改變人類對宇宙的認知
——寫在2019年諾貝爾物理學獎揭曉之際

□ 鄭莉穎

北京時間2019年10月8日，瑞典皇家科學院在斯德哥爾摩宣布，將2019年諾貝爾物理學獎授予詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）、米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）。

為了表彰他們在人類理解宇宙演化史和地球在宇宙中所處位置研究方面的貢獻，瑞典皇家科學院頒發了900萬瑞典克朗（約合人民幣697萬元）的獎金。其中，因“在物理宇宙學的理論發現”獲獎的皮布爾斯分得一半獎金，因“發現了一顆圍繞類太陽恒星運行的系外行星”獲獎的麥耶和奎洛茲，則共享另一半獎金。

諾貝爾委員會認為：他們的發現，永遠地改變了人類對宇宙的認知。

對宇宙結構和歷史的新認識

詹姆斯·皮布爾斯與擁有數十億個星系和星系團的宇宙展開了較量。他的理論框架起源于20世紀60年代中期，已經發展了20多年，是當代宇宙觀的基礎，使人類對宇宙環境有了更深刻的認識。

——摘自諾貝爾獎官網

對普通大眾而言，有關宇宙的知識是晦澀的，除了“宇宙大爆炸”“宇宙膨脹”這些耳熟能詳的認知，只有真正的從業人員或者興趣愛好者，才會進一步了解到：宇宙膨脹理論意味著它曾經密度更大、溫度更高。

“初期的宇宙是一鍋熾熱、致密的‘粒子湯’，其中的輕粒子、光子在其間來回反彈。”在近40萬年的時間里，粒子們相互結合，光子們自由移動，于是形成了由氫、氦原子組成的透明氣體，及充滿整個宇宙的第一束光。之后，宇宙的膨脹拉長了可見光波，逐漸演化出波長只有幾毫米的不可見微波。

一直以來，人類探索宇宙的步伐從未停止，其中極為重要的一筆，即預言宇宙微波背景輻射的存在便是皮布爾斯奠定了其物理宇宙學研究的起點。作為宇宙微波輻射的提出者之一，在某種程度上，皮布爾斯與這一概念最早的提出者伽莫夫和阿爾夫師徒有著同樣不可磨滅的貢獻。

2019年諾貝爾物理學獎獲得者：詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲。

20世紀60年代，在美國的兩個無線電工程師找到了皮布爾斯，告訴他一個無法解釋、意外的“噪音發現”。當時，皮布爾斯剛剛向政府建議“在微波段尋找宇宙微波背景輻射”，并加快實驗設計，一聽到這個消息大為振奮。他投入到對這種“神秘發現”的研究中，最終經過重重理論驗證，確認那就是宇宙微波背景輻射。

“近140億年后，背景輻射的溫度已經下降到接近絕對零度(-273℃)。當皮布爾斯意識到背景輻射的溫度可以提供關于宇宙大爆炸中創造了多少物質的信息時，宇宙學的重大突破隨之而來，并使得我們了解到這種光對物質后來如何聚集形成現在太空中的星系和星系團起到了決定性的作用。”相關報道指出，微波背景輻射的發現開創了現代宇宙學的新紀元，這使得兩個無線電工程師阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜于1978年獲得了諾貝爾物理學獎。

自此之后，隨著現代宇宙學的理論研究更為細節化、具象化，在幾十年的時間里，皮布爾斯使用各種理論工具和計算，完成了一次又一次對宇宙的“窺探”，解釋著那些來自宇宙嬰兒時期的線索，并且還發現了新的物理過程。他做了諸多深入的理論研究，例如，微波背景輻射應該是怎樣的、宇宙在大尺度上的不均勻是怎樣形成和演化的等。其中，他和蘇尼亞耶夫、澤爾多維奇共同開展了宇宙大尺度結構最初的理論框架性研究，預言了宇宙微波背景輻射可能存在著，同宇宙微波背景輻射溫度相關的漣漪。而這一“漣漪論”于1992年被NASA發射的宇宙微波背景輻射衛星COBE證實。主導COBE項目的約翰·馬瑟和喬治·斯穆特也因此榮獲諾貝爾物理學獎。

