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葡京网站;官方权威解读全文出炉:一文读懂诺贝尔物理奖!

2019-10-08 23:06

[摘要]本年的诺贝尔奖物理奖,葡京网站;表彰科学家们在人类了解宇宙演化史和地球在宇宙中所处位置而做的奉献。

【腾讯科技编者按】北京工夫10月8日音讯,2019年诺贝尔物理学奖被授予詹姆斯?皮布尔斯(James Peebles)、米歇尔·麦耶(Michel Mayor)以及迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz),以表彰他们在人类了解宇宙演化史和地球在宇宙中所处位置而做的奉献。

此中一半奖金授予美国普林斯顿大学的皮布尔斯,以表彰他在物理宇宙学方面的实践奉献;另一半授予瑞士日内瓦大学的麦耶和英国剑桥大学的奎洛兹,以表彰他们发现了一颗围绕类日恒星运行的系生手星。

以下是诺奖官网的权威解读

关于地球在宇宙中所处位置的新见解

2019年诺贝尔物理学奖旨在表彰科学家对宇宙构造和汗青的新见解,以及首次发现围绕类日恒星运行的系生手星。本年的获奖者为答复关于我们存在的根本问题做出了奉献。宇宙初期发生了什么,接下来又将发生什么?会不会有其他行星围绕着相似于太阳的其他恒星运行?

詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)与领有数十亿个星系和星系团的宇宙展开了比赛。他的实践框架起源于20世纪60年代中期,已经开展了20多年,是我们现代宇宙不都雅的根底。皮布尔斯的发现使人类对宇宙状况有了更深化的认识,此中已知物质只占宇宙中所有物质和能量的5%,其冷炙95%都隐藏此中。这对于当代物理学来说是一个谜,也是一个挑战。

米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)则在探究我们的家乡银河系,从中寻找未知的世界。1995年,他们首次发现了一颗围绕类日恒星运行的系生手星。他们的发现倾覆了我们对这些稀罕世界的固有看法,并引发了天文学汗青上的革命。迄今为止人类所发现的4000多颗系生手星情势之丰硕令人难以置信,此中大多数行星体系和我们完全差别。这些发现导致钻研职员不停修改关于行星起源背后物理过程的新实践。

宇宙大爆炸的起源

过去50年是钻研宇宙起源和进化的宇宙学的黄金时代。20世纪60年代的钻研奠定了将宇宙学从揣测转向科学的根底。这一转变中的关键人物是皮布尔斯,其决定性发现将宇宙学牢牢地置于科学领域之中,丰硕了整个钻研领域。他出版的第一本书《物理宇宙学》(1971)鼓励了整整一代的物理学家。其不但通过实践思虑,还通过不都雅察和测量为该宇宙学的开展做出了奉献。科学和其他任何东西都不能答复关于我们从哪里来和我们要到哪里去这种永久问题,但宇宙学却开脱了诸如信仰和意义等报答概念。这照应了阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)上世纪初的话: 世界永久的谜就是它的可知性。

宇宙的故事是关于宇宙演化的科学阐述,直到比来一百年才为人所知。长期以来人们都以为宇宙是静止和永久的,但在20世纪20年代,天文学家发现所有的星系都在远离互相,远离我们。宇宙在成长。我们现在知道今天的宇宙与昨天的差别,来日诰日宇宙也会愈加差别。

早在1916年,爱因斯坦的广义相对论就已经预言过了天文学家在天空中看到的东西,现在这一实践已经成为关于宇宙所有大规模计算的根底。当爱因斯坦发现广义相对论得出空间正在膨胀的结论时,他在方程中增多了一个常数(宇宙常数),这将抵消重力的影响,使宇宙静止不动。十多年后,一旦不都雅察到宇宙的膨胀,就不再必要这个常数了。爱因斯坦以为这是他一生中最大的谬误。他并不知道宇宙常数会在20世纪80年代通过皮布尔斯的奉献辉煌地回归宇宙学。

图示:皮布尔斯在物理宇宙学方面做出的实践奉献

宇宙中的第一束光线

宇宙膨胀实践意味着宇宙曾经密度更大,温度更高。在20世纪中叶,宇宙的诞生被定名为“宇宙大爆炸”。没有人知道一起头到底发生了什么,但是初期的宇宙是一锅火热、致密的“粒子汤”,此中的轻粒子光子在其间来回反弹。

