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84歲天文學家獲諾獎,在他之前,研究宇宙基本靠猜(圖)

新聞 雅雯 2周前 (10-09) 8次浏览

  2019年諾貝爾物理學獎的一半授予美國物理學家和理論宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles),以表彰其在宇宙物理學的理論發現中做出的突出貢獻。

  來來,看一下什麽叫“突出貢獻”。皮布爾斯做了大量工作使得物理宇宙學成為嚴肅的、定量的物理學分支,他為宇宙學中幾乎所有的現代研究奠定了基礎,包括理論和觀測,將一個高度猜測性的領域變成了一門精密的科學。

  毫不誇張的說,咱們普通人能說的出來的跟宇宙學相關的詞,什麽宇宙大爆炸、星係紅移、暗物質,都跟他的研究有關!

  

84歲天文學家獲諾獎,在他之前,研究宇宙基本靠猜(圖)

  △詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)

  他的貢獻有多大?一句話:將宇宙學從推測轉變為科學

  宇宙學是研究宇宙起源和進化的一門學科,過去的五十年是宇宙學的黃金時代。上世紀60年代,宇宙學從推測轉變為科學,而推動這一轉變的關鍵人物就是詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles),他的發現將宇宙學牢牢地安置在科學地圖上,豐富了整個研究領域。他的第一本書《物理宇宙學》(1971年)啟發了新一代的物理學家。

  “我們來自何處,又將往去何處?”這是一個永恒的問題。在信仰和意義之外,宇宙學為人類提供了一種解答問題的新思路。直到近一百年,人類才有了對宇宙演化的科學描述。在此之前,宇宙被認為是靜止的和永恒的。但早在上世紀20年代,天文學家發現,所有星係都彼此遠離,並且在遠離我們,這意味著宇宙在成長。現在的我們知道,今天的宇宙與昨天的宇宙不同,而明天的宇宙又將和今天的宇宙不同。

  下麵咱們就詳細說說皮布爾斯的幾個重要貢獻。

  貢獻一:推動讓愛因斯坦後悔不已的宇宙常數重返宇宙學。1916年,愛因斯坦的廣義相對論已經預言了天文學家在太空中所看到的一切,這一理論現在也已經成為所有有關宇宙的大規模計算的基礎。

  不過當愛因斯坦發現該理論得出的結論是空間在擴大時,他在方程式中添加了一個常數(宇宙常數),該常數將抵消重力的影響並使宇宙靜止不動。

  而十多年後,科學家觀察到了宇宙膨脹,確認宇宙並非靜止的,也就不再需要這個常數了。愛因斯坦認為,這是他一生中最大的錯誤。不過,他不知道的是,宇宙學常數會在20世紀80年代,通過詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles)的貢獻,重返宇宙學。

  貢獻二:從宇宙的第一縷光芒裏尋找宇宙誕生的秘密

  宇宙的膨脹就意味著過去的它更密集,更熱。在20世紀中葉,我們稱宇宙的誕生為“大爆炸”。沒有人知道一開始的實際情況,但是早期的宇宙充滿了緊湊、熱和不透明的粒子,如同一碗湯。

  經過將近40萬年的冷卻,這種原始湯冷卻到幾千攝氏度。原始粒子能夠結合,形成主要由氫和氦原子組成的透明氣體。緊接著光子開始自由移動,光得以在太空中傳播。宇宙的第一縷光線直到現在仍然充滿著宇宙。空間的擴展拉伸了可見光波,因此它們最終進入了波長為幾毫米的微波範圍,這也就是宇宙微波背景輻射。

  1964年,兩位美國射電天文學家(1978年諾貝爾獎獲得者亞諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜)偶然抓住了宇宙誕生的光芒。但他們無法擺脫天線從太空各處拾取的恒定“噪聲”,因此他們在其他研究人員的研究中尋求解釋,其中包括詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles)。當皮布爾斯(Peebles)意識到輻射的溫度可以提供有關在大爆炸中產生多少物質的信息時,現代宇宙學的新紀元開始了。

  宇宙中起源於嬰兒期的古老輻射已經變成了一個金礦,它幾乎包含了所有宇宙學家想要知道的一切的答案。

  “宇宙多大了?它的命運是什麽?存在多少物質和能量?”科學家們可以從這些餘輝中找到宇宙最初的痕跡。如同海浪反映著海洋的變動,這些漣漪(微波)揭示了早期宇宙的變化。

  △Plank衛星繪製的最新最高分辨率宇宙微波背景輻射圖(圖片來源:ESA/NASA/JPL-Calteck)

  貢獻三:理論證實暗物質和暗能量的存在

  暗物質的組成仍然是宇宙學最大的謎團之一。長期以來,科學家一直相信,已知的中微子可能構成這種暗物質。但中微子速度過快而無法將物質凝聚到一起。1982年,皮布爾斯(Peebles)提出,冷的暗物質中重而慢的顆粒可以完成這個任務。

  直到今天,我們仍在尋找冷暗物質中的這些未知粒子。

  根據愛因斯坦的廣義相對論,空間的幾何形狀與引力相互關聯——宇宙包含的質量和能量越多,彎曲的空間就越多。在質量和能量的臨界值下,宇宙不會彎曲。我們稱這種類型的宇宙為平坦宇宙。

  宇宙微波背景輻射的測量以及理論上的考慮提供了明確的答案——宇宙是平坦的。但是,它所包含的物質僅足以滿足臨界值的31%,其中5%是普通物質,26%是暗物質,還有69%失蹤了。
詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles)再次提出了一個解決方案。使用皮布爾斯提出的理論模型,可以通過計算預測宇宙的形狀以及其中所包含的物質和能量(下圖)。而他的計算與之後的背景輻射測量非常吻合。從計算結果中,還可以得出一個結論,如果宇宙的31%(5%+
26%)由物質組成,那麽剩下的69%,必須是暗能量才能滿足對平坦宇宙的要求。

  

84歲天文學家獲諾獎,在他之前,研究宇宙基本靠猜(圖)

  所以,毫不誇張地說,詹姆斯·皮布爾斯(James
Peebles)對物理宇宙學的研究和見解豐富了整個研究領域。他的理論框架自1960年代中期發展起來,奠定了當代宇宙學基礎。

  現在,暗物質和暗能量都已成為宇宙學中最大的謎團。宇宙的暗麵隱藏著什麽秘密?未知背後隱藏著哪些新的物理學?在解決空間奧秘的嚐試中,我們還會發現什麽呢?

  遼闊的宇宙等待著我們去探索,無窮的真理讓我們孜孜追求。再一次,向皮布爾斯致敬,向探尋真理、探索宇宙的前輩們致敬!

 

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