2019年10月8日，2019年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉：加拿大裔美國(guó)科學(xué)家詹姆斯·皮布爾斯、瑞士科學(xué)家米歇爾·馬約爾、瑞士科學(xué)家迪迪埃·奎洛茲3人獲獎(jiǎng)。其中一半獎(jiǎng)金授予詹姆斯·皮布爾斯，獲獎(jiǎng)理由是“對(duì)于物理宇宙學(xué)方面的理論發(fā)現(xiàn)”；另一半獎(jiǎng)金授予米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤潱@獎(jiǎng)理由是“發(fā)現(xiàn)了圍繞其他類太陽恒星運(yùn)行的系外行星”。
皮布爾斯對(duì)宇宙學(xué)的洞見豐富了整個(gè)物理宇宙學(xué)領(lǐng)域的研究，成為當(dāng)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)；馬約爾和奎洛茲探索了我們的宇宙鄰域的未知行星，他們的研究指向一個(gè)永恒的問題：地球之外是否還有生命存在？ 詹姆斯·皮布爾斯1935年4月25日出生在加拿大曼尼托巴省溫尼伯，目前就職于美國(guó)普林斯頓大學(xué)，他今年已經(jīng)84歲了。在得獎(jiǎng)之前，他已經(jīng)在宇宙微波背景輻射領(lǐng)域工作了近60年。他的探究使我們對(duì)宇宙的結(jié)構(gòu)和歷史有了全新的認(rèn)識(shí)，有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的。現(xiàn)在我們都知道，宇宙起源于大爆炸。大爆炸理論認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。大約140億年前，在宇宙開始的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)的宇宙非常熱，密度相當(dāng)大。自宇宙爆炸之后，宇宙體系不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，溫度也很快冷卻、下降。大爆炸后不到40萬年，宇宙變得透明，光線可以在太空中穿行。即使在今天，這種古老的輻射（宇宙微波背景輻射）仍然存在于我們周圍，宇宙許多的秘密都隱藏在其中。這些熱輻射擴(kuò)散到整個(gè)宇宙中，隨宇宙不同階段的發(fā)展而變化，成為宇宙生長(zhǎng)的“年輪”。皮布爾斯利用他創(chuàng)建的理論工具和運(yùn)算方法，將宇宙誕生之初留下的“蛛絲馬跡”成功“解碼”。皮布爾斯在宇宙學(xué)方面的貢獻(xiàn)主要集中在宇宙微波背景輻射上。為了探索宇宙初期發(fā)生了什么，接下來又將發(fā)生什么，皮布爾斯與擁有數(shù)十億個(gè)星系和星系團(tuán)的宇宙展開了較量。早在20世紀(jì)60年代，他與羅伯特·迪克等人一起預(yù)測(cè)了宇宙微波背景輻射。宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)為宇宙大爆炸模型提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，同時(shí)皮布爾斯還用大爆炸理論解釋了宇宙初期的痕跡，并發(fā)現(xiàn)了新的物質(zhì)進(jìn)程。因此，宇宙微波背景輻射在現(xiàn)代已成為精確測(cè)量宇宙學(xué)的關(guān)鍵。通過觀測(cè)微波背景輻射，皮布爾斯推斷出宇宙的過去：從宇宙最初極高速的爆炸，到轉(zhuǎn)入所謂熱大爆炸，再到逐漸冷卻，形成第一代的恒星和星系，形成今天的宇宙……宇宙微波背景輻射的角功率譜上，忠實(shí)地記錄著這一切。
