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                    《科學通報》

                    開博時間:2019-09-06 16:50:00

                    《科學通報》是主要報道自然科學各學科基礎理論和應用研究方面具有創新性、高水平和重要意義的研究成果。報道及時快速,文章可讀性強,力求在比較寬泛的學術領域產生深刻影響。

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                    兩類研究的奇妙組合

                    2020-11-18 17:41:00

                      時隔兩年, 諾貝爾物理學獎再次授予天文方向。James Peebles, Michel Mayor 和 Didier Queloz 由于他們在“理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置”方面所做的貢獻, 獲得2019 年度諾貝爾物理學獎。筆者身邊風趣的天文學家在諾貝爾獎評選的前幾日相互逗趣說: “您最近是不是在等一個電話?” (諾貝爾獎委員會打電話通知獲獎人)。而 2019 年度的諾貝爾物理學獎, 對筆者身邊的許多同僚天文學家, 可謂意料之外, 但也情理之中。

                      這次的諾貝爾物理學獎授予了天文學研究中兩個截然不同的研究領域。James Peebles 由于其對“物理宇宙學的理論研究”獲獎, 而師徒 Michel Mayor 和 Didier Queloz 由于他們發現了“圍繞其他太陽型恒星繞轉的地外行星”而獲獎。宇宙, 可以說是科學研究中最大的對象, 它包羅萬物,從古至今。它關乎著人類對自身和這個世界最基本的思考:我們從哪里來? 世界為什么是這個樣子? 而地外行星在宇宙中又是如此渺小。整個可見宇宙(到宇宙微波背景輻射的距離)的大小為 465 億光年, 而地外行星 51 Pegasi b 的軌道半徑約為0.05 天文單位, 它們差了 17 個數量級。這次的諾貝爾物理獎分別授予了天文學中兩個極端尺度上的研究。

                    宇宙

                      天文學家的研究大致可以歸為兩類: 觀測研究與理論研究。天文研究與物理研究最大的區別在于, 為了尋找物理規律, 人們可以發明很多可控的物理實驗, 從而發現規律、構建模型、測量參數; 而天文研究通常無法進行實驗。天文學家能做的就是想盡辦法進行觀測, 上天入地,搜羅所有可以觀測到的數據來進行研究。因此天文學家敏感于這些人類不可控事件和現象發生的概率, 例如超新星爆發的概率, 微引力透鏡現象發生的概率等。對于觀測研究的學者來說, 這些概率關乎著成功的概率。而觀測工作也講究一個“最”字?!白钸b遠”、“最大”, 這些詞是人類對自己探索能力的自我肯定。因此, 這些探索型的觀測研究對于人類的意義通常不言自喻, 卻又引人深思。而通過努力不斷探索, 最終獲得這些發現的研究者, 也有幸被載入科學發現的史冊中。但值得注意的是, 這次獲獎的地外行星卻并不是“最早”被人類發現的地外行星。諾貝爾獎的殊榮與之錯過是因為, 最早被發現的地外行星圍繞著一顆脈沖星公轉, 和我們家園的樣子相去甚遠。喜歡探索宇宙的人類, 最終將諾貝爾獎授予了與我們的家園更相似的行星系統的發現研究。

