回顾：改变我们宇宙概念的三位科学家获得的诺贝尔物理学奖

付佳琦

三名科学家共同获得2019年诺贝尔物理学奖。其中，宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）揭示了宇宙主要是由看不见的物质和能量构成的，另外两名科学家米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星。


通过研究宇宙诞生后的最初时刻，普林斯顿大学的詹姆斯·皮布尔斯对宇宙的演化搭建了一个理论框架，而这个理论框架使我们逐步了解了宇宙的暗物质和暗能量：哪些任何科学仪器都无法观测到的物质，却占宇宙的95%。


同为诺贝尔奖获得者的日内瓦大学的米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹在1995年宣布发现了一个巨大的气体世界，它围绕着一颗距我们的太阳50光年的恒星旋转—这是第一颗围绕类太阳恒星的太阳系外行星。
在那之后的几十年里，科学家们又发现了数千颗类似的太阳系外行星，天文学家们现在普遍认为，我们的宇宙中包含的行星比恒星还多。
诺贝尔奖委员会成员乌尔夫·丹尼尔松(Ulf Danielsson)说：“今年的诺贝尔物理学奖得主绘制了一幅远比我们想象的更陌生、更奇妙的宇宙宏图，我们对自己在宇宙中的位置的看法将完全不同。”


近一个世纪以来，科学家们一直认为宇宙起源于大爆炸，从一个炽热的致密的“粒子汤”变成为尘埃、恒星和星系的集合，星系在一个巨大且不断扩大的空间中飞跃。
50年前，两位射电天文学家偶然发现了宇宙最初膨胀时期的特征：宇宙微波背景，一种弥漫在整个天空的微弱辐射形式。
诺贝尔奖评委会认为，这种辐射对物理学家来说就是“金矿”。通过分析这种古老余辉的微小变化，科学家们可以回溯到过去，了解宇宙的演化过程。
詹姆斯·皮布尔斯通过研究宇宙微波背景的温度来了解大爆炸中产生的那些物质。
加州大学天文台的工作人员、观测宇宙学家桑德拉·法伯（Sandra Faber）说：“从理论上讲，这为我们打开了探索宇宙起源的大门。它表明，现有的物理定律可以解释宇宙只有“一百秒”大的时候发生的事。这不是很神奇吗？”


詹姆斯·皮布尔还开发了一些工具来解释我们所知道的宇宙是如何形成的。他说：“在大爆炸后不到百万分之一秒的时间内，宇宙急速膨胀，在这个膨胀期间出现微小量子涨落，从而产生了物质这些“块”，最终演化成星系。”
这些“块”，以及依然神秘的暗物质，解释了我们今天看到的星系的大小、形状和分布。
詹姆斯·皮布尔通过电话采访时说：“我并不是一个人在前行，苏联的研究人员为科学家理解宇宙的演化也做出了突出贡献。”他还说道：“自从1964年探测到了宇宙微波背景辐射后，对于这个领域的学术研究就在不断进步，但我也提出过很多错误的观点。”
最终，詹姆斯·皮布尔的理论引领了暗能量和暗物质的发现，暗能量是一种推动宇宙膨胀的无形能量，而暗物质则是一种将星系聚集在一起的不可观测的物质。


詹姆斯·皮布尔获奖后与祝福者们通话。（路透社照片）
当下我们能触摸或看到的一切、科学仪器所探测到的一切、以及尚未被发现的一切，只占宇宙的5%。但即使是在这小小的5%里，仍有双眼看不到的东西。今年下半年颁发的物理学奖所涉及的科学理论就证实了这一点。
米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹所发现到的第一颗系外行星无法通过望远镜观测到。天文学家反其道而行之：通过观察它如何影响它的宿主恒星来直观地了解系外行星的存在。
他们的研究基于这样一个事实:行星并不围绕恒星运行；相反，行星和恒星都绕着它们共同的质心公转。如果一颗行星与它的太阳相比足够大，它就会造成恒星的些许摄动。


这种摄动使得恒星发出的光存在微小的位移变化，科学家可以通过分析这些位移变化来确定行星的大小和距离。
米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹发现的第一颗系外行星被命名为飞马座51b，它与我们太阳系中的任何一个行星都不同。这颗行星和木星一样体积巨大且是气态的，但它离它的恒星非常近，只需要4天就可以完成一次轨道运行。它的温度超过1000摄氏度。
当迪迪埃·奎洛兹回忆他第一次在他的数据中看到这颗行星的特征时说道：“我吓坏了，我以为是测量仪器出了问题。”
天文学家们花费了大量的时间进行重新分析，才使自己相信他们看到的是真实存在的。下一个问题就是如果说服世界上其他国家。这颗行星的情况与科学家们的预测大相径庭，许多研究人员最初对这一发现持怀疑态度。但后来的研究最终表明，米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹最初的猜想是正确的。


