2019年诺贝尔物理学奖揭晓:宇宙演变获奖

2019年诺贝尔物理学奖揭晓:宇宙演变获奖
2019年10月08日 17:54 新浪科技

  新浪科技讯 北京时间10月8日消息,2019年诺贝尔物理学奖揭晓:加拿大年夜裔美国迷信家James Peebles、瑞士迷信家Michel Mayor、瑞士迷信家Didier Queloz获奖。嘉奖他们“在促进我们对宇宙演变,和地球在宇宙中地位的懂得方面所做出的供献”。个中一半奖金授予美国普林斯顿大年夜学的James Peebles,获奖来由是“关于物理宇宙学方面的实际发明。”另外一半奖金授予瑞士日内瓦大年夜学的Michel Mayor,和瑞士日内瓦大年夜学/英国剑桥大年夜学的Didier Queloz,获奖来由是“发清楚明了环绕其他类太阳恒星运转的系内行星”。

  关于我们在宇宙中地位的极新视角

  本年的诺贝尔物理学奖嘉奖人类关于宇宙构造与汗青方面的极新懂得,和环绕类太阳恒星运转的系内行星。James Peebles关于物理宇宙学的洞察丰富了全部研究范畴并为之前50年间宇宙学范畴所产生的深刻变革奠定了基本,将猜想变成了迷信。他在上世纪1960年代中期以来所建立的实际框架,曾经成为我们懂得宇宙的基本。

  大年夜爆炸模型描述了宇宙从大年夜约140亿年前出生开真个汗青,当时的宇宙极端高温,密度极大年夜。自那今后,宇宙经历了赓续的收缩,体积变大年夜,赓续降温。大年夜约在宇宙大年夜爆炸以后40万年,宇宙开端变得透明,光第一次得以在宇宙间传播。即使在明天,这一陈旧的辐射依然漫溢在我们的四周,并在个中隐蔽着许很多多关于宇宙的机密。借助他所开创的实际对象和计算办法,James Peebles得以解码这些来自宇宙婴儿时代的线索,并发清楚明了全新的物理学过程。

  他的研究成果显示,我们所知的宇宙只占到宇宙的5%,它包含了一切的恒星,行星,树木,和我们。残剩的95%都是未知范畴,包含暗物质和暗能量。这是现代物理学所面对的严重年夜谜团和挑衅。

  1995年10月,Michel Mayor和Didier Queloz宣布初次发明太阳系外的一颗行星,一颗系内行星,环绕我们的银河系中的一颗类似于太阳的恒星运转。在法国南部的Haute-Provence地理台,应用定制的仪器,他们可以或许看到行星“51 Pegasi b”,一个可与太阳系最大年夜的气体巨星“木星”相媲美的气态球体。

  这一发明开启了地理学的一场革命,自那时以来,银河系曾经发清楚明了4000多颗系内行星。奇怪的新世界仍在赓续被发明,其大年夜小、外形和轨道之丰富令人难以相信。这些行星挑衅了我们对行星体系的先入之见,并迫使迷信家修改他们关于行星来源眼前的物理过程的实际。随着大年夜量的寻觅系内行星的筹划着手实施,我们或许终究能答复其他星球能否有生命存在这一永久的成绩。

  本年的获奖者改变了我们对宇宙的看法。James Peebles的实际发明有助于我们懂得宇宙在大年夜爆炸后是若何演变的,而Michel Mayor和Didier Queloz则在寻觅未知行星的过程当中摸索了我们的宇宙邻居。他们的发明永久改变了我们对地球和宇宙的看法。

  现代宇宙学提醒了宇宙的汗青,和宇宙中令人意想不到的物质和能量构成部分。与此同时,人们发明太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发明显示,行星体系具有广泛的多样性。在之前的几十年里,我们对宇宙的懂得产生了深刻的变更,也改变了我们对地球在宇宙中所处地位的看法。本年的诺贝尔物理学奖存眷的正是这些冲破性的发明。

  物理宇宙学

  地理学家对宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background,CMB)中温度各向异性的丈量愈来愈精确,对宇宙收缩汗青的研究也加倍深刻,同时对宇宙大年夜型构造的地理不雅测也愈来愈详细,这一切都使宇宙学生长成为一门以精确性为标记的迷信。

  如此令人高兴的生长之所以成为能够,要感激之前半个世纪以来,物理学家们在宇宙学实际框架中的冲破性发明。本年的诺贝尔奖得主James Peebles在这个范畴做出了开创性的供献。他经过过程详细的建模,并应用分析和数值办法,对宇宙的根本属性停止了摸索,发清楚明了意想不到的新物理学。如今,我们有了一个同一的模型,可以或许描述宇宙从最后的几分之一秒到如今和悠远将来的状况变更。

图一:左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射。图一:左边是宇宙未知的来源点,逐步向右边扩大,构成一个赓续变暗的宇宙。右边的曲线指导背景辐射。

