多次陪跑,天文学界“村上春树”终于拿诺奖了!

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北京时间10月8日,诺贝尔物理学奖揭晓。
今年的物理学奖再次开出“双黄蛋”——美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)的理论发现有助于我们理解大爆炸之后的宇
北京时间10月8日,诺贝尔物理学奖揭晓。

今年的物理学奖再次开出“双黄蛋”——美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)的理论发现有助于我们理解大爆炸之后的宇宙演化,瑞士日内瓦大学的米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)则在宇宙中的邻居那儿找到了未知行星。

诺贝尔委员会认为:他们的发现,永远地改变了我们对宇宙的认知。

个人简介:

詹姆斯·皮布尔斯,加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家,1935年4月25日生于加拿大曼尼托巴省温尼伯市,并在曼尼托巴大学获得学士学位,目前是普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学名誉教授。

米歇尔·麦耶,瑞士日内瓦大学教授。1942年1月12日出生于瑞士洛桑。他于1966年在洛桑大学获得物理学硕士学位,于1971年在日内瓦天文台获得天文学博士学位。

迪迪埃·奎洛兹于1966年出生于瑞士。1995年在瑞士日内瓦大学获得博士学位,目前是日内瓦大学和英国剑桥大学的教授。

专家解读

Q:获奖成果意义何在?能否给我们科普一下。

▲ 中国科学院国家天文台研究员陈学雷:

宇宙是如何演化到现在这个样子?普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯是系统回答了这个问题的人之一。

人们一直想研究宇宙的起源,在逐渐接受宇宙膨胀的概念之后,上溯上去,膨胀之前的宇宙是怎样的?这就不得不提到宇宙大爆炸理论,而宇宙微波背景辐射是大爆炸最主要的可观测后果和有力证明。

皮布尔斯是宇宙微波辐射的提出者之一,他在上世纪60年代前后提出了宇宙大爆炸中可能出现宇宙微波背景辐射。这一概念最早由伽莫夫和阿尔夫师徒提出,皮布尔斯不是最早的提出者,这可能是为什么他长时间以来没有获奖的原因,不过前面几位科学家都已去世。

但是,皮布尔斯不仅提出了这个想法,还做了很多深入的理论研究,比如微波背景辐射应该是怎么样的,宇宙在大尺度上的不均匀是怎样形成和演化的。他给出了详细的计算过程,讨论了非均匀的温度分布,一些计算方法至今仍然被人们使用。皮布尔斯还写了很多这方面的文章和著作,发展宇宙结构形成的理论。他的3本教科书成为该领域的标准参考书。皮布尔斯是一位大家,有广阔的视野。

2005年前后,我曾邀请他来华访问,想请他聊一聊对学科未来发展的想法,也希望我们的学生有机会跟他面对面。可惜因为种种原因未能成行。

不过皮布尔斯来过中国。我记得他说他来北京的时候,非常喜欢观鸟,如果有机会还想来北京观鸟。为此我还特地找了生物系的朋友,遗憾未能成行。

▲ 中国科学院国家天文台副研究员刘玉娟:

1995年10月,米歇尔·麦耶和他的学生迪迪尔·奎洛兹在《自然》杂志上宣布,他们发现了距离我们50光年的一颗行星。这成为类太阳系外行星的首个证据。

米歇尔•麦耶和迪迪埃•奎洛兹之所以能有这次发现,是因为探测精度得到极大的提高。这是一个人类认识系外天体的一个里程碑式的发展。

早在1992年,天文学家发现了两颗绕一颗脉冲星运转的行星。这并没有引起公众很大的振动,原因是其主星是一个脉冲星,密度特别大,其极端的环境基本不可能有生命的存在。人们关心地外生命,第一步首先需要发现系外行星,下面才有可能发现系外生命,乃至智慧生命。在恒星演化早期和晚期,恒星都不稳定,周围很难存在高级生命,只有类太阳星周围的行星,才有这种可能。

因此,两位诺奖得主是第一个在类太阳星周围发现了一颗系外行星,满足了人们想在太阳系之外找到系外行星的想象,为大家打开了一扇通往寻找系外生命的大门。

Q:听说有一位获奖者此前已经多次错过诺奖,是美国天文学界的“村上春树”?

▲ 中国科学技术大学天文系教授蔡一夫:

皮布尔斯是我们的一位伟大前辈。在大爆炸理论的雏形刚刚被提出的时候,他就参与到这个理论发展当中,并做出了几项影响深远的工作。但是在此之前,他已经多次和诺贝尔奖完美错过。

皮布尔斯第一个很重要的工作,是参与了预言宇宙微波背景辐射的存在。上世纪60年代的时候,皮布尔斯向美国政府提出要设计实验,在微波段寻找宇宙微波背景辐射。正在提出这个项目的时候,有两位无线电工程师找到他,说他们有一个意外的发现,不知道怎么解释。

皮布尔斯经过理论检验,发现那两位无线电工程师所发现的就是宇宙微波背景辐射。这项发现促成了这两位无线电工程师,阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊,于1978年获得了第一个微波背景辐射方面的诺贝尔物理奖。