卡内基天文台的系外行星天文学家约翰娜·泰斯克（Johanna Teske）说：“新的科学理论很少是由一个人探究完成的，在探究完成之前和之后都有很多人做出了重要贡献，但是米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹的发现确实是该领域的一个转折点。”
很快，全球的天文学家开始了他们自己对系外行星的搜索，通过仪器扫描天空和查看大量的历史数据来探测系外行星的宿主“母星”的摄动。
通过地面和太空望远镜的观测，发现了4000多颗已确认的系外行星，这对科学家关于行星系统如何演化的观点提出了质疑。
2018年，美国国家航空航天局(NASA)发射了凌日系外行星勘测卫星(TESS)，这是一架功能强大的太空望远镜，可以扫描整个深空，寻找围绕附近恒星运转的行星。这次发射任务中最令人感兴趣的是在已发现的系外恒星很近的轨道上运行的岩石行星的表面可能存在液态水。


翰娜·泰斯克说：“当米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹在研究和寻找这些系外行星时，有人嘲笑他们的研究，并讽其为科幻小说。但看到这一研究一路发展到现在，最终他们二人获得了诺贝尔奖，我们也离发现和表征类地行星越来越近，这不但伟大同时也令人兴奋，甚至有点超现实的感觉。”
按照诺贝尔奖自身的惯例，在获奖名单的公布后引发了关于“获奖者缺乏多样性”的争论。在诺贝尔物理学奖100多年的历史中，只有3位女性获得过该奖项，且没有一位黑人科学家获得过该奖项。
特别是本次颁奖对詹姆斯·皮布尔理论的认可更是引发很多不满，因为证明暗物质存在的女性学者维拉·鲁宾（Vera Rubin）未曾获此殊荣。


天文学家埃米莉·莱斯克（Emily Levesque）曾对《天文学》杂志说：“卡耐基研究所的天文学家正在与性别歧视斗争，维拉·鲁宾的研究也彻底改变了我们对宇宙的看法。”维拉·鲁宾曾在2016年去世前被认为是诺贝尔物理学奖的最有可能获奖的候选人（但诺贝尔奖不颁发给死者）。
约翰娜·泰斯克这样评价维拉·鲁宾：“她对天文学领域的每一个人都有着巨大的影响力，并且充满了鼓舞人心的力量，过去是，现在仍然是。她没有被诺贝尔物理学奖认可，这一点充满了讽刺意味。我认为，至少对我来说，这将永远成为诺贝尔物理学奖的一道伤疤。”
颁发这些奖项的瑞典皇家科学院告诉《自然》杂志，该组织已经采取措施，消除对女性和有色人种科学家的偏见，包括明确要求提名者考虑性别、地理和主题的多样性。因为今年的医学奖和物理奖的六位获奖者都是白人男性。


然而，桑德·拉法伯认为詹姆斯·皮布尔的成就是无可取代的，因为他合理的解释了宇宙演化的过程，而且他的研究范围从大爆炸到量子力学再到暗物质的本质。桑德·拉法伯对诺贝尔物理学奖能够授予詹姆斯·皮布尔感到非常高兴。
一位和詹姆斯·皮布尔几乎同时进行星系形成和暗物质的研究宇宙学家说：“詹姆斯·皮布尔的理论深深地影响了她，无论是在情感上还是在科学上。”她还说说：“这告诉了全人类，我们是根据物理定律出生的，这意味着我们需要遵循这些定律来生活。”


正如詹姆斯·皮布尔的研究强调了我们地球人在宇宙中的渺小，米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹的发现有确定了我们的星球是多么的罕见和不寻常，因为过去二十年中发现的绝大多数系外行星与我们太阳系的任何天体都不同。
不过，诺贝尔委员会成员丹尼尔森(Danielsson)表示，在浩瀚而不可思议的宇宙中，在某个陌生而遥远的星球上，可能存在着其他形式的生命。
他说，这可能需要数年、数百年甚至数千年的时间。但是他仍然抱有希望，有一天，人类会在黑暗中找到证据，证明我们并不孤独。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3. sciencealert- X-inG
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