2019诺贝尔物理学奖解读|宇宙从何而来?人类将“流浪”到何

扬子晚报,10月8日(记者杨田字)——2019年诺贝尔物理学奖于北京时间10月8日17: 50宣布。詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·马约尔和迪迪尔·奎罗兹获得了该奖项。

今年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,他们对宇宙的结构和历史提出了新的认知观点,并首次发现了一颗围绕太阳系外类似太阳的恒星运行的行星。这些发现将改变我们对宇宙的看法。扬子晚报/牛子新闻特别邀请南京大学、中山大学和中国科学院国家天文台的专家详细讲解2019年诺贝尔物理学奖。

[:他的研究发现了宇宙的“活动代码”

2019年诺贝尔物理学奖的一半颁给了普林斯顿大学的詹姆斯·皮尔布斯,以表彰他在物理宇宙学领域的许多理论发现。中山大学物理与天文学院的冯龙龙教授在接受《扬子晚报》记者采访时,重点介绍了詹姆斯·皮尔布斯(James Pierbus)的“许多发现”:詹姆斯·皮尔布斯不仅解释了宇宙丰富多彩结构的起源和演化,而且是宇宙微波背景辐射的主要理论解释者。

微波背景辐射隐藏了宇宙的许多秘密。

“宇宙微波背景辐射”这个词不容易理解。它可以追溯到大爆炸后的38万年。宇宙已经变得透明,允许光子自由穿越宇宙。这些光子一直保留到今天。当红色移动到微波波段并被我们测量时,它就是“宇宙微波背景辐射”。

微波背景辐射隐藏了早期宇宙和宇宙演化的许多秘密,它的实验发现了一个“意外”。中山大学冯龙龙教授表示,最初从事无线电工作的两位美国无线电天文学家彭齐亚斯(penzias)和威尔逊(Wilson)在无线电信号调试期间发现,存在一种用任何方法都无法消除的噪声。彭齐亚斯和威尔逊甚至从微波线上清除鸽子粪便,但他们发现噪音仍然存在。这是宇宙大爆炸理论的创始人加莫夫最早的预言,也是普林斯顿大学迪克和皮尔布斯等人从理论上验证和寻找的大爆炸遗迹。通过对实验结果的仔细分析,他们最终证实了电气工程师偶然发现的无法消除的噪音是“宇宙微波背景辐射”!这项研究也为彭齐亚斯和威尔逊赢得了1965年诺贝尔物理学奖。然而,直到2019年,皮耶布斯才因为在物理宇宙学领域的许多理论发现“迟到”而获得诺贝尔奖。

宇宙微波背景被认为是大爆炸宇宙模型的重要预测。"大爆炸模型有三个基石:宇宙膨胀、早期核合成和宇宙微波背景辐射."冯龙龙教授告诉记者,这正是宇宙微波背景辐射研究的意义所在。

宇宙微波背景辐射隐藏在电视“雪花点”中

“宇宙微波背景辐射”的古老遗迹离我们不远。它充满了整个宇宙,一直围绕着我们。例如,冯龙龙曾经是一台旧电视机,是一个很好的“捕捉工具”。将旧电视机调到没有电视节目信号的频段。在雪花点的全屏幕上,每100个中就有一个是宇宙创造留下的信号。

“在詹姆斯·皮尔斯的宇宙学研究中,宇宙微波背景辐射的阐述只是他早期参与的重要成就之一。值得强调的是,他是宇宙大尺度结构形成和演化理论的先驱和先驱,也为早期宇宙中的核合成(元素起源)和暗物质等重要宇宙学理论的发展做出了重要贡献。”冯龙龙说,宇宙学在20世纪50年代是一门不受欢迎的学科,但今天,科学家们结合理论研究、大型天文观测设备和超级计算机,继续向我们解释宇宙深处的奥秘,但这也是宇宙中的“冰山一角”。我们常说“两个黑暗,一个黑色,三个起源”(两个黑暗:暗物质和暗能量,一个黑色:黑洞,三个起源:宇宙的起源,天体核生命的起源),仍然是本世纪未解之谜,仍在等待新的探索。

