让人类重新认识宇宙

杨阳

2019年10月8日，2019年诺贝尔物理学奖揭晓：加拿大裔美国科学家詹姆斯·皮布尔斯、瑞士科学家米歇尔·马约尔、瑞士科学家迪迪埃·奎洛兹3人获奖。其中一半奖金授予詹姆斯·皮布尔斯，获奖理由是“对于物理宇宙学方面的理论发现”；另一半奖金授予米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，获奖理由是“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。皮布尔斯对宇宙学的洞见丰富了整个物理宇宙学领域的研究，成为当代宇宙学的基础；马约尔和奎洛兹探索了我们的宇宙邻域的未知行星，他们的研究指向一个永恒的问题：地球之外是否还有生命存在？

揭示宇宙历史

詹姆斯·皮布尔斯1935年 4月25日出生在加拿大曼尼托巴省温尼伯，目前就职于美国普林斯顿大学，他今年已经84岁了。在得奖之前，他已经在宇宙微波背景辐射领域工作了近60年。他的探究使我们对宇宙的结构和历史有了全新的认识，有助于我们理解宇宙在大爆炸后是如何演化的。

現在我们都知道，宇宙起源于大爆炸。大爆炸理论认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。大约140亿年前，在宇宙开始的时刻，当时的宇宙非常热，密度相当大。自宇宙爆炸之后，宇宙体系不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，温度也很快冷却、下降。大爆炸后不到40万年，宇宙变得透明，光线可以在太空中穿行。即使在今天，这种古老的辐射（宇宙微波背景辐射）仍然存在于我们周围，宇宙许多的秘密都隐藏在其中。这些热辐射扩散到整个宇宙中，随宇宙不同阶段的发展而变化，成为宇宙生长的“年轮”。皮布尔斯利用他创建的理论工具和运算方法，将宇宙诞生之初留下的“蛛丝马迹”成功“解码”。

物理宇宙学是怎样的一个领域 物理宇宙学（简称宇宙学）是天体物理学的一个分支，是研究宇宙大尺度结构、宇宙形成和演化的学科。宇宙学研究关于宇宙的起源和演化问题。在哥白尼、牛顿之后，宇宙学慢慢成为科学。一般认为，现代宇宙学的起源可以追溯到爱因斯坦广义相对论的提出和对极远天体的观测。现代宇宙学就像考古学，根据宇宙早期自然过程所留下的遗迹来推断宇宙的演化。曾几何时，宇宙学充斥着没有坚实依据的猜想，数据也少得可怜。但今天，宇宙学已经成长为一门精确的数学科学，愈发精确的观测数据正发挥关键性作用。在过去的50多年中，把宇宙学从推测科学变成一门可以定量计算的科学的关键人物之一就是詹姆斯·皮布尔斯。在每一项巨大的理论成就中，几乎都能看到皮布尔斯的身影。

皮布尔斯在宇宙学方面的贡献主要集中在宇宙微波背景辐射上。为了探索宇宙初期发生了什么，接下来又将发生什么，皮布尔斯与拥有数十亿个星系和星系团的宇宙展开了较量。早在20世纪60年代，他与罗伯特·迪克等人一起预测了宇宙微波背景辐射。宇宙微波背景辐射的发现为宇宙大爆炸模型提供了强有力的证据，同时皮布尔斯还用大爆炸理论解释了宇宙初期的痕迹，并发现了新的物质进程。因此，宇宙微波背景辐射在现代已成为精确测量宇宙学的关键。通过观测微波背景辐射，皮布尔斯推断出宇宙的过去：从宇宙最初极高速的爆炸，到转入所谓热大爆炸，再到逐渐冷却，形成第一代的恒星和星系，形成今天的宇宙……宇宙微波背景辐射的角功率谱上，忠实地记录着这一切。皮布尔斯建立了一个模型，通过这个模型，能够描述宇宙从最初的几分之一秒到现在以及遥远未来的状态变化。根据皮布尔斯提出的模型，人们发现宇宙中存在着大量暗能量和暗物质；根据他的理论，科学家推测出了宇宙的成分—构成行星和人类的普通物质仅占宇宙物质总量的5%，剩下的是26%的暗物质和69%的暗能量。皮布尔斯对物理宇宙学的理论见解为物理宇宙学从推测到科学的转变奠定了基础。

