科学出版社分享 http://blog.sciencenet.cn/u/sciencepress 中国最大的综合性科技出版机构之一,科学家的出版社!

博文

新科诺贝尔物理学奖得主掀宇宙学革命:破译来自时间起点的信息

已有 1119 次阅读 2019-10-10 16:03 |个人分类:科学书摘|系统分类:科研笔记| 马库斯, 尚恩, 孙正凡, 科学出版社, 2019诺贝尔物理学奖

10月8日,瑞典皇家科学院公布了2019年诺贝尔物理学奖三位得主。其中美国普林斯顿大学教授James Peebles因“关于物理宇宙学的理论发现”而获得900万瑞典克朗奖金的一半。


IMG_7072.JPG


获奖者James Peebles 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六十年,对物理宇宙学的洞见丰富了整个研究领域,成功地把物理宇宙学从抽象科学变成了一门能定量、能计算的科学。


afe4c026e60c4e528251d914321fbafb.jpeg

James Peebles(图片来源:诺贝尔委员会)


诺贝尔委员会在推特上总结到:


“今年的诺贝尔物理学奖奖励了人们对宇宙结构、和宇宙历史的新认识,也奖励了人类首次发现的绕日行星。


b8fad9348ba9479390ee8b6033e1eff2.jpeg


而这些发现,用他们的话来说:


“永远地改变了人类对世界的观念。”


仰望星空的时候

你是否也曾想过

世界从何而起

 而我们

又从何而来

宇宙之大

今天让我们一起

微波眼看世界

远离大城市明亮灯光的旷野,夜晚如水晶般纯净。一轮明亮的满月从树梢飞往高空。在天鹅绒一般黑色的夜空里,星星就像宝石一样闪烁。但夜空里不止有所看到的这些……

 

我们眼睛所见到的可见光仅仅是在宇宙中流布的所有光线中极其微小的一部分。从太空之中向着地球倾泻而下的,还有不见的光流。

 

在人类历史的绝大部分时期,我们对这种光都一无所知。但近年来,天文学家拓展了我们的双眼。新建成的望远镜可以看到X射线、红外光、射电波,以及其他各种看不见的光。如今,有史以来第一次,我们能够看到更辉煌的宇宙。

 

想象一下,你可以看到天文学家们只是戴上一副“魔法”眼镜就能看到的一切,只要转动一下镜框上的按钮,就能“调节”到不同的光线上。你再也不会“失明”了,现在你有了红外眼睛、射电眼睛,以及能够看见紫外线、伽玛射线和X射线的眼睛。

 

用这些令人惊异的增强镜头,你能看到什么?

 

刚开始,似乎没有什么变化。然后你会意识到,月亮正在变暗,大多数恒星也是如此。很快,月亮就看不见了,群星也开始一个接一个消失了。但随着群星消失,从原本没有星星的地方又跳出来了新的星星,其中一些新的行星被朦胧的白云笼罩着。

 

这就是紫外天空。你的眼镜记录下的是当你在沙滩上躺太久导致晒伤的那种不可见的光线。只有那些最炽热的恒星才会闪耀着明亮的紫外线。

 

旋转一下。

 

群星又变了。现在天空中没有了熟悉的路标。天空中强烈光芒所标示的,是恒星相互吞噬之处,以及极其炽热的气体冲进黑洞之处。凡是物质被加热至几十上百万开尔文(开)的地方,都闪耀着X射线。

 

继续旋转。

 

现在一切又变暗了。我们现在看到的是伽玛射线,宇宙中能量最高的光线,由科学家所能想到最暴烈的事件所发出。现在天空看起来完全是黑的。

 

但还有一些微小却猛烈的闪光。你转过头来凝视,却什么都看不到,黑暗天空里一无所有。但如果你确实非常有耐心,盯着伽马天空连续看上几天,你会看到在另一片完全不同的天空又发生一道明亮的闪光。再过几天又会看到一次。天文学家们称之为“伽马暴”。它们是宇宙之中最猛烈的爆炸,我们所见到的它们来自宇宙边缘。还没有人能完全确定它们是什么,但它们可能是黑洞诞生时发出的啼哭。

 

