他们揭示了人类在宇宙中的位置

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皮布尔斯对物理宇宙学的洞见为宇宙学在过去半个世纪的转变奠定了基础;而马约尔与克罗兹的发现使我们重新认识了太阳系在宇宙中的地位。

北京时间2019年10月8日傍晚,瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会公布了2019年诺贝尔物理学奖获得者名单,美国普林斯顿大学教授詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)、瑞士日内瓦大学教授米歇尔·马约尔(Michel Mayor)以及同时在日内瓦大学和剑桥大学担任教授的迪迪埃·克罗兹(Didier Queloz)因为“对人类理解宇宙演化和地球在宇宙中所处位置的贡献”而获奖。其中,皮布尔斯因为“在物理宇宙学中的理论发现”获得了一半奖金,而马约尔与克罗兹因为“发现环绕类太阳恒星的系外行星”分享了另外一半奖金。

2019年诺贝尔物理学奖获得者,由左至右为:詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·马约尔和迪迪埃·克罗兹。(诺贝尔奖官网截图/图)

揭示宇宙秘密

皮布尔斯现任美国普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学教授。能够担任这样的教职,也从一个侧面说明他对物理学研究的杰出贡献。

詹姆斯·皮布尔斯(普林斯顿大学/图)

诺贝尔奖委员会认为,皮布尔斯对物理宇宙学的洞见丰富了整个研究领域,同时为宇宙学在过去半个世纪的转变奠定了基础。

20世纪60年代,距离乔治·伽莫夫(George Gamow)等人提出宇宙大爆炸模型已有十几年的时间,但当时宇宙学更多的是基于理论猜想而非观测证据。多位科学家对宇宙微波背景辐射的研究为宇宙大爆炸理论提供了关键证据,为这一理论随后成为宇宙学主流理论铺平了道路。在这个过程中,阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)因为发现宇宙微波背景辐射获得了1978年诺贝尔物理学奖。但几乎在他们完成这一发现的同时,皮布尔斯所在的一个普林斯顿大学的小组也对宇宙微波背景辐射进行了奠基性的研究。他不仅预言了宇宙微波背景辐射的存在,还对一些关键的性质给出了详细的计算过程。

此外,皮布尔斯还是宇宙大尺度结构研究的先驱,对宇宙演化的研究产生了深远影响。他预言了形成宇宙大尺度结构的原始种子与宇宙微波背景辐射的涟漪有关。后来,他对宇宙微波背景辐射存在涟漪的预言被COBE卫星的发现所证实,领导这个项目的约翰·马瑟(John Mather)和乔治·斯穆特(George Smoot)因此获得了2006年诺贝尔物理学奖。

宇宙微波背景辐射为我们提供了一扇了解宇宙结构和演化的绝佳窗口。根据欧洲空间局于2009年发射的普朗克卫星对宇宙微波背景辐射的最新观测结果,我们的宇宙中只有5%的组成部分是可见的,其余的95%是未知的暗物质和暗能量。这些神秘的未知部分既给我们带来了困惑,同时也蕴含着重要发现的机会。正如皮布尔斯在普林斯顿大学个人主页上写到的那样:也许自然已经给我们准备好了另一个惊喜。

发现系外行星

与皮布尔斯的工作不同,马约尔和克罗兹两人的工作更容易被理解,他们获得诺贝尔奖的主要贡献就是发现了第一颗位于太阳系外的围绕主序星旋转的行星。马约尔是克罗兹的博士导师,克罗兹在马约尔的指导下在日内瓦大学获得博士学位。此后,二人一同对太阳系外的宇宙进行了探索。

米歇尔·马约尔(日内瓦大学/图)

迪迪埃·克罗兹(剑桥大学/图)

人类所知行星的数量,有时可以作为衡量人类认识宇宙程度的一把尺子。在人类文明的很长时间里,人类所知的行星只有5颗(水星、金星、火星、木星和土星)。在日心说取代地心说后,地球恢复一颗行星的地位,行星数量就变为6颗。随后,天文学家发现了天王星和海王星,冥王星被发现又被降级。因此,现在太阳系内已知的行星数量为8颗。

但是,天文学家相信行星在宇宙中普遍存在,只是苦于观测手段和能力的限制,在行星本身不发光因此太过暗淡的情况下,一直没有发现位于太阳系外的行星。不过,他们始终没有停止努力,希望找到类似地球一样的生命摇篮。20世纪90年代,他们终于等来了机会。

1995年,马约尔和克罗兹在《自然》上发表了一篇论文,宣布他们通过位于法国普罗旺斯天文台的观测设备在太阳系外另一颗与太阳类似的恒星飞马座51(51 Pegasi)周围发现了一颗行星飞马座51b(51 Pegasi b),这是人类发现的第一颗绕主序星(即与太阳类似的恒星)旋转的系外行星(exoplanet)。这是一颗气体行星,大小与我们太阳系中最大的巨行星木星相当。

正如诺贝尔奖委员会给出的获奖理由,二人的发现对我们认识地球在宇宙中的地位产生了巨大的影响,准确来说是重新认识了太阳系在宇宙中的地位。他们的发现证明,类似太阳系这样的系统在宇宙中并非独一无二,而是可能普遍存在。

其实,这并不是天文学家首次在太阳系外发现行星。1992年,波兰天文学家阿莱克桑德·沃斯克萨(Aleksander Wolszczan)和加拿大天文学家戴尔·弗雷尔(Dale Frail)在脉冲星PSR 1257+12周围发现了2颗系外行星,这是人类首次发现的系外行星。但是,脉冲星是高速自转的中子星,会发出强烈的辐射,因此周围行星的环境极其恶劣,几乎不可能存在生命。这与人类寻找系外行星的初衷相去甚远,因此这个发现的实际意义不如飞马座51b的发现。

虽然近来的一些研究表明在太阳系中巨行星的卫星可能具有适宜生命存在的条件,但行星仍然最有可能成为生命的摇篮,因此系外行星的发现也激起了天文学家在太阳系外寻找生命的热情。他们大规模搜索系外行星的序幕就此拉开。

2009年,美国国家航空航天局(NASA)的开普勒太空望远镜发射升空,成为天文学家搜索系外行星的一件利器。2018年,在开普勒太空望远镜退役前,新一代“行星猎手”——凌日系外行星巡天卫星(Transiting Exoplanet Survey Satellite,TESS)已经发射升空。“苔丝”(TESS)将接过接力棒,继续承担搜索系外行星甚至是宜居行星的重任。截止到目前,天文学家已经发现了超过4000颗系外行星,其中有数百颗所谓的“超级地球”。2019年9月,一个研究小组宣布他们首次在系外行星的大气层中发现了水蒸气。

虽然我们距离发现“地球2.0”可能还很遥远,地外生命仍然只能停留在科幻作品里,但是得益于马约尔和克罗兹的开创性工作,我们在未来的数十年里也许有机会去尝试回答那个千百年来人类始终萦绕于心的问题:我们在宇宙中是孤独的吗?

今年的诺贝尔物理学奖虽然看起来是一个“拼盘”,获奖者来自两个截然不同的研究领域。但正如颁奖理由告诉我们的一样,三位科学家的工作极大加深了我们对宇宙的理解,帮助我们重新认识了自己在宇宙中的位置。在仰望星空的征途上,他们其实是殊途同归。

诺贝尔在遗嘱中讲明自己设立诺贝尔奖的初衷是“奖励为全人类最大利益作出贡献的人”。今年的三位获奖者的研究工作对我们的世界观产生的影响,正是一种巨大的“精神利益”,因此他们获奖可谓实至名归。

南方周末特约撰稿 鞠强

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