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84歲天文學家終獲諾獎,在他之前,研究宇宙基本靠猜-夢之網科技

夢之網科技?2019-10-08?文章動態?

出品:科普中國

制作:魚長弓(關西科健產業研究院)

監制:中國科學院計算機網絡信息中心

2019年諾貝爾物理學獎的一半授予美國物理學家和理論宇宙學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles),以表彰其在宇宙物理學的理論發現中做出的突出貢獻。

來來,看一下什么叫“突出貢獻”。皮布爾斯做了大量工作使得物理宇宙學成為嚴肅的、定量的物理學分支,他為宇宙學中幾乎所有的現代研究奠定了基礎,包括理論和觀測,將一個高度猜測性的領域變成了一門精密的科學。

毫不夸張的說,咱們普通人能說的出來的跟宇宙學相關的詞,什么宇宙大爆炸、星系紅移、暗物質,都跟他的研究有關!

84歲天文學家終獲諾獎,在他之前,研究宇宙基本靠猜-夢之網科技

詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)

他的貢獻有多大?一句話:將宇宙學從推測轉變為科學

宇宙學是研究宇宙起源和進化的一門學科,過去的五十年是宇宙學的黃金時代。上世紀60年代,宇宙學從推測轉變為科學,而推動這一轉變的關鍵人物就是詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles),他的發現將宇宙學牢牢地安置在科學地圖上,豐富了整個研究領域。他的第一本書《物理宇宙學》(1971年)啟發了新一代的物理學家。

“我們來自何處,又將往去何處?”這是一個永恒的問題。在信仰和意義之外,宇宙學為人類提供了一種解答問題的新思路。直到近一百年,人類才有了對宇宙演化的科學描述。在此之前,宇宙被認為是靜止的和永恒的。但早在上世紀20年代,天文學家發現,所有星系都彼此遠離,并且在遠離我們,這意味著宇宙在成長。現在的我們知道,今天的宇宙與昨天的宇宙不同,而明天的宇宙又將和今天的宇宙不同。

下面咱們就詳細說說皮布爾斯的幾個重要貢獻。

貢獻一:推動讓愛因斯坦后悔不已的宇宙常數重返宇宙學。1916年,愛因斯坦的廣義相對論已經預言了天文學家在太空中所看到的一切,這一理論現在也已經成為所有有關宇宙的大規模計算的基礎。

不過當愛因斯坦發現該理論得出的結論是空間在擴大時,他在方程式中添加了一個常數(宇宙常數),該常數將抵消重力的影響并使宇宙靜止不動。

而十多年后,科學家觀察到了宇宙膨脹,確認宇宙并非靜止的,也就不再需要這個常數了。愛因斯坦認為,這是他一生中最大的錯誤。不過,他不知道的是,宇宙學常數會在20世紀80年代,通過詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)的貢獻,重返宇宙學。

貢獻二:從宇宙的第一縷光芒里尋找宇宙誕生的秘密

宇宙的膨脹就意味著過去的它更密集,更熱。在20世紀中葉,我們稱宇宙的誕生為“大爆炸”。沒有人知道一開始的實際情況,但是早期的宇宙充滿了緊湊、熱和不透明的粒子,如同一碗湯。

經過將近40萬年的冷卻,這種原始湯冷卻到幾千攝氏度。原始粒子能夠結合,形成主要由氫和氦原子組成的透明氣體。緊接著光子開始自由移動,光得以在太空中傳播。宇宙的第一縷光線直到現在仍然充滿著宇宙。空間的擴展拉伸了可見光波,因此它們最終進入了波長為幾毫米的微波范圍,這也就是宇宙微波背景輻射。

1964年,兩位美國射電天文學家(1978年諾貝爾獎獲得者亞諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜)偶然抓住了宇宙誕生的光芒。但他們無法擺脫天線從太空各處拾取的恒定“噪聲”,因此他們在其他研究人員的研究中尋求解釋,其中包括詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)。當皮布爾斯(Peebles)意識到輻射的溫度可以提供有關在大爆炸中產生多少物質的信息時,現代宇宙學的新紀元開始了。

宇宙中起源于嬰兒期的古老輻射已經變成了一個金礦,它幾乎包含了所有宇宙學家想要知道的一切的答案。

“宇宙多大了?它的命運是什么?存在多少物質和能量?”科學家們可以從這些余輝中找到宇宙最初的痕跡。如同海浪反映著海洋的變動,這些漣漪(微波)揭示了早期宇宙的變化。

詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)引領了對這些最早的宇宙時代的化石遺跡的解釋。宇宙學家能夠以驚人的準確性預測背景輻射的變化,并展示它們如何影響宇宙中的物質和能量。第一個重大的觀測突破發生在1992年4月,當時美國COBE衛星項目的主要研究人員展示了宇宙中第一束光線的圖像,歐洲planck逐漸完善了這一圖像。

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Plank衛星繪制的最新最高分辨率宇宙微波背景輻射圖(圖片來源:ESA/NASA/JPL-Calteck)

貢獻三:理論證實暗物質和暗能量的存在

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