皮布爾斯建立了一個(gè)模型，通過這個(gè)模型，能夠描述宇宙從最初的幾分之一秒到現(xiàn)在以及遙遠(yuǎn)未來的狀態(tài)變化。根據(jù)皮布爾斯提出的模型，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中存在著大量暗能量和暗物質(zhì)；根據(jù)他的理論，科學(xué)家推測(cè)出了宇宙的成分——構(gòu)成行星和人類的普通物質(zhì)僅占宇宙物質(zhì)總量的5%，剩下的是26%的暗物質(zhì)和69%的暗能量。皮布爾斯對(duì)物理宇宙學(xué)的理論見解為物理宇宙學(xué)從推測(cè)到科學(xué)的轉(zhuǎn)變奠定了基礎(chǔ)。
在頒獎(jiǎng)典禮現(xiàn)場(chǎng)，物理宇宙學(xué)是怎樣的一個(gè)領(lǐng)域
物理宇宙學(xué)（簡(jiǎn)稱宇宙學(xué)）是天體物理學(xué)的一個(gè)分支，是研究宇宙大尺度結(jié)構(gòu)、宇宙形成和演化的學(xué)科。宇宙學(xué)研究關(guān)于宇宙的起源和演化問題。在哥白尼、牛頓之后，宇宙學(xué)慢慢成為科學(xué)。一般認(rèn)為，現(xiàn)代宇宙學(xué)的起源可以追溯到愛因斯坦廣義相對(duì)論的提出和對(duì)極遠(yuǎn)天體的觀測(cè)?，F(xiàn)代宇宙學(xué)就像考古學(xué)，根據(jù)宇宙早期自然過程所留下的遺跡來推斷宇宙的演化。
曾幾何時(shí)，宇宙學(xué)充斥著沒有堅(jiān)實(shí)依據(jù)的猜想，數(shù)據(jù)也少得可憐。但今天，宇宙學(xué)已經(jīng)成長(zhǎng)為一門精確的數(shù)學(xué)科學(xué)，愈發(fā)精確的觀測(cè)數(shù)據(jù)正發(fā)揮關(guān)鍵性作用。
在過去的50多年中，把宇宙學(xué)從推測(cè)科學(xué)變成一門可以定量計(jì)算的科學(xué)的關(guān)鍵人物之一就是詹姆斯·皮布爾斯。在每一項(xiàng)巨大的理論成就中，幾乎都能看到皮布爾斯的身影。
許多科學(xué)先驅(qū)都曾經(jīng)預(yù)言，滿天繁星中一定有許多恒星，也擁有圍繞它們旋轉(zhuǎn)的行星。然而，那些行星距地球太過遙遠(yuǎn)，所反射的光又太過微弱，想要“看”到它們并不容易。美國(guó)天文學(xué)家、科幻作家卡爾·薩根也堅(jiān)信宇宙中不止一個(gè)地球。他說道：“如果上帝只為人類創(chuàng)造了這么大的一個(gè)宇宙，那也太浪費(fèi)空間了?！?/span>20世紀(jì)90年代，這個(gè)猜想終于被米歇爾·馬約爾和迪迪?！た迤澋挠^測(cè)證實(shí)了——1995年10月，他們宣布首次在太陽系外發(fā)現(xiàn)了一顆行星，它圍繞著我們的銀河系中的一顆類日恒星運(yùn)行，這顆恒星距離地球50光年。在法國(guó)南部的上普羅旺斯高地天文臺(tái)，他們使用定制儀器觀察到了系外行星“飛馬座51b”（51Pegasib）。這是人類首次在一顆與太陽相似的恒星周圍發(fā)現(xiàn)行星，這顆行星的質(zhì)量下限差不多是地球的150倍，表面有大氣，整體呈紅熱狀態(tài)。最重要的是“飛馬座51b”所環(huán)繞的恒星與太陽非常相似：大小相近而且正值壯年。而之前，天文學(xué)家觀測(cè)到的母恒星不是已經(jīng)死亡的脈沖星，就是步入暮年的紅巨星。馬約爾和奎洛茲的發(fā)現(xiàn)在天文學(xué)界掀起了一場(chǎng)革命，有科學(xué)家稱這顆行星的發(fā)現(xiàn)為人類尋找宇宙中的伙伴帶來了新希望；也有科學(xué)家稱他們?yōu)椤靶率澜绲陌l(fā)現(xiàn)者”，認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)堪比哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸。人類終于知道，太陽不是銀河系中唯一具有行星的恒星。