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84岁天文学家终获诺奖,在他之前,研究宇宙基本靠猜

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出品:科普中国

制作:鱼长弓(关西科健产业研究院)

监制:中国科学院计算机网络信息中心

2019年诺贝尔物理学奖的一半授予美国物理学家和理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),以表彰其在宇宙物理学的理论发现中做出的突出贡献。

来来,看一下什么叫“突出贡献”。皮布尔斯做了大量工作使得物理宇宙学成为严肃的、定量的物理学分支,他为宇宙学中几乎所有的现代研究奠定了基础,包括理论和观测,将一个高度猜测性的领域变成了一门精密的科学。

毫不夸张的说,咱们普通人能说的出来的跟宇宙学相关的词,什么宇宙大爆炸、星系红移、暗物质,都跟他的研究有关!

詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)

他的贡献有多大?一句话:将宇宙学从推测转变为科学

宇宙学是研究宇宙起源和进化的一门学科,过去的五十年是宇宙学的黄金时代。上世纪60年代,宇宙学从推测转变为科学,而推动这一转变的关键人物就是詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles),他的发现将宇宙学牢牢地安置在科学地图上,丰富了整个研究领域。他的第一本书《物理宇宙学》(1971年)启发了新一代的物理学家。

“我们来自何处,又将往去何处?”这是一个永恒的问题。在信仰和意义之外,宇宙学为人类提供了一种解答问题的新思路。直到近一百年,人类才有了对宇宙演化的科学描述。在此之前,宇宙被认为是静止的和永恒的。但早在上世纪20年代,天文学家发现,所有星系都彼此远离,并且在远离我们,这意味着宇宙在成长。现在的我们知道,今天的宇宙与昨天的宇宙不同,而明天的宇宙又将和今天的宇宙不同。

下面咱们就详细说说皮布尔斯的几个重要贡献。

贡献一:推动让爱因斯坦后悔不已的宇宙常数重返宇宙学。1916年,爱因斯坦的广义相对论已经预言了天文学家在太空中所看到的一切,这一理论现在也已经成为所有有关宇宙的大规模计算的基础。

不过当爱因斯坦发现该理论得出的结论是空间在扩大时,他在方程式中添加了一个常数(宇宙常数),该常数将抵消重力的影响并使宇宙静止不动。

而十多年后,科学家观察到了宇宙膨胀,确认宇宙并非静止的,也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。不过,他不知道的是,宇宙学常数会在20世纪80年代,通过詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)的贡献,重返宇宙学。

贡献二:从宇宙的第一缕光芒里寻找宇宙诞生的秘密

宇宙的膨胀就意味着过去的它更密集,更热。在20世纪中叶,我们称宇宙的诞生为“大爆炸”。没有人知道一开始的实际情况,但是早期的宇宙充满了紧凑、热和不透明的粒子,如同一碗汤。

经过将近40万年的冷却,这种原始汤冷却到几千摄氏度。原始粒子能够结合,形成主要由氢和氦原子组成的透明气体。紧接着光子开始自由移动,光得以在太空中传播。宇宙的第一缕光线直到现在仍然充满着宇宙。空间的扩展拉伸了可见光波,因此它们最终进入了波长为几毫米的微波范围,这也就是宇宙微波背景辐射。

1964年,两位美国射电天文学家(1978年诺贝尔奖获得者亚诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊)偶然抓住了宇宙诞生的光芒。但他们无法摆脱天线从太空各处拾取的恒定“噪声”,因此他们在其他研究人员的研究中寻求解释,其中包括詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)。当皮布尔斯(Peebles)意识到辐射的温度可以提供有关在大爆炸中产生多少物质的信息时,现代宇宙学的新纪元开始了。

宇宙中起源于婴儿期的古老辐射已经变成了一个金矿,它几乎包含了所有宇宙学家想要知道的一切的答案。

“宇宙多大了?它的命运是什么?存在多少物质和能量?”科学家们可以从这些余辉中找到宇宙最初的痕迹。如同海浪反映着海洋的变动,这些涟漪(微波)揭示了早期宇宙的变化。

詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)引领了对这些最早的宇宙时代的化石遗迹的解释。宇宙学家能够以惊人的准确性预测背景辐射的变化,并展示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发生在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,欧洲planck逐渐完善了这一图像。

Plank卫星绘制的最新最高分辨率宇宙微波背景辐射图(图片来源:ESA/NASA/JPL-Calteck)

贡献三:理论证实暗物质和暗能量的存在

暗物质的组成仍然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来,科学家一直相信,已知的中微子可能构成这种暗物质。但中微子速度过快而无法将物质凝聚到一起。1982年,皮布尔斯(Peebles)提出,冷的暗物质中重而慢的颗粒可以完成这个任务。

直到今天,我们仍在寻找冷暗物质中的这些未知粒子。

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,弯曲的空间就越多。在质量和能量的临界值下,宇宙不会弯曲。我们称这种类型的宇宙为平坦宇宙。

宇宙微波背景辐射的测量以及理论上的考虑提供了明确的答案——宇宙是平坦的。但是,它所包含的物质仅足以满足临界值的31%,其中5%是普通物质,26%是暗物质,还有69%失踪了。 詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)再次提出了一个解决方案。使用皮布尔斯提出的理论模型,可以通过计算预测宇宙的形状以及其中所包含的物质和能量(下图)。而他的计算与之后的背景辐射测量非常吻合。从计算结果中,还可以得出一个结论,如果宇宙的31%(5%+ 26%)由物质组成,那么剩下的69%,必须是暗能量才能满足对平坦宇宙的要求。

背景辐射(图片来源:https://www.nobelprize.org)

所以,毫不夸张地说,詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)对物理宇宙学的研究和见解丰富了整个研究领域。他的理论框架自1960年代中期发展起来,奠定了当代宇宙学基础。

现在,暗物质和暗能量都已成为宇宙学中最大的谜团。宇宙的暗面隐藏着什么秘密?未知背后隐藏着哪些新的物理学?在解决空间奥秘的尝试中,我们还会发现什么呢?

辽阔的宇宙等待着我们去探索,无穷的真理让我们孜孜追求。再一次,向皮布尔斯致敬,向探寻真理、探索宇宙的前辈们致敬!

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