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2019年诺贝尔物理学奖 2019年的诺贝尔物理学奖授予了三位科学家，分别是吉姆·皮布尔斯（James Peebles），米歇尔·麦耶（Michel Mayor）、迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）。其中吉姆·皮布尔斯分享1/2的诺贝尔奖，而米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹分享1/2的诺贝尔奖。 那这三位科学家到底做出了什么科学成果呢？ 我们先来看一下，诺贝尔奖委员会的授奖词： 表彰他们在宇宙理论领域、系外行星的发现。 大部分看到这里，心里一定是崩溃的，因为字都看得懂，但合起来就不知道到底说了啥？ 今天，我来给你科普一下这三位科学家到底干了啥？ 当然，在此之外，我们要先来用一句话概括他们的科学成就，大概就是： 天文学的两个细分领域的重大革命。 具体咋回事呢？我们来一个个看看。 吉姆·皮布尔斯：为现代宇宙学奠基吉姆·皮布尔斯的主要贡献是对现代宇宙学的奠基作用。 那么问题来了，宇宙学到底是什么？这和天文学有什么关系？ 宇宙学这个词最早来自于希腊语，具体的意思是： 宇宙学是对宇宙整体的研究，并且探讨人类在宇宙中的地位。 说白了就是，不拘泥于研究某个天体或者某种天文学现象，而是从整体的角度来研究宇宙。我们熟悉的科学家霍金，其实也是这个领域的著名研究者之一。所以，吉姆·皮布尔斯和霍金是同行。 吉姆·皮布尔斯到底做了什么呢？ 这里我们要搞清楚一个核心的问题：科学的语言是数学。 所有的理论最终都要依靠数学语言来进行描述，物理学是这样，化学也是这样，生物学其实也得这样，当然，宇宙学也就不例外了。 我们最常听说的爱因斯坦其实就是这方面的高手，他在1905年发表了4篇具有开创性的论文，其中一篇是关于布朗运动的，具体来说就是，花粉颗粒在水溶液中会出现不停顿的无规则运动。实际上，这是水分子对于花粉粒子的影响造成的。 不过布朗运动是在1827年被一位叫做布朗的学者提出来的，一直到1905年之间，也有一些科学家提出了合理的理论来解释这个现象。但只有到了爱因斯坦才真正被解决了，这是因为爱因斯坦用数学语言描述了布朗运动。 吉姆·皮布尔斯其实做的就是和爱因斯坦同样的工作。具体来说是，过去100年来的研究，科学家发现宇宙诞生于138亿年前，起初宇宙是非常炽热的，大爆炸之后，宇宙空间开始膨胀，温度就开始下降，不过早期的宇宙就像一锅粒子汤，里面的各种粒子乱跑，由于温度还很高，原子核还没有办法俘获电子。 一直到宇宙大爆炸之后的38万年，也就是宇宙38万岁时，原子核俘获电子，形成了温度的原子结构，而早期宇宙大爆炸的余热以电磁波地形式在宇宙中传播一直持续至今，它们成为了宇宙的背景辐射，被称为宇宙微波背景辐射。就是吉姆·皮布尔斯和罗伯特·迪克等人从理论上解释了宇宙微波背景辐射其实是大爆炸的印记。 1964年，美国贝尔实验室的两位工程师阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外发现了宇宙微波背景，并且因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。 但是早期观测到的宇宙微波背景辐射还很粗糙，后来COBE卫星得到了更精准的宇宙微波背景辐射，两位相关的研究院乔治·斯穆特和约翰·马瑟因此获得了2006年的诺贝尔物理学奖，诺贝尔奖委员会当时给出的颁奖理由是： 宇宙背景探测的计划可以视为宇宙学成为精密科学的起点。 发现没有，宇宙微波背景辐射已经催生了2次诺贝尔物理学奖，但都是给到观测方面的，理论方面还没有给，而吉姆·皮布尔斯是在理论方面做出贡献的，可以说是实至名归。 但吉姆·皮布尔斯在宇宙学的贡献不止这些，宇宙学是近100年才高速发展起来的学科，其中有很多定量的计算并没有落实，他学术生涯的大量工作都是在让物理宇宙学成为一个可以被定量研究的物理学分支，并且在宇宙大爆炸、暗物质、暗能量等领域都有很高的建树。2004年，邵逸夫奖就颁给了他，授奖词如下： 他为宇宙学中几乎所有的现代研究奠定了基础，包括理论和观测，将一个高度猜测性的领域变成了一门精密的科学 因此，吉姆·皮布尔斯应该可以被认为是现代宇宙学奠基人之一。也正是他，推动了物理宇宙学的定量研究的革命。 发现系外行星至于米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹，他们的贡献主要是发现了第一个环绕类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b。 这听起来很拗口，一般人也很难理解这到底有什么？ 我们可以先从太阳系的角度出发来理解，我们都知道地球绕着太阳转，但实际上，太阳本身也在绕着质心转。 那这有啥的呢？我们可以想象一下，我们夜晚之所以可以看到星光，很大程度上是因为这些天体本身发光，发出的光来到了地球被我们看到。也就是说，我们肉眼能看到的天体基本上都是恒星或者星系，以及极其个别的几个太阳系内的行星。太阳系外的行星由于自身不发光，反射的光又不足以到达地球，所以科学家很难观测得到。 米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹提出了一种径向速度法，具体啥意思呢？ 如果我们从地球上去观测一颗恒星，这颗恒星由于自身也在绕着质心转，因此就会出现来来回回，处于摇摆不定的状态。 这种来来回回的速度可以利用多普勒效应来测量得到，具体来说就是我们看到的光的波长会发现改变。远离我们时会红移，靠近我们时会蓝移。我们就可以通过光的变化以及理论模型，得到恒星和绕行行星的一些关键数据。 他们的这个发现拉开了寻找“系外行星”的革命。他们利用这个办法找到了类太阳恒星飞马座51的行星飞马座51b，后来许多科学家利用相同的办法找到了4000多颗系外行星，同时还促进了科学家对于行星的理解。 关于2019年诺贝尔物理学奖的解读就到这里，最后我们来总结一下，这次诺贝尔物理学奖颁给了两个天文学的重大革命，其一吉姆·皮布尔斯对于现代宇宙学的奠基，其二是米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹提出的寻找系外行星的观测方法。 |
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