物理宇宙学的奠基者和系外行星的发现者 | 2019年诺贝尔物理学奖解读

原创： 施郁 中国科学报 昨天

作者 | 施郁（复旦大学物理学系教授）

按：诺奖公布后，立即完成这篇中国科学报约稿，已在中国科学报微信发布。文章完成后，20点开始，我还参加了哔哩哔哩和赛先生的直播，直播回看网址：https://m.bilibili.com/video/av70598179.html?from=groupmessage&isappinstalled=0

 

2019年诺贝尔物理学奖授予做出”物理宇宙学的理论发现”的皮布尔斯（James Peebles）和”发现绕着类似太阳的恒星运动的系外行星"的麦耶（Michel Mayor）和奎洛兹（Didier Queloz）。 

宇宙学在过去50年成为一门精确科学，皮布尔斯陪伴了这个领域的成长，对之做出若干重要贡献，是这个学科的代表人物。

 

苏联物理学家弗里德曼早在1924年就根据爱因斯坦的广义相对论预言了宇宙的膨胀，然后哈勃于1929年观测宇宙退行，从而证实宇宙确实在膨胀。这使得爱因斯坦后悔引入宇宙学常数，使得宇宙保持静态。

 

大爆炸宇宙学的创立要等到弗里德曼的学生、杰出的俄裔美籍物理学家兼科学作家伽莫夫（George Gamow）。

伽莫夫后来又和他的学生Ralph Alpher及Robert Herman计算了微波背景辐射（当时认为是5K）以及氦丰度。伽莫夫也讨论了星系形成。

 

1965年，贝尔实验室的两位无线电工程师彭齐亚斯和威尔逊发现了一个奇怪的信号，这就是宇宙微波背景辐射，导致二人后来获得诺贝尔奖。

普林斯顿大学资深物理学家狄克（Robert Dicke）领导的宇宙学小组告诉他们这是宇宙大爆炸的遗迹―宇宙微波背景辐射，而皮布尔斯正是这个小组的关键人物。皮布尔斯一直在普林斯顿大学工作。

这个宇宙学小组本来还准备去观测宇宙背景辐射。

当时皮布尔斯的计算结果是10K，他给出了温度与物质密度、以及氦合成的关系。皮布尔斯和合作者还讨论了宇宙中重子物质（由原子核构成的物质）的含量，注意到比观测值少很多。

而皮布尔斯单独的一个工作是指出辐射在星系形成中的作用。

这个工作以及苏联物理学家Yakov Zeldovich的相关工作是物理宇宙学的开始，使得宇宙学成为一门精确科学和发现新物理的工具。

后来，皮布尔斯与合作者还发现宇宙背景辐射的各向异性的衰减、声学波对宇宙背景辐射的影响、银河系中的暗物质（有些工作也由他人独立发现）。

 

皮布尔斯首先提出了冷暗物质模型，探讨了对微波背景辐射的各向异性核宇宙大尺度结构形成的效应。后来他又考虑了宇宙学常数的影响，与冷暗物质结合起来，叫做ΛCDM模型。

诺奖文件指出，所谓宇宙学标准模型的奠定也以皮布尔斯1980年代的2篇文章为标志。皮布尔斯有一部教科书就叫《物理宇宙学原理》。

                                    作者N年前购买的皮伯斯著作

之前诺贝尔奖已经有几次授予宇宙学的观测成就，包括微波背景辐射的发现、微波背景辐射中的各向异性、宇宙加速膨胀，但这次是第一次授予理论家。这也代表了对于宇宙学理论的承认，代表了一个里程碑。 

本次诺奖的另一部分是授予系外行星的发现者瑞士日内瓦大学教授Michel Mayor和Didier Queloz（Queloz现在英国剑桥大学）。

2015年，我在科学网博文《可能问鼎诺贝尔物理学奖的天体物理成就》中写道：

 

1995年10月6日，瑞士人Michel Mayor和Didier Queloz首先发现距离地球50.9光年、被称为“飞马51”（Pegasi 51）的一个位于飞马座的一个恒星有一个行星。10月12日，美国人Geoffrey Marcy和Paul Butler确认。这是第一个被发现的太阳系外行星，被记为51 Pegasi b，非正式名为柏勒洛丰（Bellerophon）。据说2015年11月要公布征集来的正式名字。在这个划时代发现后，已有约两百颗太阳系外行星被发现。2009年NASA发射了专门用于寻找太阳系外行星的太空望远镜Kepler。这个望远镜发现了一百多行星以及一千多疑似行星候选者。

 

正如诺奖官方文件所说，因为“对我们理解宇宙的演化以及宇宙中地球的位置的贡献”，这三位科学家获得了今年的诺贝尔物理学奖。

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