继续调节按钮,除了黑暗,还有更多的黑暗,再没有什么可看之处了。把按钮向另一个方向旋转回来,经过X射线和紫外天空,回到我们熟悉的可见光天空,可以看到满月和我们熟悉的群星。但别停,继续,继续旋转。

 

你现在看到的是红外线。你看到的不是宇宙中的炽热天体,而是相对冷的天体。就连我们人类也会发出红外线。地震救援队用来探测被困在瓦砾之下的人们时用的是同一种光。

 

月亮也再次出现在天空中。但它不是反射的明亮的太阳光,而是由它贫乏的内热发出的暗光。现在天空中布满了陌生的星星,是恒星冷却的灰烬。它们是垂死挣扎的膨胀的红巨星,以及新诞生不久的恒星,还被包裹在它们从中形成的闪闪发光的气体之中。

 

但现在你又把红外天空甩在了后面,正在看到的是微波,也就是雷达和家家用来加热食物的微波炉所用到那一类光。如果现在我们的眼镜工作还正常的话,有些奇怪的事情正在发生:天空亮起来了,不是一部分天空,而是全部天空。

 

整个天空,从一侧地平线到另一侧地平线,全都发出均匀的珍珠般的白光。你继续向微波区域旋进按钮,可天空变得更亮了。整个太空看起来都在发光。你看起来就像身处一个巨大的灯泡之中。而且你所见到的都是非常真实的。它就是宇宙大爆炸的遗迹,是宇宙诞生其中的巨大火球。不可思议的是,那次事件发生之后137亿年,它仍然充满了太空每一个角落。

 

在这充满全宇宙的“宇宙微波背景”中,包含了比所有恒星发出的可见光更多的能量。实际上,在此时此刻,大爆炸辐射占据了在宇宙中穿行的光粒子数的99.9%。

 

然而,尽管在第二次世界大战期间,探测微波的技术已经发展出来了,但令人惊奇的是,直到1965年都没有人注意到这种“创世余辉”。甚至它在此时被发现也是出于偶然。意外发现它的两个天文学家拿到了诺贝尔物理学奖,但他们最初误以为它是鸽子粪便的微波闪光,而且在发现它之后至少一年里都不认为他们发现的是宇宙的起源。

 

发现来自宇宙大爆炸的残余辐射的精彩故事构成了本书的骨干。它通过曲折迂回的经历、意外事件和错失的机会,为我们提供了科学进展是如何发生的一个绝妙的事例。

 

宇宙微波背景是最古老的创世“化石”。它直接来自宇宙大爆炸本身,已经在太空穿越了137亿年。宇宙微波背景是由在火球中正在冷却的物质发出的,所以它携带了大爆炸发生后不久宇宙的印记。当你观看微波天空时,你看到的是137亿年前的宇宙快照。

 

你会觉得早期宇宙肯定是一个超级无聊的地方。毕竟,在微波天空中没有任何一个特征可供识别。但是,这种无特征、均匀的宇宙之美,比起一个复杂对象来说,让科学家更容易理解,宇宙微波背景的平滑性告诉我们,早期宇宙的物质在整个空间里的分布必然也是极其平滑的。而这一点提出来一个极大的难题。今天的宇宙绝不平滑。事实上,宇宙中充满了恒星,恒星集合形成星系,星系又再度链接形成长链和集群,跨越广袤的空间。在这些星系集群之间存在完全虚空构成的巨大空洞。今天宇宙中的发光物质不但不是均匀的,而且呈现瑞士奶酪一样多泡的外观。

 

那么,这一个不均匀的复杂宇宙,是如何从如此平滑简单的开端产生出来的呢?

 

显然,在某个时间点上,宇宙中的物质一定开始像凝乳一样开始聚集在一起。因此,尽管宇宙微波背景看起来极其平滑,它也不可能绝对平滑。如果我们仔细地看,我们应该能够看到,在大爆炸之后不久,在引力作用下,宇宙中最初的结构开始聚集到一起的迹象。

 

在发现宇宙微波背景之后25年多的时间里,天文学家们一直在努力地盯着它看,但不管他们多么努力,他们就是发现不了微波背景亮度上的任何变化,找不到任何后来形成像我们的银河系的那些物质团块的迹象。宇宙微波背景的证据似乎与我们最为珍视的一个理念——我们和我们时间是存在的——矛盾的。