                      相比之下, 宇宙學對于公眾來說是一個既熟悉而又陌生的詞匯。宇宙的至高至大, 總讓人們自然地將其和哲學聯系起來。說起宇宙學, 誰都可以馬上提出幾個問題: 宇宙有多大 ? 宇宙有沒有中心 ? 宇宙之外是什么 ? 而Peebles 的工作, 正是將人類對宇宙的一些哲學思考變成了一門講究精準的科學。相比發現地外行星的一文成名, Peebles在宇宙學方向的貢獻, 已經持續輸出長達半個世紀。眾所周知, 哈勃對于河外星系的觀測得到了“宇宙在膨脹”的結論?;谶@個觀測事實往回推演, 人們提出了大爆炸的宇宙學模型。那么大爆炸之前是否是前一個宇宙的收縮?如果是, 那么前一個宇宙中通過恒星演化形成的重元素會如何? Peebles 和他所在的團組為了回答這些問題所做的一些理論推導, 得出了“熱大爆炸宇宙在膨脹冷卻的過程中必然會留下具有黑體譜的宇宙微波背景輻射”這個結論[1]。然而不幸的是, 他們雖然理論上預言了這個信號的存在,并且正要用自制的測量器去搜尋, 卻被美國貝爾實驗室的研究人員無心地作為一個怎么都扣不干凈的噪聲而發現了[2]。發現者 Penzias 和 Wilson 因此獲得了 1978 年度的諾貝爾物理學獎, 而預言了這個信號的宇宙學家卻與其失之交臂。并且, 2006 年度的諾貝爾物理學獎授予了證實“宇宙微波背景輻射為黑體譜”的 John Mather。

                    地球

                      宇宙微波背景輻射的研究工作使得 Peebles 將宇宙學作為一生的科研追求, 一干就是半個世紀, 而這項研究只是 Peebles 對人類認識宇宙所做貢獻的開始。眾所周知, 恒星持續發光發熱的能源來自其內部的核反應。1967 年的諾貝爾物理學獎授予做出恒星能源機制研究的Hans Bethe。恒星內部的核反應會形成重元素, 并在超新星的爆發過程中形成更重的元素。對于熱大爆炸宇宙學, 天文學家關心的問題之一, 是在早期不斷膨脹的宇宙中, 各元素的形成和比例是什么樣的。這個問題稱為大爆炸核合成。Peebles

                      在一篇邀請報告[3]中寫道: “熱大爆炸讓我想到了爆炸的高壓鍋, 一定有許多非平衡態的核反應和輕元素的形成?!?這是一場元素形成和時間的賽跑, 在不斷冷卻的宇宙中, 核反應速度將越來越低, 直到無法進行。Peebles對環境變化如此劇烈的核反應過程做了仔細計算, 主要考察氦元素和氘有關的核反應, 得到了大爆炸核合成階段所形成的元素比例[4]。讓人們吃驚的是, 這些計算結果非常接近當今的觀測結果。而如今對于大爆炸核合成的研究, 在此基礎上加入了更多的物理過程, 運用了更準確的反應速率和反應截面, 可謂是在前人的肩膀上繼續努力。

                      而隨著宇宙的持續膨脹和冷卻, 高能光子不斷減少,電子開始和質子結合, 放出光子, 這一過程稱為再復合。再復合并不是一個簡單的物理過程, 同大爆炸核合成的研究一樣, 需要考慮隨時間變化的宇宙大環境, 還要考慮許多次級反應。例如, 光子會被已經形成的基態氫原子吸收,變為激發態,再放出光子加熱等離子體。Peebles 同樣對此過程進行了仔細研究, 推導出了當時宇宙的電離率[5]。若宇宙初始并不完全均勻, 而是有個初始的密度擾動, 那么這個擾動會形成大小不一的引力勢阱, 造成微波背景輻射的溫度場有微小漲落。再復合過程之前, 質子-電子-光子耦合在一起的等離子體會在引力勢阱中做聲波震蕩。解耦后, 這些聲波震蕩的信號就留在了宇宙微波背景輻射的溫度圖中。通過測量這些聲波震蕩, 可以得到宇宙初始擾動的譜型[6]。而巧合的是, 在沒有測量之前, Peebles在計算中假設了一個擾動的譜型, 而如今宇宙微波背景輻射的實驗測量得到的結果, 也和這個假設的譜型非常接近。而宇宙微波背景輻射溫度漲落的發現, 也獲得了2006年度的諾貝爾物理學獎。