这锅汤冷却到几千摄氏度花了将近40万年的工夫。最初的粒子彼此连系,造成主要由氢原子和氦原子组成的透明气体。光子现在起头可以自由挪动,使得光可以在空间中传播。如许以来第一束光线就充满了整个宇宙。空间的不停膨胀拉长了可见光波,所以其最终成为波长只要几毫米的不成见微波。

1964年,两位美国射电天文学家第一次无意偶尔捕捉到宇宙诞生时的光芒。这就是1978年诺贝尔奖得主阿尔诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)。他们无法消弭天线从太空中任何地方领受到的持续不停 “噪音”,所以不得不在其他钻研职员的工作中寻找解释,而皮布尔斯也已经对这种无处不在的配景辐射停止了实践计算。近140亿年后,配景辐射的温度已经降落到接近绝对零度(-273°C)。当皮布尔斯意识到配景辐射的温度能够提供关于宇宙大爆炸中发明了多少物质的信息时,宇宙学的严重打破随之而来,并使得我们体会到这种光对物质后来若何汇集造成现在太空中的星系和星系团起到了决定性的作用。

微波配景辐射的发现创始了当代宇宙学的新纪元。来自宇宙婴儿期的远古辐射已经成为一座金矿,此中蕴含了宇宙学家想要知道的简直所有问题的谜底。宇宙存在了多久?它的运气是什么?有多少物质和能量存在此中?

科学家能够在这些凛冽的冷炙辉中找到宇宙诞生最初时刻留下的痕迹,藐小改革以声波情势通过早期的“粒子汤”传播开来。若是没有这些藐小的改革,宇宙就会从一个火球酿成冷而均匀的空虚之地。我们知道这并没有发生,由于空间中充满了星系和星系团。配景辐射是腻滑的,就像海洋外貌是润滑的一样;但海浪近距可见,其间的波纹就提醒了早期宇宙的改革。

皮布尔斯一次又一次主导着对这些宇宙初期留下痕迹的解释。宇宙学家以惊人的精确性预测了配景辐射的改革,并展示出它们若何影响宇宙中的物质和能量。

第一个严重的不都雅测打破出现在1992年4月,其时美国COBE卫星项目的主要钻研职员展示了宇宙中第一束光线的图像,这一钻研也使得美国科学家约翰·马瑟(John C. Mather)和乔治·斯穆特(George F. Smoot)取得了2006年诺贝尔物理学奖。而美国WMAP和欧洲Planck等卫星的不都雅测数据逐渐完满了有关年轻宇宙的画像。正如预测的那样,配景辐射的均匀温度改革了千分之一度。随着切确度的进步,对宇宙中所含物质和能量的实践计算得到了证实,此中95%对我们来说是不成见的。

暗物质和暗能量:宇宙学最大的谜团

自20世纪30年代以来,我们已经知道,我们所能看到的并不是宇宙的全数。对星系改变速率的测量剖明,它们必需通过看不见物质的引力而连系在一路,不然就会被扯破开来。人们还以为,远在“粒子汤”放松对光子的控制之前,这种暗物质就在星系起源中发挥了重要作用。

暗物质的组成依然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来科学家们不断以为,已知的中微子能够构成这种暗物质,但以简直光速穿越空间的低质量中微子数量多得不行思议,其速率太快以致于无法凝聚在一路造成物质。相反,皮布尔斯在1982年提出,冷暗物质沉重而缓慢的粒子能够完成这项工作。我们仍在寻找这些未知的冷暗物质粒子,它们禁止与已知物质彼此作用,并占宇宙的26%。

依照爱因斯坦的广义相对论,空间的几何形状与引力彼此接洽关系:宇宙包罗的质量和能量越多,空间就会越弯曲。在质量和能量的临界值下,宇宙不会弯曲。这品种型的宇宙中两条平行线永远不会相交,通常被称为平面宇宙。别的两种可能是物质太少而导致平行线最终发散的开放宇宙,或者物质太多导致平行线最终会穿插的封闭宇宙。

