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今年的诺贝尔物理学奖,属于三位“谢尔顿”吗?

来源:QQ快报
责任编辑:鲁晓倩
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四个多月前,讲述四位科学家故事的知名美剧《The Big Bang Theory(生活大爆炸)》最后一集宣布正式杀青。四个月后,举世瞩目的诺贝尔奖物理学奖花落真正的The Big Bang Theory(宇宙大爆炸论)相关研究——

授予加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士天文学家米歇尔·梅耶(Michel G. E.Mayor)和瑞士天文学家迪迪埃尔·克罗兹(Didier Queloz),以表彰他们在理解宇宙进化上作出的卓越贡献——因为他们的工作,人类重新认识了自身在宇宙中的位置。

加拿大裔美国物理学家和理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士天文学家米歇尔·梅耶(Michel G. E.Mayor)和瑞士天文学家迪迪埃尔·克罗兹(Didier Queloz)

“那不就是三位谢尔顿吗?”诺奖消息的热门评论中,有网友这么调侃。谢尔顿,那部美剧中知名的理论物理学家角色。

带着好奇心,我们走进三位获奖者的科学人生,看看他们对宇宙,做了些什么?

由“鸽子粪问题”开启的宇宙学

“第一反应,挺惊讶的。”上海大学物理系葛先辉教授说,因为詹姆斯·皮布尔斯的领域是宇宙探索,米歇尔·梅耶和迪迪埃尔·克罗兹的研究是系外行星探索。在普通人眼中“不是差不了多少嘛”的两者,在专业研究者眼中,差别很大。“前者是关于宇宙的起源,后者事关生命的起源,有没有地外生命。”葛教授说。

在早期天文研究中,关于宇宙的起源,有两种观点,恒态宇宙和宇宙大爆炸理论。有的科学家支持稳恒态宇宙学说,即宇宙并没有创始点,所以物质不会在过去某个时间点突然形成,没有人能够证明宇宙存在起点,它完全就是一个理论概念。

1965年,宇宙大爆炸理论,因为宇宙微波背景辐射的发现,得到了新的支持,而此次获奖的皮布尔斯就是该领域的专家。

1965年,贝尔实验室的两位工程师意外地发现了宇宙最早的光。他们在波长为7.35厘米的长波段发现了温度为3.5K的不明信号。这个信号非常特别,无论你如何改进探测仪器,它永远如影随形,不可消除。这个信号甚至与时间无关,与空间无关。也就是说,在任何季节,这个信号存在,在天空的任何方向,这个信号也存在。工程师们刚开始以为,这事情真是见鬼了,他们甚至专门清除了微波天线上的鸽子粪,但这个神秘信号依然存在。

于是他们把观测结果写了一个1000字的文章发表出去了,意思在排除了微波天线上的鸽子粪以后,这些信号依然存在,他们指出这个神秘信号是来自远处的辐射背景。但具体是什么需要得到科学家的解释。

在同一期的《天体物理杂志》上,普林斯顿大学的科学家迪克(现已离世)和皮布尔斯也详尽地讨论了这一信号的宇宙学意义:这个信号可能来自宇宙大爆炸。

这项工作解释了宇宙微波背景辐射的本质,开启了一个宇宙学研究的新时代,使其真正成为一门严肃的自然科学学科。

有意思的是,这两位工程师彭奇亚斯和威尔逊,于1978年获得诺贝尔奖。而皮布尔斯的诺奖,于41年后,姗姗来迟。

作为领域的开创者,詹姆斯·皮布尔斯在上世纪60年代就已经成为了学界“大咖”,但他的个性却十分“低调”。中国国家天文台研究员陈学雷说,他曾经和詹姆斯·皮布尔斯在宇宙学相关会议中有过几次接触,还曾想请皮布尔斯来到中国。当时他发现,皮布尔斯是一个朴实、谦逊、工作非常认真的人。“我和他谈话时,发现他不喜欢高谈阔论,而是看问题较为深入,做事脚踏实地。”陈学雷说。

据陈学雷介绍,詹姆斯·皮布尔斯在背景辐射理论、结构形成理论等方面都做了重要的研究工作,可以说是宇宙学的“集大成者”。直到现在,他仍没有停止科研的脚步,在物理宇宙学研究中仍十分活跃。

华东师范大学理论物理研究所薛迅教授看来,皮布尔斯这次获得诺贝尔奖,不只是颁给某一项发现,而是对他在宇宙物理学领域的贡献颁发的荣誉奖项。这位专家当时还曾独立地认识到,天文学家观测到的轻元素及其同位素,尤其是氢、氘以及氦4的化学丰度需要由大爆炸理论来解释。

《流浪地球》的想象起源?

此次,另一半奖项授予了日内瓦大学教授米歇尔·马约尔和日内瓦大学兼剑桥大学教授迪迪埃·奎洛斯,理由是发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星。

日内瓦大学教授米歇尔·马约尔

什么是系外行星?据了解,系外行星泛指在太阳系以外的行星。历史上,天文学家一般相信在太阳系以外存在着其它行星,然而它们的普遍程度和性质则是一个谜。直至1995年,米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛斯首次发现第一个环绕类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b,这也是人类发现的第一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星。

“这个发现之所以重要,是因为这为人类移居太空提供了可能。”薛迅告诉记者,相比观测方法而言,这项发现在科学意义上更为重要。这也意味着,如果像《流浪地球》中一样,地球变得不适合人类生存,人类还可以选择其他恒星系统中的系外行星。

为何直到90年代,人类才首次确认系外行星的存在?薛迅表示,这和现在光学望远镜性能的提升不无关系。“隔着一个恒星观测其他行星非常困难,只能通过周期性的变化来判断。这往往需要经年累月地细心寻找,在万千个数据中筛选出可能。天文学是一个需要毅力的学科。”好在,通过光学望远镜,科学家目前发现系外恒星的速度正在加快。自2002年起,每年都有超过20个新发现的系外行星,现时估计不少于10%类似太阳的恒星都有行星的存在。

其实,早在2015年,复旦大学物理系教授施郁,就预言了这一发现将获得诺奖。不过这次“应验”从某种程度上说,似乎还打破了他自己总结的“规律”。

早在2009年,施郁教授就撰文指出,诺贝尔物理学奖在粒子、凝聚态、原子分子光(简称原分光)和天体几个主要领域的轮换。在不少专家眼中,诺奖不仅是科学家个人的荣誉,更代表着业内对专业方向发展的认可和期待。

如今,学界不少人,也挺接受这一“规律”,此前大都看好今年的物理学奖授予粒子物理或场论,因为“轮到了”。前年是天文物理相关的引力波获奖,今年再摘桂冠的天文物理领域研究,虽然实至名归,倒颇有些“黑马”之姿。

不过,无论如何,这些诺奖的“小八卦”既保持了科学史的严肃性,也给普通人了解科学平添一份欢乐。

随着人类科学技术的发展,探究宇宙的目光,将望向更深更远的天空。而关于物理学,科学家们正在书写更多故事,创造更多传奇。

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