 

1989年,美国航空航天局把一个叫做COBE(发音如“柯比”)的不起眼的卫星发射进入地球轨道,用来研究火球辐射。在此之前,这项研究非常困难是因为宇宙大气层也在发出明亮的微波。COBE敏感的仪器仔细地聆听着宇宙膨胀137亿年之前的宇宙爆炸的微弱低语。两年多过去了,卫星还是一无所获,连科学家们也开始紧张地嘀咕起来。

 

但是,在1992年4月,COBE力夺头奖。它发现了“宇宙背景辐射的涟漪”。在天空的某些地方,宇宙微波背景比起其他地方来显得略微亮一些。这是一种极其微小的效应。这些天空“热点”仅仅比“冷点”要热十万分之几,但科学家前所未有地大大松了一口气。“这就像是看见了上帝的面容,”COBE项目组的一位科学家如此宣称。“这是一个世纪大发现,如果不是史上最大发现的话。”这是物理学家斯蒂芬·霍金宣称的。

 

多数人觉得这些评论有些夸张过度,但事实上,COBE卫星确实发现了早期宇宙中的星系“种子”。随着大爆炸之后宇宙逐渐膨胀,那些比其他地方密度稍大的区域会逐渐增长,随着它们的引力吸引了越来越多的物质,其密度变得越来越大。它们最终变成了今天我们在附近宇宙所见的星系团和超星系团。COBE并没有见到上帝的脸,而是看到了宇宙中最大也最古老的结构。

 

当这个发现被宣布时,全世界的媒体都疯狂了。这个故事在我们这个星球上的电视屏幕和报纸头版上铺天盖地。可能确实还没有其他任何一个科学故事受到如此广泛的媒体关注。

 

为什么这么多人对一个如此晦涩难懂的故事沉迷其中,这本身就是一个奇怪的故事,这也是我稍后在本书中要讲述的。但在你知道所有这些大惊小怪是什么之前,你需要了解关于宇宙背景的一点儿背景,特别是,你需要了解宇宙大爆炸。

 

这个故事开始于20世纪第一个10年,当时新一代大型望远镜让天文学家得以深入太空,第一次发现我们所居住的宇宙大致是什么样……



它是创世最古老的化石

它是宇宙婴儿期的照片

它含有宇宙99.9%的光

即使你处于室内,它也在你身边

发现者曾误以为它是鸽子粪便发出的“光”


《创世余辉》首次印刷于1993年,它讲述宇宙大爆炸余热的故事。不同寻常的是,这种余热至今仍在我们周围。打开你家里的电视,在你换台的时候,屏幕上的花点的1%就来自大爆炸的余辉。在被你的电视天线接收到之前,它已经在宇宙中穿梭了137亿年,上一次它们接触到的,就是“宇宙大爆炸”的火球。



作者:[美] 马库斯 · 尚恩

译者:孙正凡

ISBN:978-7-03-046176-6


《创世余辉》讲述的20世纪最重大的宇宙学发现——宇宙大爆炸余辉的发现中所涉及的科学家们的故事,以及1992年美国航空航天局的“宇宙背景探测者”(COBE)卫星对余辉的观测。本书实际上即源于COBE卫星那张出色的宇宙“婴儿照”,斯蒂芬·霍金称之为“20世纪的最伟大发现,如果不是所有世纪的话”。



星辰大海仍在


我们的征程才刚刚开始


……




本文主要内容来源于《创世余辉:破译来自时间起点的信息》楔子部分,文中部分配图来源于网络,仅供学术信息传播使用,如有侵权请及时联系删除。


本期编辑丨小文



一起阅读科学!

科学出版社│微信ID:sciencepress-cspm

专业品质  学术价值

原创好读  科学品味

更多好素材,期待您的来稿

与科学相约 | 科学出版社征稿启事


点击文中书名、作者、封面可购买本书。



http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-1201408.html

上一篇:[转载]我们在宇宙中是否孤独?
下一篇:探索浩瀚宇宙:疯狂旋转的脉冲星

0

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (0 个评论)

数据加载中...
扫一扫,分享此博文

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备14006957 )

GMT+8, 2019-11-14 17:10

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部