上世纪70年代,现代宇宙学的理论研究转移到一些更加细节化的方向,包括暗物质的早期研究,以及宇宙大尺度结构。皮布尔斯和前苏联的两位科学家苏尼亚耶夫和泽尔多维奇共同搭建了宇宙大尺度结构最开始的理论框架性研究,预言了宇宙微波背景辐射可能存在着涟漪,并认为宇宙大尺度结构原始的种子,跟宇宙微波背景辐射温度的涟漪是有关系的。

1992年,NASA发射的宇宙微波背景辐射卫星COBE证实了宇宙微波背景辐射当中存在着涟漪的预言。2006年,诺贝尔物理奖授予了领导COBE项目的约翰•马瑟和乔治•斯穆特。皮布尔斯再次错过。

从上世纪90年代开始,皮布尔斯就把研究工作完全转移到了宇宙微波背景辐射和大尺度结构这些现代宇宙学的前沿领域,比如利用宇宙微波背景辐射对于中微子性质的一些检验限制。这次的诺贝尔奖应该是综合他一辈子的贡献,对于他促成了现代宇宙学的这门新兴学科的成立所给予的肯定。

Q:获奖者是否实至名归?

▲ 南京大学天文与空间科学学院副教授谢基伟:

2007年我们在苏州举办过一个系外行星的国际会议。麦耶也来了,我们也给他颁了奖。他在2005年还得过邵逸夫天文奖。在我们这个领域看来,他们得诺贝尔奖是迟早的事。

为什么是麦耶和奎洛兹首先发现类太阳系外行星?我个人觉得有两个原因。第一是技术原因。径向速度的恒星摆动只有几十米每秒,与高速路上的汽车大致相当,而把这个速度放到宇宙中,放在一颗恒星上,其实是非常慢、信号很弱的,所以探测起来很困难。麦耶和奎洛兹的发现不是突然和偶然的,也是经过不断地改良技术和提高精度,积累了很多观测经验才成功的。

另外我觉得有一点点运气和科研思路的原因。麦耶和奎洛兹之前,也有其他的团队达到这种技术和观测精度,但大部分人找系外行星的策略不太一样,都是按照太阳系的模型去做的,认为大行星的周期至少是以年为单位,预设了长周期的观念后去观测,所以迟迟没有找到。我不知道麦耶他们是怎么想到的,或许他们也没有预想到。

飞马座51b这颗星的一年只相当于地球上的4天,所以他们这一发现的不可思议之处在于,完全改变了人们的宇宙观,改变了人们对行星的认识。居然可以有这么一颗行星,它的周期这么短,离它的恒星那么的近,有多近?只有和地球和太阳之间距离的1/20。之前人们的思维可能有些固化,麦耶等人突破了这个固化,因此找到了。也正是从他们的突破开始,之后有了上百上千颗系外行星被发现,麦耶等人的成就相当于揭开了系外行星研究的序幕。

Q:宇宙学听起来离我们那么远,目前国内外的研究现状如何?

▲ 中国科学技术大学天文系教授蔡一夫:

对于用宇宙微波背景辐射来研究宇宙的起源演化,今天也到了一个新的时代,从过去我们从微波背景辐射的温度中寻找涟漪,到今天我们寻找极化信号、偏振信号,其中有一类E模偏振已经被找到了。

而未来的宇宙微波背景辐射实验,是去寻找原初的B模信号,这是和来自宇宙最早期的原初引力波是相关的。

很遗憾,由于中国在这方面的起步比较晚,在过去长达半个多世纪的时间里,我国的天文科学的这些研究也完美地错过了这些伟大的发现。但是今天,中国已经在引力波方面的进行了全面的布局,其中有一块就是对于宇宙原初引力波的寻找。期待在不久的将来,中国的天文学研究能够迎头赶上,做出重大发现。

▲ 中国科学院国家天文台副研究员刘玉娟:

从1995年至今,人类已经发现了4千多颗系外行星了。这个发现速度是非常快的。其中利用视向速度方法发现的有700多颗。另外一大贡献是开普勒卫星利用掩星的方法探测到的。包括前几年像“地球表兄弟”、“葫芦娃兄弟”这些发现让大家逐渐了解了系外行星。

系外行星的探测在欧美比较热门,很多人在研究,使用了各种仪器和方法去探测。在可居住带内发现类地行星,现在已经有几十颗了。我们想找到这种星,同时利用较高精度的探测设备对大气进行探测,找到是否有适合生命存在的成分,比如甲烷,水,臭氧等。这是目前比较热门的研究方向。

另外一个比较热门的就是大的探测项目,比如开普勒卫星发现了2000多颗系外行星,占了整个发现总量的一半多。

只有从这些大量的发现里面,才能够去统计各种性质和变化。国内做这块研究的目前不是很多,主要是因为设备比较欠缺,申请国外望远镜又比较困难,所以成果方面没有国际上产出多,但主流方法和先进性都是跟国际保持一致的。

也有几个不错的团队,如中科院国家天文台赵刚团队,用的也是跟米歇尔•麦耶和迪迪埃•奎洛兹一样的视向速度方法,在2008年利用中国的设备发现国内第一颗系外行星。

我们现在致力于设备升级改造,目标是探索超级地球、类地行星等。另外,南京大学周济林团队在南极放了小望远镜,利用凌星方法去探测系外行星。

(原题为《多次陪跑,天文学界“村上春树”终于拿诺奖了!》)

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