新的發(fā)現(xiàn)顯示，行星系統(tǒng)具有廣泛的多樣性。“飛馬座51b”的發(fā)現(xiàn)點(diǎn)燃了系外行星探索的“星星之火”。得益于各類觀測(cè)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，迄今科學(xué)家們?cè)阢y河系發(fā)現(xiàn)的行星數(shù)量已超過4000顆，其中包括位于半人馬座、距離地球4.2光年的宜居星球“比鄰星b”，距離地球39光年的“七星繞日”系統(tǒng)TRAPPIST-1，以及表面存在大氣和水的K2-18b。
各種各樣的新天體仍在不斷被發(fā)現(xiàn)，其大小、形狀、軌道之豐富令人難以置信。它們挑戰(zhàn)了我們對(duì)行星系統(tǒng)的已有認(rèn)識(shí)，迫使科學(xué)家們修正行星起源理論。
根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)估算，在銀河系中與地球類似的行星可能有110億顆，不難想象，也許其中的一顆就是人類未來的新家。隨著大量尋找系外行星的計(jì)劃得以成行，我們可能最終會(huì)找到“是否有其他地外生命存在”這個(gè)永恒問題的答案。值得一提的是，此次獲獎(jiǎng)的兩位瑞士天文學(xué)家還是一對(duì)師生。米歇爾·馬約爾1942年出生于瑞士，1971年獲得瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)在是瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)教授。自從馬約爾發(fā)現(xiàn)了“飛馬座51b”之后，他的研究則主要是發(fā)現(xiàn)太陽系外行星。2009年，馬約爾和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)環(huán)繞主序星的、目前質(zhì)量最小的太陽系外行星格利澤581e。迪迪?！た迤?966年2月出生，他是卡文迪許實(shí)驗(yàn)室和日內(nèi)瓦大學(xué)的物理學(xué)教授。1995年，奎洛茲在日內(nèi)瓦大學(xué)攻讀博士學(xué)位期間，與他的導(dǎo)師馬約爾一起發(fā)現(xiàn)了太陽系外的第一顆巨行星。從那時(shí)起，奎洛茲就參與了一系列成功的精密光譜儀開發(fā)工作，極大地提高了多普勒技術(shù)的精度。2007年，在新興的行星軌道探測(cè)領(lǐng)域，他與英國(guó)的WASP團(tuán)隊(duì)建立了成功的國(guó)際合作，為光譜確認(rèn)、精確的光度跟蹤和新行星的確認(rèn)提供了新的研究方法。他還積極參與過境行星的探測(cè)工作。因?yàn)殚_發(fā)出了新的觀察太陽系外行星的天文學(xué)儀器和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，2011年，奎洛茲和他的博士導(dǎo)師馬約爾獲得了BBVA基礎(chǔ)科學(xué)前沿知識(shí)獎(jiǎng)，2017年，奎洛茲獲得了沃爾夫物理學(xué)獎(jiǎng)。右側(cè)是馬約爾，左側(cè)是他的學(xué)生奎洛茲他們改變了人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吒淖兞宋覀儗?duì)宇宙的看法。皮布爾斯的理論發(fā)現(xiàn)有助于我們理解宇宙在大爆炸后是如何演化的，讓我們得知了暗物質(zhì)的存在；馬約爾和奎洛茲則在尋找未知行星的過程中探索到了我們?cè)谟钪嬷械泥従印?/span>
因?yàn)檫@3人的成就，當(dāng)我們?cè)俅螌徱曈钪?，視角已與前人完全不同。在過去的幾十年里，我們不僅對(duì)宇宙的理解發(fā)生了深刻的變化，而且對(duì)地球在宇宙中所處的地位看法也發(fā)生了巨大的改變。
