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诺贝尔物理学奖深奥?刷刷谢耳朵的台词会明白很多

发布时间: 2019-10-9 09:59    查看:930

哲学家罗素说,他理解的“哲学”,是“某种介于神学和科学之间的东西”。他说:“一切确切的知识,都属于科学;一切涉及超乎确切知识之外的教条,属于神学。而两者之间,一片受到双方攻击的无人之域,是哲学。”


那么,关于2019诺奖物理学奖,我们可能可以从这样一个角度理解:如果没有获奖者——詹姆斯·皮布尔斯(james peebles)、米歇尔·马约尔(michel mayor)和迪迪埃·奎洛斯(didier queloz)师徒的工作,可能关于宇宙、对于系外行星的认知,我们依然只能更多地从神秘主义、神学、哲学的角度来进行探索。


但是在科学上,科学家只相信那些经过实验或观测证实的东西,因此他们选择的是一条沉重乏味的道路。


△詹姆斯·皮布尔斯(左)、米歇尔·马约尔(中)和迪迪埃·奎洛斯(右) 图片来源:the nobel prize


2019年诺贝尔物理学奖,奖励了这些几十年如一日的科学家。


奖项的一半,授予詹姆斯·皮布尔斯关于“物理宇宙学的理论发现”;另一半奖项,授予米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛斯“发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星”。


【宇宙的定位者】


图片来源:discovery.princeton


詹姆斯·皮布尔斯教授一生着眼于拥有数十亿个星系和星系团的宇宙,他的名字在天体物理学界,是祖师爷级别的。


皮布尔斯的理论框架经过二十多年的发展,成为了人类对从大爆炸到今天的宇宙历史的现代理解的基础,他将高度猜测性的领域,转变为精密科学。



10月8日晚,诺奖物理学奖委员会科学家对皮布尔斯教授的研究进行现场解读时,用了一组道具:咖啡三剑客。


“让我们把宇宙比作一杯咖啡,这里大部分是咖啡,就是暗能量;然后我开始加奶油,这是暗物质,然后再加入一点点砂糖,这是普通物质。”


暗物质占据着宇宙实物总量的百分之八十,这意味着它实际上主导了宇宙中的结构形成。在有普通物质的地方,总有暗物质伴随。


当地球在银河系中运动的时候,它也在不断地和银河系中的暗物质粒子交汇。因此,我们在地球上就有可能捕获到暗物质。



△ 暗物质 图片来源:mit


其实,文艺青年对暗物质应该是有深刻认识,因为前不久刚刚结了婚的“谢耳朵”先生,在和amy去登记时,重重地cue到了暗物质——


“i never thought i'd want to marry anyone. so the fact that i found you is astonishing. it's like finding dark matter,except they were looking for dark matter. i wasn't even looking for you, so you're even better than dark matter.......when you make a discovery like this, you don't take it down to city hall--you tell the whole world!”



图片来源:ctv


其实在科学界,科学家对暗物质的认知,也在很长一段时间里处于迷茫状态。


自从1933年,暗物质这个神秘的幽灵第一次在人类面前现出踪迹后,在很长一段时间里,暗物质并没有引起太多科学家的兴趣。


一方面,确认暗物质存在的证据还太少。另一方面,宇宙中存在看不见的东西并不奇怪,没有光线照耀的矿坑里,满是看不见的矿藏和泥土,企业家或许还有兴趣,但物理学家并不关心这个,除非这些暗物质有什么超出人类认知的特点。


事实上,直到上世纪70年代末,仍然有很多人不相信暗物质的存在。


如果有人在物理学会议上说“暗物质是存在的”,很多人可能会礼貌地微笑;而如果有人敢说“暗物质可能是构成宇宙的基本粒子”,很多同行更可能会“哈哈哈哈”。


上世纪60年代以后,随着天文学领域不断发生重大的观测突破,以及美国航天项目的刺激,天文学获得的经费资助显著增加,吸引了众多学习天文的学生,也吸引力了众多物理学博士跨领域进入天文研究。两个领域学者的兴趣在宇宙学这个领域交汇了,“暗物质是一种基本粒子”这一假说开始被认真考虑。