看到這里不難發現，皮布爾斯數次與諾貝爾獎擦身而過，在外界看來，他的陪跑經歷頗有些戲劇色彩。但他自己卻十分看得開，寄語有志投身科研的年輕人，不要為得獎做科研。“你們應該出于對科學的熱愛而從事科研，獎項雖然有吸引力且令人感激，但這并不應該是你們計劃的一部分。你們應該是因為對科學著迷而研究，我就是這樣。”

為科學著迷的皮布爾斯，以其對物理宇宙學的洞見影響著現代宇宙學。他陸續發表的文章和著作，發展了宇宙結構形成的理論，為宇宙學從猜測轉變為實證科學奠定了基礎。但是，這些對于宇宙學研究還遠遠不夠。皮布爾斯的研究結果顯示：人類所知的涵蓋恒星、行星、樹木及我們的“宇宙”只占到宇宙的5%，剩余的95%都是未知領域，包括暗物質以及暗能量。

在獲得2019年諾貝爾物理學獎之際，皮布爾斯也表示，雖然他的研究有助于加深了解宇宙起源，但暗物質和暗能量仍然是個謎團，“即使我們在宇宙進化方面的理解取得重大突破，很多問題仍然未解”。

在太陽系的“鄰居”那兒發現未知行星

米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲在探索銀河系，從中尋找未知的世界。1995年，他們首次發現了一顆圍繞類日恒星運行的系外行星，這一發現顛覆了人類對世界的固有看法，并引發了天文學歷史上的革命。

——摘自諾貝爾獎官網

基于恒星會因行星引力變化而產生微小擺動的理論，麥耶和奎洛茲發現了首顆太陽系之外的行星，將其命名為“飛馬座51 b（51Pegasi b）”。他們在法國南部的上普羅旺斯天文臺，使用定制的儀器觀測到了它，發現它圍繞著距離地球50光年的恒星——51Pegasi快速旋轉，且需要4個地球日的時間來完成一次公轉。

這一發現引起了天文學界的沸騰。

一是因為采用了新方法尋找系外行星，二是利用觀測到的飛馬座51 b周期與當時唯一可用的數據點——太陽系、木星（公轉周期大約為12年）做對比，顯然，這顆氣態行星根據以往約定俗成的行星系統觀念，其公轉周期并不能夠被解釋。也正是因為這樣，天文界掀起了一場浩浩蕩蕩的革命，天文學家們不得不重新思考已存在的觀測方法、行星形成理論是否合理。

在此后的20多年間，隨著技術手段的不斷發展、探測精度的提升，人類在了解宇宙的過程中累計找到了4000多顆系外行星。這些行星有著千奇百怪的體積、形態和軌道，不斷挑戰著固有的行星系統觀念，使舊理論漸漸被修正，新理論逐步成型。

在這個過程中，由于行星本身并不具有發光的特性，尋找、追蹤起來難度頗大。已知的徑向速度法，通過測量恒星在受到其行星引力影響時的運動來實現。這種方法十分復雜，主要是利用恒星因行星運動產生的輕微移動，且兩者均會繞著共同的引力點移動，來從地球某一觀察點記錄恒星的“前后擺動”。“這種徑向速度可以用眾所周知的多普勒效應來測量：當恒星朝向我們移動時，發出的光更藍；如果物體離我們遠去時，發出的光就更紅。”諾貝爾獎官網在解讀中指出，行星的影響使恒星光在藍色和紅色之間交替變化，天文學家用儀器捕捉到恒星光波長的變化，并通過測量恒星光的波長，精確地確定顏色的變化，從而得到徑向速度。除了徑向速度法之外，如今天文學家還通過凌日測光法搜尋系外行星。該方法可測量當一顆行星經過所屬恒星前方時引起的光強變化。同時，由于來自恒星的光在到達地球之前會經過行星大氣層，這種方法還使得天文學家能夠觀察系外行星的大氣層。