在颁奖典礼现场，有记者向皮布尔斯提问：其他的行星上是否有生命呢？皮布尔斯认为：目前来说，这仅仅是一种猜测。我们已经非常确认地球之外会有适宜生命存在的星球，那里会有可以称之为生命的存在。但是这些生命是否跟地球上的生命相同，这个就很难知道了。虽然我们认为可能其他的行星上有生命，但是我们也并不能看到这些生物。

开启太阳系以外的新世界之门

许多科学先驱都曾经预言，满天繁星中一定有许多恒星，也拥有围绕它们旋转的行星。然而，那些行星距地球太过遥远，所反射的光又太过微弱，想要“看”到它们并不容易。美国天文学家、科幻作家卡尔·萨根也坚信宇宙中不止一个地球。他说道：“如果上帝只为人类创造了这么大的一个宇宙，那也太浪费空间了。”20世纪90年代，这个猜想终于被米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹的观测证实了。1995年10月，他们宣布首次在太阳系外发现了一颗行星，它围绕着我们的银河系中的一颗类日恒星运行，这颗恒星距离地球50光年。在法国南部的上普罗旺斯高地天文台，他们使用定制仪器观察到了系外行星“飞马座 51b”（51 Pegasi b）。这是人类首次在一颗与太阳相似的恒星周围发现行星，这颗行星的质量下限差不多是地球的150倍，表面有大气，整体呈红热状态。最重要的是“飞马座 51b”所环绕的恒星与太阳非常相似：大小相近而且正值壮年。而之前，天文学家观测到的母恒星不是已经死亡的脉冲星，就是步入暮年的红巨星。

马约尔和奎洛兹的发现在天文学界掀起了一场革命，有科学家称这颗行星的发现为人类寻找宇宙中的伙伴帶来了新希望；也有科学家称他们为“新世界的发现者”，认为这一发现堪比哥伦布发现新大陆。人类终于知道，太阳不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发现显示，行星系统具有广泛的多样性。“飞马座51b”的发现点燃了系外行星探索的“星星之火”。得益于各类观测技术的突飞猛进，迄今科学家们在银河系发现的行星数量已超过4000颗，其中包括位于半人马座、距离地球4.2光年的宜居星球“比邻星b”，距离地球39光年的“七星绕日”系统TRAPPIST-1，以及表面存在大气和水的K2-18b。各种各样的新天体仍在不断被发现，其大小、形状、轨道之丰富令人难以置信。它们挑战了我们对行星系统的已有认识，迫使科学家们修正行星起源理论。根据现有的数据估算，在银河系中与地球类似的行星可能有110亿颗，不难想象，也许其中的一颗就是人类未来的新家。随着大量寻找系外行星的计划得以成行，我们可能最终会找到“是否有其他地外生命存在”这个永恒问题的答案。

值得一提的是，此次获奖的两位瑞士天文学家还是一对师生。米歇尔·马约尔1942 年出生于瑞士，1971年获得瑞士日内瓦大学博士学位，现在是瑞士日内瓦大学教授。自从马约尔发现了“飞马座51b”之后，他的研究则主要是发现太阳系外行星。2009年，马约尔和他的团队发现环绕主序星的、目前质量最小的太阳系外行星格利泽581e。迪迪埃·奎洛兹1966年2月出生，他是卡文迪许实验室和日内瓦大学的物理学教授。1995年，奎洛兹在日内瓦大学攻读博士学位期间，与他的导师马约尔一起发现了太阳系外的第一颗巨行星。从那时起，奎洛兹就参与了一系列成功的精密光谱仪开发工作，极大地提高了多普勒技术的精度。2007年，在新兴的行星轨道探测领域，他与英国的WASP团队建立了成功的国际合作，为光谱确认、精确的光度跟踪和新行星的确认提供了新的研究方法。他还积极参与过境行星的探测工作。因为开发出了新的观察太阳系外行星的天文学仪器和实验技术，2011年，奎洛兹和他的博士导师马约尔获得了BBVA基础科学前沿知识奖，2017年，奎洛兹获得了沃尔夫物理学奖。

他们改变了人们对宇宙的认识

今年的诺贝尔物理学奖获奖者改变了我们对宇宙的看法。皮布尔斯的理论发现有助于我们理解宇宙在大爆炸后是如何演化的，让我们得知了暗物质的存在；马约尔和奎洛兹则在寻找未知行星的过程中探索到了我们在宇宙中的邻居。因为这3人的成就，当我们再次审视宇宙，视角已与前人完全不同。在过去的几十年里，我们不仅对宇宙的理解发生了深刻的变化，而且对地球在宇宙中所处的地位看法也发生了巨大的改变。