图片来源:metal-archives


在20世纪80年代,皮布尔斯教授描述了一类被称作“冷暗物质”的模型。这一类暗物质粒子在宇宙早期相对于光速运动得非常缓慢,因此被称作是“冷”的。


由于这种冷的特性,由这类暗物质主导的宇宙中,最先形成的结构是质量非常低的暗物质小团块。这些团块会通过合并和吸积周围的暗物质增长。普通的物质会沉积在暗物质团块的中心,直到恒星点燃,星系形成。


利用超级计算机,人们可以模拟由这一类暗物质主导的宇宙中结构是如何形成的。结果显示:冷暗物质可以完美地解释星系巡天观察到的星系空间分布状态。



图片来源:cold dark matter records


再说回一嘴上面提到的这杯“宇宙咖啡”,借助皮布尔斯教授的贡献,我们人类正在搞清楚自己在宇宙中的位置,也许可以理解为,是在奶油与咖啡的漩涡交融,画出条纹时,就能得到精致的复杂结构。我们,就是宇宙咖啡杯里的漩涡。”


不过有很多网友和我一样,研究着诺奖,打着哈欠,不觉喝掉一杯咖啡,然后狠狠地吓一跳:我这是毁灭了一个平行宇宙了?


【新世界的发现者】


人类很早就在想宇宙当中有没有类似的生命,16、17世纪时,布鲁诺、牛顿,都思考过这个问题。那么人们需要先找到一颗宜居的系外行星。



图片来源:insidescience


但是系外行星极其难找——行星本身不会发光,只能够反射恒星的光芒;这意味着,行星的绝对亮度其实非常非常微弱;同时,即使是最近的那些恒星,它们与地球之间的距离也要以光年计。相距如此遥远的情况下,系外行星肯定会被笼罩在它所环绕的恒星的光芒中;也就是说,系外行星根本无法被地球上的望远镜所看到。


三、四百年里,这项事业毫无进展。19世界里,所有人跑出来宣称他们发现了太阳系以外的行星的人,都只能证明,他们全是自己看花了眼。


但是20世纪90年代,来自瑞士的师徒麦耶和奎罗兹试图横空出世,他们用相当有力的证据,证明了系外行星的科学存在。



△ 麦耶(右)和奎罗兹 图片来源:media wired


他们是如何完成这项科学壮举的?


方法是径向速度法。


在10月8日的诺奖物理学奖发布会上,诺奖委员会物理学会的秘书长打个比方解析这个方法:“就好比火车驶入和驶出车站时,声音是不一样的。”——


如果一颗恒星的周围真的存在一颗行星,这对恒星和行星就会构成一个彼此绕转的两体系统。


这会你身边是否有人?如果有一个比你的体重要重磅许多的家伙,那更好了。你不妨邀请ta和你共同跳一个圈圈舞——你绕着ta快速地旋转舞蹈,你就像那颗系外行星;而ta呢?因为质量大于你,ta的转幅要比你小得多,恩,ta象征那颗恒星。



这样一对天体在彼此旋转时,地球是有办法感知的——


当行星离地球远去时,恒星就会略微地靠近地球。此时,恒星发出的光就会发生轻微的偏蓝;


反之,当行星向地球飞来时,恒星就会略微地远离地球;此时,恒星发出的光就会发生轻微的偏红。


所以你就知道了麦耶师徒坐实系外行星存在的依据:如果发现一颗恒星的光谱出现了周期性的蓝移和红移交替的现象,就可以断定这颗恒星拥有一颗行星。这就是径向速度法。


1995年底,麦耶和奎罗兹在《自然》杂志上发表了一篇论文,宣布他们用位于法国普罗旺斯天文台的一台新型光谱仪,测出一颗与太阳相距50光年、名叫飞马座51的恒星的光谱中,存在一个周期为4.2天的蓝移红移交替的现象。



由此他们推断出,在离飞马座51仅仅800万千米的地方,有一个和木星差不多大小、公转周期为4.2天的行星。麦耶和奎罗兹把这颗行星称为飞马座51b。它是人类历史上发现的第一颗绕主序星旋转的系外行星。


这个划时代的重大发现,为人类打开了一扇通往新世界的大门。在此后的20多年的时间里,追随着麦耶和奎罗兹的足迹,天文学家们发现了将近4000颗系外行星。


《纽约时报》甚至把麦耶和奎罗兹发现系外行星这件事,与当年哥伦布发现美洲大陆相提并论,称这对师徒为“新世界的发现者”。本文来源:钱江晚报


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