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光学教学笔记之不做迷兔 精选

已有 3794 次阅读 2019-10-10 23:03 |个人分类:大众物理学|系统分类:科普集锦

 

实迷途其未远,觉今是而昨非。

 

2019年诺贝尔物理学奖的获奖者是皮博斯(James Peebles) 、麦耶(Michel Mayor)和奎洛兹(Didier Queloz)。他们的工作虽然属于天文学和宇宙学,但都与光学有些关系,就借机说两句。

 

我们经常用“白驹过隙”或“弹指一挥”来形容时间过得飞快,用“九牛一毛”或“沧海一粟”来形容大小相差悬殊。但是,今年的诺奖告诉我们,地球在宇宙中的地位就是没有地位,人类在宇宙中的用时就是没有用时。他们的工作为我们理解宇宙的演化和地球的地位做出了重大贡献。(for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth's place in the cosmos

 

皮博斯是理论物理学家,但是也需要天文观测数据,特别是宇宙微波背景辐射(宇宙大爆炸的余辉)。本来他是打算自己测量的,但是当他们几个人还在做准备的时候,贝尔实验室打来了一个电话,彭齐亚斯(Arno Allan Penzias)和威尔逊(Robert Woodrow Wilson)希望得到普林斯顿大学的建议:他们在自己搭建的灵敏度极高的号角式接收天线系统天线里,发现了古怪的无法消除的噪声信号,但怎么都不能解释。

皮博斯的导师迪克(Robert Dicke)立刻认识到,彭齐亚斯和威尔逊无法消除的7厘米微波噪声信号,正是他们想测量的宇宙微波背景辐射,对应于大约3K的黑体辐射温度。皮博斯不用做实验了。最后,贝尔实验室的两个人写了一篇实验文章,专门讲观测结果,普林斯顿的四个人写了一篇理论文章,给出了物理解释。这两篇文章同时发表在1965年的《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal)上。

宇宙微波背景辐射(CMB)是一种黑体辐射,其测量是典型的光学测量,只是波长位于微波波段而已。成语“炉火纯青”则是起源于可见光波段的黑体辐射,由于冶炼技术的改进,冶炼炉里的温度升高了,炉火的颜色由红黄色转为青蓝色。

宇宙微波背景辐射基本上是各向同性的,但是这要消除地球运动导致的多普勒效应。换句话说,宇宙中任何一个地方,其实都有一个特殊的参考系,其中的宇宙微波背景辐射是各向同性的。至于说宇宙中各处的这个特殊参考系是不是同一个参考系,现在恐怕还不知道答案。

当然,宇宙微波背景辐射并不是完全各向同性、一点结构也没有的——如果那样的话,宇宙就太无聊了。2006年,马特(John C. Mather)和斯穆特(George F. Smoot)由于测量宇宙微波背景辐射的各向异性anisotropy而获得诺贝尔物理学。而今年获奖的皮博斯的贡献至少有一部分是与微波背景辐射的结构有关的。

 

麦耶和奎洛兹是做天文观测的,他们的贡献是发现了太阳系外第一颗绕着类太阳恒星运动的行星。听起来有些绕,原因是太阳系外第一颗行星的发现者另有其人:1992年,射电天文学家Aleksander Wolszczan Dale Frail在脉冲星PSR 1257+12周围发现了两颗系外行星。

麦耶和奎洛兹的观测方法叫作“径向速度法”,就是测量恒星光谱的多普勒频移。我们知道行星在万有引力的作用下绕着恒星运动,其实这两者都是绕着他们共同的质心运动,所以,这个恒星想对于地球(也就是我们这些观测者)的速度是周期性变化的。当恒星朝着我们运动的时候,其光谱就会向短波方向移动(蓝移),当恒星离开我们的时候,光谱就向长波方向移动(红移)。当然,这个变化是非常小的,需要用精心设计的高灵敏度的光谱仪才能够测量(这个光谱仪的名字叫ELODIE)。1995年, 麦耶和奎洛兹在《自然》杂志发表文章,宣布首次在类太阳恒星(飞马座51)周围发现了一个行星。这颗行星质量很大(接近于我们的木星),到类太阳恒星(飞马座51)的距离很近,公转周期只有4天多一点,所以类太阳恒星(飞马座51)相对于我们的运动速度达到了大约50米每秒。即便如此,多普勒频移的变化也只有$10^{-7}$的量级。

Aleksander Wolszczan 和Dale Frail在脉冲星周围发现行星的方法叫作脉冲计时法,也和行星导致的脉冲星周期性运动有关:行星的运动周期性地影响了脉冲星发射的脉冲。细节就不讲了,只说一点:1991年,Andrew Lyne等人声称用这种方法发现了一个围绕PSR 1829-10的脉冲星行星——但是他们很快就撤回了结果。

至于说为什么得奖的是前两位而不是后两位,诺奖委员会当然有他们的理由,在我看来也不难理解:这世界上最难找的东西是钱,最好找的是借口。

 

还有其他的方法可以发现太阳系外行星,最厉害的是“掩星法”:如果行星的公转轨道碰巧位于地球和恒星的连线上,就会挡住一部分星光,这跟日食以及“金星凌日”是一个道理。用天文望远镜观测星星的亮暗变化,再利用开普勒定律,就可以推断出其周围是否存在行星。因为这种方法可以同时观测很多个星星,效率比“径向速度法”更高。2009年,开普勒太空望远镜(KEPLER)升空,专门用来探测太阳系外的类地行星,迄今已经发现了几千颗太阳系外的行星了。

掩星法观测的领军人物是马西(Geoffrey Marcy),很多的太阳系外行星都是他发现的,多年以来一直是呼声很高的诺奖竞争者。2005年,马西和麦耶共同获得了邵逸夫天文学奖。当今年诺奖公布的时候,会不会有人替他说一句“Me too”呢?答案是没有,因为前几年已经有人替他说过了:2015年,因为被指控在2001-2010年对多个学生有性骚扰的行为,马西辞去加州大学伯克利分校的职位——可以说这是2017年“Me too”运动的一个先声。

 

诺贝尔奖奖励的是原创性的成果,如果你的工作只是“Me too”,肯定是不行的;现代社会里男女平等,性骚扰是千夫所指,如果“Me too”了就更不行了。所以说,今天的故事就归结于题目中的那句话:

不做迷兔!





2019年诺贝尔奖
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