宇宙最初极高速的爆炸，到转入所谓热大爆炸，再到逐渐冷却、形成第一代的恒星和星系、形成今天的宇宙……微波背景辐射的角功率谱上，忠实地记录着这一切。 然而，皮布尔斯解答了一些问题，却留给了我们更多的迷。 根据他的模型，从宇宙微波背景中，科学家推测出了宇宙的成分： 构成行星和人类的普通物质仅占宇宙总物质量的 5%，剩下的是 26% 的暗物质和 69% 的暗能量。 它们究竟是什么？ 又怎样影响着人类的生活？ 这将是这是现代物理学要面对的下一个挑战。

地球的胞兄

美国天文学家、科幻作家卡尔·萨根坚信宇宙中不止一个地球，他说道： “如果上帝只为人类创造了这么大的一个宇宙，那也太浪费空间了。 ” 30 年之后 ，这个迷思终于被米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹的观测证实了。 1995年10月6日，米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹在《自然》杂志上发表文章，宣称他们利用径向速度法，通过普罗旺斯天文台的埃洛迪摄谱仪发现了一颗地外行星，即 “飞马座 51b”(51 Pegasi b)。 这是人类首次在一颗与太阳相似的恒星周围发现行星。 这颗行星的质量下限差不多是地球的 150 倍，表面有大气，整体呈红热状态。 最重要的是飞马座 51b 所环绕的恒星与太阳非常相似： 大小相近而且正值壮年。 而之前，天文学家观测到的母恒星不是已经死亡的脉冲星，就是步入暮年的红巨星。 他们的发现在天文学界掀起了一场革命，迫使天文学家们重新考虑自己的观测方向、更新旧有的行星形成理论。 在此之后，天文学家又发现了 4000 多颗地外行星，其中包括位于半人马座、距离地球 4.2 光年的宜居星球“比邻星b”，距离地球 39 光年的“七星绕日”系统 TRAPPIST-1，以及表面存在大气和水的 K2-18b。 根据现有的数据估算，在银河系中类似地球的行星可能有 110 亿颗，其中的一颗可能就是人类未来的新家。 詹姆斯·皮布尔斯的理论发现让我们得知了暗物质的存在，而米歇尔·梅耶尔和迪迪埃·克罗兹则在观测未知行星的过程中第一次发现了我们的近邻们。 因为这三人的成就，当我们再次审视宇宙，视角已与前人完全不同。 *本文版权归“PingWest品玩”公众号所有，未经授权严禁转载。

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