对宇宙微波配景辐射的测量,以及实践上的思虑提供了一个明利剑的谜底:宇宙是平的。然而,它所包罗的物质只够31%的临界值,此中5%是通俗物质,26%是暗物质。其冷炙69%都不见了。皮布尔斯再次提供了一个激进的处理计划。1984年,他为恢复爱因斯坦的宇宙常数做出了奉献,这种虚空中的能量被定名为暗能量,占据了整个宇宙的69%。与冷暗物质和通俗物质一路,它足以支持平面宇宙的实践不都雅点。

14年来暗能量不断只是一个实践,直至1998年科学家发现宇宙在加速膨胀。这一成果也让苏尔·珀尔姆特(Saul Perlmutter)、布莱恩·施密特(Brian Schmidt)和亚当·里斯(Adam Riess)取得了2011年诺贝尔物理学奖。除了物质之外,必然有其他东西导致了宇宙日益快速的膨胀:一种未知的暗能量正在鞭策它。忽然之间,这个实践补遗酿成了能够在太空中不都雅察到的实际。

暗物质和暗能量现在都是宇宙学中最大的谜团。两者只会通过对四周状况的影响来让为人所知:一个在拉,另一个在推。除此之外,人们对它们知之甚少。在宇宙的暗中里隐藏着什么奥妙?在未知的背后隐藏着什么新的物理学?在我们试图解开太空之谜的过程中,我们还会发现什么?

第一颗围绕另一个太阳运行的系生手星

大多数宇宙学家现在都同意,宇宙大爆炸模型是一个关于宇宙起源和演化的真实故事,只管现在只知道宇宙物质和能量的5%。这一小片物质最终汇集在一路,造成了我们四周所见的一切:恒星、行星、树木和花卉,还有人类。只要我们在凝睇宇宙吗?在绕另一个太阳运行的行星上还会存在生命吗?没有人知道。但我们现在知道,我们的太阳并不是惟一有行星的恒星,并且银河系数千亿颗恒星中的大多数也应该有随同的行星。天文学家现在已经发现超过4000颗系生手星。稀罕的新世界已经被发现,和我们自身的行星体系完全差别。第一个被发现的系生手星是如斯共同,以致于简直没有人信任它是真实存在的。这颗行星太大了,不应离它的主星如斯之近。

米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)于1995年10月6日在意大利佛罗伦萨举行的天文学会议上颁布颁发了他们的惊人发现。这是第一颗被证明围绕类日恒星运行的系生手星。这颗行星名为51Pegasi b,围绕它的恒星51Pegasi快速改变,而这颗恒星间隔地球50光年。51Pegasi b必要四个地球日的工夫来完成一次公转,这意味着行星离这颗恒星很近,两者之间的间隔只要800万公里。因而恒星将51Pegasi b加热到1000°C以上。比拟之下,地球的环境要恬静得多,地球绕太阳公转一周必要一年,间隔太阳1.5亿公里。

图示:米歇尔·麦耶(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)首次发现系生手星

这颗新发现的行星也出人预料地大,这颗气态行星能够与太阳系最大的行星木星相媲美。木星的体积是地球的1300倍,重量是地球的300倍。依照先前关于行星体系是若何造成的设法,木星大小的行星应该是在远离其宿主恒星的地方产生的,因而必要很长工夫能力完成一次公转。木星简直必要12年的工夫能力绕太阳一周,所以51 Pegasi b公转周期如斯之短对系生手星不都雅测者来说美全是一个惊喜,也从侧面申明他们此前找错了地方。

这个发现公布之后,美国天文学家保罗·巴特勒(Paul Butler)和杰弗里·马西(Geoffrey Marcy)就将他们的千里镜瞄准了恒星51 Pegasi,而且很快就确认麦耶和奎洛兹的革命性发现。仅仅几个月后,他们又发现了两颗绕类日恒星运行的新系生手星。它们的公转轨道周期是如斯之短,以致于天文学家不必要等待几个月或几年就能看到一颗系生手星围绕其恒星运行一周。现在他们有工夫看着这些系生手星转了一圈又一圈。

它们怎么会离恒星如斯之近?这个问题挑战了现有的行星起源实践,并导致了新实践的诞生,这些实践描述了庞大的气态行星是如安在恒星体系的边沿产生,然后向内围绕主星改变。

改进方法获得的成果

追踪系生手星必要复杂的方法:行星本人并不发光,它们所反射的星光是如斯微弱,以致于光芒会被主星的光亮所掩饰覆盖。钻研小组用来寻找行星的方法被称为径向速率法,通过测量主星在受到其行星引力影响时的运动来实现。当行星围绕其恒星运行时,恒星也会有细微挪动,它们都会绕着配合的引力点挪动。从地球上的不都雅察点来看,恒星在视野中前后摆动。