  现代宇宙学建立在爱因斯坦狭义相对论的基本上,假定了最后的“大年夜爆炸”时代,当时宇宙极端高平和稠密。大年夜爆炸后不到40万年,宇宙温度降低到3000K阁下,电子与原子核得以结分解原子。由于没有留下任何能随便马虎与光子相互感化的带电粒子,当时的宇宙对光是透明的。这类辐射如今以宇宙微波背景(CMB)的情势出现。由于宇宙学上的红移,CMB的温度今朝只要2.7K——自物质和辐射去耦(decoupling)以来,这一系数降低了约1100倍。在图1中,CMB的来源可以算作一个屏幕,使我们没法随便马虎地回溯到大年夜爆炸后几百万年之前的时间。

  美国恐怖小说作家埃德加·爱伦·坡是最早提出宇宙始于大年夜爆炸这类不雅点的人之一,他在他的散文诗《尤里卡》(Eureka)中描述称,宇宙是有开真个,以此来解释为甚么夜晚的天空是阴霾的。这一成绩后来被称为奥伯斯佯谬,由德国地理学家海因里希·威廉·奥伯斯(Heinrich Wilhelm Olbers)于1823年提出,指出若宇宙是稳恒态且无穷的话,那早晨应当是光亮而不是阴霾的。在《尤里卡》中,爱伦·坡乃至提出宇宙最后是一个“原始粒子”,然后爆炸了。

  1922年,俄罗斯数学家、宇宙学家亚历山大年夜·弗里德曼(Alexander Friedman)应用爱因斯坦新提出的狭义相对论,初次提出了宇宙收缩的数学实际。他在1924年进一步生长了本身的实际。1927年,这些不雅点被比利时上帝教神甫和地理学家乔治·勒梅特(Georges Lemaitre)重新发明,他后来提出了“原始原子”的概念。勒梅特还认为,星系之间正在相互阔别,这一点可以用宇宙收缩来解释。1924年,瑞典地理学家克努特·伦德马克(Knut Lundmark)取得了类似的不雅测成果,虽然严密性和精确性有所缺乏。随着美国地理学家埃德温·哈勃(Edwin Hubble)在1929年的不雅测,人们广泛接收了宇宙实际上在收缩的不雅点。

  经过过程地理不雅测,我们懂得到以核子情势存在于恒星、气体云等构造中的惯例重子物质的数量,不逾越今朝总能量密度的5%。另外,暗物质占宇宙临界密度的26%。我们也能够称暗物质为看不见的物质,由于它既不发光也不接收光。到今朝为止,地理学家只能经过过程暗物质的引力效应来懂得它。

  宇宙中最重要的构成部分是宇宙学常数,它代表了不受收缩影响的恒定能量密度。宇宙学常数是暗能量的两种模型之一,“暗能量”一词也说清楚明了它随时间和空间变更的能够性。也就是说,暗能量不用定是量子场论中引入的常数,也不用定与真空能量有关。不雅测成果注解,暗能量约占宇宙临界密度的69%。随着物质的其他成分被收缩稀释,暗能量将随着时间变得愈来愈重要(除非它的能量密度开端降低)。

  暗能量可以迫使星系加快阔别彼此,这一点仿佛其实不直不雅,但倒是暗能量不平常属性的直接后果。图1的右半部分显示了宇宙加快收缩的阶段,星系的数量逐步稀少。在图1中,图中心橘白色的“火焰”显示的是大年夜爆炸时代,这暗示着在大年夜爆炸之前,能够还存在一个预备阶段,如收缩阶段。地理学家假定存在一个快速加快的收缩时代,这可以解释宇宙的几个特点,比如平坦性。

  宇宙的根本构成部分,和它们之间若何相互感化和演变的方程,构成了大年夜爆炸宇宙学中的索引模型,有时称为ΛCDM(Λ-冷暗物质模型)。个中Λ为宇宙学常数,是解释以后宇宙不雅测到的加快收缩的暗能量项;CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模型是物理宇宙学的一次成功,它体系地将物理定律应用于宇宙的演变。该模型最重要的开创人之一就是James Peebles,他出版的三本教科书《物理宇宙学》(1971)、《宇宙的大年夜标准构造》(1980)和《物理宇宙学道理》(1993)曾经成为该范畴重要的参考文献。

  获奖者简介

  James Peebles,1935年出身于加拿大年夜温尼伯。1962年获美国普林斯顿大年夜学博士,如今是美国普林斯顿大年夜学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉迷信传授。

  Michel Mayor,1942年出身于瑞士洛桑。1971年取得瑞士日内瓦大年夜学博士,如今是瑞士日内瓦大年夜学传授。

  Didier Queloz,1966年出身。1995年取得瑞士日内瓦大年夜学博士,如今是瑞士日内瓦大年夜学和英国剑桥大年夜学传授。

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