方法運用的純熟加快了行星研究的進程。徑向速度法與凌日測光法結合使用，前者確定行星的質量，后者測量行星的大小，從而有可能通過計算得出行星的密度，并進一步確定其結構。與此同時，有關行星形成物理過程的問題也在持續增加，且復雜性日益增強。

從各方的解讀中可以知道，行星誕生離不開圍繞新生恒星的旋轉氣體，也就是氫氣和氦氣，更不能夠缺少新生恒星周圍的塵埃顆粒，即非晶硅、碳化合物和冰。塵埃顆粒在靜電作用下逐漸凝聚成更大的塊狀物。“這一過程很大程度上取決于參與其中的碰撞能量，而碰撞能量又取決于氣體和塵埃盤的動蕩程度（天文學家對此還不甚了解）以及在與氣體相互作用的過程中朝中央恒星發生的輻射遷移。”相關報道還指出，顆粒物形成塊狀物，塊狀物的體積在多方作用下持續增長，慢慢地，成為直徑上百米甚至更大的“微行星”。

“微行星之間的相互碰撞可能會將其摧毀，也可能形成更大的微行星體。微行星增長到一定大小之后，‘礫石吸積’便成了主導的增長機制，在此基礎上進一步形成原行星，最終形成行星。”然而，這一過程中還有許多細節尚不清楚，還等待著研究人員的進一步探索。

在宇宙中追尋行星，歸根結底是人類對生命的探索。地球這顆行星之外是否還有生命存在，這是一個永恒的問題。

“人們關心地外生命，第一步首先需要發現系外行星，下面才有可能發現系外生命，乃至智慧生命。在恒星演化早期和晚期，恒星都不穩定，周圍很難存在高級生命，只有類太陽星周圍的行星才有這種可能。因此，兩位諾貝爾獎得主是第一個在類太陽星周圍發現了一顆系外行星，滿足了人們想在太陽系之外找到系外行星的想象，為大家打開了一扇通往尋找系外生命的大門。”中國科學院國家天文臺專家接受媒體采訪時，曾這樣解釋了系外行星發現的意義。

但遺憾的是，首顆系外行星飛馬座51 b從已知情況來看，并不具備生命體存在的環境。其公轉時間決定了它距離恒星較近，大概只有800萬公里，也因此可推測行星溫度達到了1000℃，相比距離太陽1.5億公里、溫度適宜的地球，顯然沒有達到生物生存的條件。

不管是探索行星形成系統、宇宙生命，還是解開暗物質和暗能量疑團，人類對于未知，一如既往地前赴后繼，等待著一項又一項偉大發現的問世。此次天體物理成就問鼎諾貝爾獎無疑是振奮人心的激勵，但不論這種激勵是有是無、或多或少，就像皮布爾斯說的那樣，他們始終為科學著迷而研究。

獲獎人簡介：

詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），加拿大裔美國物理學家和理論宇宙學家。1935年出生于加拿大溫尼伯市，1962年在美國普林斯頓大學博士畢業，現任普林斯頓大學阿爾伯特—愛因斯坦科學教授。主要貢獻包括：推動讓愛因斯坦后悔不已的宇宙常數重返宇宙學、預測并促進宇宙微波背景輻射研究、理論證實暗物質和暗能量的存在。

米歇爾·麥耶（Michel Mayor），瑞士天文學家。1942年出生于瑞士洛桑市，1971年在瑞士日內瓦大學博士畢業，2007年退休前任教于日內瓦大學天文學系，目前仍以榮譽退休教授身份在日內瓦天文臺開展研究。主要貢獻包括：1995年發現第一個圍繞類日恒星運行的系外行星——飛馬座51b，此后將研究聚焦在搜尋系外行星上。

迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz），瑞士天文學家。1966年出生，1995年在瑞士日內瓦大學博士畢業，現任日內瓦大學和劍橋大學教授。主要貢獻包括：與導師米歇爾·麥耶一起發現飛馬座51b、開發新的觀察太陽系外行星的天文學儀器和實驗技術。