自20世纪70年代以来,中国天文学家逐渐进入宇宙学研究领域,并成为这个蓬勃发展的领域的参与者。冯龙龙表示,中国提出了一个基于lamost(大面积多目标光纤光谱望远镜的简称)的天空测量计划,即通过大型天文望远镜对太空中的恒星和星系进行“人口普查”,从而获得研究宇宙的巨大样本。拉莫特望远镜由中国科学院南京天文光学仪器研究所设计制造。

[:他们开启了人类探索太阳系外行星的新篇章]

2019年诺贝尔物理学奖的另一半颁给了一对老师和学生,日内瓦大学的米歇尔·迈耶和迪迪尔·奎罗兹。1995年,他们采用了一种新的方法来寻找一个与我们太阳系相似的行星系统,并发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的外行星。南京大学天文与空间科学学院的周继林教授告诉记者,在宇宙中“搜寻”行星并不容易。科学家痴迷于“搜寻”未知的行星,并充满了探索生命起源的渴望。

宇宙中的“猎星”就像在海里发现飞虫一样困难。

宇宙是巨大的。在宇宙中找到行星有多难?福克斯先生是智湖天文学的杰出回答,中国科学院国家天文台星云人才计划研究员、科普作家冉立通过智湖圆桌会议列出了一组数据:1781年以前,人类已知的主要行星数量为5颗。1920年,这个数字很难上升到8。然而,到2016年11月,人类发现的行星数量已经增加到3414颗,并且正在快速增长。

冉立说新增加的行星来自太阳系以外。找到这些行星并不容易。“我们可以考虑太阳系的情况。地球的直径只有太阳的1%,它的表面积是太阳的1/10000。我仍然记得航海家号在飞离太阳系之前拍了一张地球的自拍。在照片中,地球是一个非常暗淡的蓝点,在太阳光的照射下被湮灭,如果没有特别的提示,观察者很难认出它。旅行者号当时离太阳不到1光年,离太阳最近的半人马座比邻星也有4光年远,更不用说其他恒星了。”毫不夸张地说,在其他恒星周围寻找“地球”就像一个水手在海上航行,试图在远处的灯塔下观察一只飞行的昆虫一样困难。

获胜的队伍通过“线索”来“搜寻”行星

如何“捕捉”宇宙中的“飞虫”?南大的周继林教授介绍说米歇尔团队使用的观测方法叫做表观速度法。行星又小又暗,显然无法通过望远镜观察到。但是行星周围的恒星是更容易观察的“大灯泡”。由于重力作用,恒星围绕行星运动。天文学家可以通过测量行星对围绕它们运动的恒星的引力影响并捕捉“线索”来间接推断行星的存在。“但是恒星的移动速度比人类慢,从每秒几十米到不到1米,所以观测仪器的灵敏度非常高。”

周继林解释说,这个原理类似于多普勒效应。尽管后来出现了许多新的间接观测方法,但这种方法仍然是发现和识别系外行星最有成效的方法。

我们能找到生活在过去的地球“孪生兄弟”吗?

周继林说,日内瓦大学的米歇尔·迈耶和迪迪尔·奎罗兹可以说是第一个发现围绕主序星运行的第一颗太阳系外行星的“食蟹者”。上普罗旺斯天文台的这一突破性发现揭开了人类探索太阳系外行星的新篇章。

他们的研究也给我们带来了无限的联想:将来,我们真的能够在宇宙中找到地球的“孪生兄弟”并集体“移动”吗?周继林说,像地球这样的行星还没有被发现,它们可以围绕太阳以中等距离运动,适合包括人类在内的生物。然而,可以相信生命也应该存在于类似地球的行星上。很难看到的主要原因是这些行星非常暗,尽管它们离我们只有几十光年。以我们目前的飞机速度,基本上很难到达。到达亚光速飞船需要数百年的时间。

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