这种径向速率能够用众所周知的多普勒效应来测量:当恒星朝向我们挪动时,发出的光更蓝;若是物体离我们远去时,发出的光就更红。

因而,行星的影响将恒星光在蓝色和红色之间交替改革,天文学家用他们的仪器捕捉到的就是恒星光波长的改革。通过测量恒星光的波长,能够切确地确定颜色的改革,从而直接测量恒星的径向速率。

最大的挑战是径向速率十分低。比方,木星的重力使太阳以大约12米/秒的速率围绕整个太阳系的引力点挪动。地球的影响只要0.09米/秒。若是要发现相似地球的行星,这就对设施的敏锐度提出了十分高的要求。为了进步精度,天文学家会同时测量数千个波长,并利用光谱仪将光分成差别的波长,这是这些测量的核心。

图示:自此之后,人类已经发现了4000多颗系生手星

20世纪90年代初,当奎洛兹在瑞士日内瓦大学起头他的钻研生活生计时,马西已经花了良多年钻研恒星运动,并在其他钻研职员的帮部下制造了自身的测量仪器。1977年,马西将他的第一台光谱仪安放在位于马赛东北100公里的上普罗旺斯高地天文台千里镜上。这部仪器将径向速率的下限拉低到300米/秒摆布,但这依然太高,看不到行星在拉扯其恒星。

此时的博士生奎洛兹被要求与钻研小组一路开发更切确测量的新方法。他们使用了许多新手艺,使得快速不都雅察许多恒星并在现场剖析结果成为可能。光纤能够将星光传送到光谱仪而不会失真,更好的数字图像传感器CCD进步了光谱仪的敏锐度,这些成果也使得查尔斯·高(Charles Kao),威拉德·博伊尔(Willard Boyle)和乔治·史女士(George Smith)取得了2009年诺贝尔物理学奖。而功能更强大的计算机使科学家可以开发定制软件天生数字图像并停止数据解决。

当新的光谱仪在1994年春天完成时,使得可以不都雅测到的径向速率降落到10到15米/秒,这也意味首次发现系生手星瓜熟蒂落。其时,寻找系生手星并不是天文学界的主流钻研,但马西和奎洛兹决定颁布颁发他们的发现。他们花了几个月工夫完满他们的不都雅测结果,并在1995年10月向世界展示他们发现的第一颗系生手星。

提醒了许多新世界

第一次发现围绕类日恒星运行的系生手星,开启了天文学的一场革命。

数以千计的未知新世界被发现。现在不但地球上的千里镜可以发现新的行星体系,卫星也可以发现新的行星体系。美国太空千里镜“苔丝”目前正在扫描间隔我们比来的20多万颗恒星,寻找类地行星。此前,开普勒太空千里镜带来了丰厚回报,发现了2300多颗系生手星。

除了径向速率法之外,现在天文学家还通过凌日测光法搜寻系生手星。这种方法测量当一颗行星经过所属恒星火线时引起的光强改革。凌日测光法还使得天文学家可以不都雅察这颗系生手星的大气层,由于来自恒星的光在达到地球之前会经过行星大气层。有时两种方法都能够利用;凌日测光法确定系生手星的大小,而径向速率法确定其质量。如许就有可能计算出系生手星的密度,从而确定其构造。

迄今为止发现的系生手星以其大小、形状和轨道之丰硕令人难以置信。它们挑战了我们对行星体系的先入之见,并使得科学家不停修改关于行星起源背后物理过程的实践。随着大量寻找系生手星的方案得以成行,我们可能最终会找到是否有其他地外生命存在这个永久问题的谜底。

本年的诺贝尔物理学奖获奖者扭转了我们对宇宙的看法。皮布尔斯的实践发现有助于我们了解宇宙在大爆炸后是若何演化的,而麦耶和奎洛兹则在寻找未知行星的过程中探究到了我们在宇宙中的邻居。他们的发现永远扭转了我们对世界的看法。(编译/皎晗)

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