                      前文所述的這些貢獻屬于 Peebles 對早期宇宙的研究, 而 Peebles 對晚期宇宙的研究也是碩果累累。大爆炸宇宙學告訴人們宇宙如何開始, 而宇宙如何演化和其最終的命運決定于我們所在的宇宙中的物質組分。當時的主要宇宙學模型有物質密度達到臨界密度的 Einstein de-Sitter 模型,物質不到臨界密度的開放宇宙模型, 和物質加宇宙學常數的平坦宇宙模型等。令人疑惑的是, 旋渦星系中所能觀測到的發光物質提供的引力, 不能解釋觀測到的不同半徑處的旋轉速率, 預示著大量物質并沒有被觀測到。Peebles 運用了當時可以找到的所有觀測數據: 星系團、星系、射電源和類星體, 利用從其他學科借鑒來的統計研究工具——

                      相關函數和功率譜, 試圖對宇宙學模型做出限制[7]。通過比對從觀測數據中測量到的統計信號和引力不穩定性導致的結構形成的理論, 在證據的不斷積累后, 最終確定了我們的宇宙學模型為冷暗物質加宇宙學常數的模型, 此模型如今被稱為宇宙學的標準模型。

                      Peebles對宇宙學的貢獻遠不止于此??v觀他的研究論文題目和摘要, 有兩個詞經常出現——origin(起源)和reconcile(緩和、調解)。Peebles 研究了很多宇宙學中物理現象的起源, 例如星系角動量的起源。Peebles 收集了所有的觀測來研究宇宙學, 試圖緩和不同觀測得到的矛盾結論。如果說 Peebles 將人類對宇宙的哲學思考發展成了一門精確的科學, 那么地外行星的發現則將“人類并不孤獨”的自然猜想向現實拉近了一大步。視向速度法, 這是找尋地外行星的主要方法之一。因為恒星和行星將繞著它們共同的質心運動, 觀測到的恒星光譜將隨著時間做周期性的紅移和藍移。得益于技術的進步, 人們可以通過監測恒星的光譜移動, 探測到恒星視向速度的微小變化, 使得發現地外行星成為可能[8]。而尋找地外行星還有另一種方法——凌星法。通過連續觀察恒星亮度的變化, 若其有行星繞轉,則恒星的光有可能被行星遮擋而出現變暗的現象, 可以推測出行星的存在。

                      物理研究中許多實驗可以反復做, 從而得到更確定的結論。而對從事天文理論研究的學者來說, 這些事件/現象發生的概率不可控制, 直接代表著研究中所能用到的樣本數量, 因此關乎著研究的精度和結論的可信度。而天文中的宇宙學研究, 由于我們只有一個宇宙, 情況則更糟糕。物理學研究中, 通常將信噪比達到 5 作為發現的標準。而天文學研究中, 特別是早期, 信噪比達到 1 已經是讓多數天文學家激動的發現了。在宇宙學的研究過程中, Peebles也曾迷茫過。曾有同僚勸 Peebles 換一個能得到比較確定結論的研究方向??捎玫臄祿嵲谑菂T乏, 甚至有些自相矛盾。Peebles 在 2004 年獲得第一屆邵逸夫獎時就曾感嘆:“1964 年初涉宇宙學時, 我感覺太不易了, 卻又很興奮。實驗室里得到的物理結論外推到宇宙上卻只有極其有限的 數據來支持。曾想過做兩三個項目之后就換方向吧, 結果每個工作都引人深思, 讓人無法拒絕?!?就算是觀測數據爆發的今天, 仍有許多宇宙學的信號徘徊在“被探測到”的邊緣??茖W家們正在試圖使用更多的數據, 更好的分析統計方法, 更仔細的系統誤差控制, 來提高測量的信噪比。而地外行星的發現研究可謂是證據確鑿, 并且僅在一周后就被其他觀測所確認。

                      事實上, 觀測研究和理論研究是密不可分的。正是這些發現探索所帶來的激動人心, 使得這一方向的學科研究成為風潮, 樣本快速累積, 科學家們才能利用這些大樣本通過統計研究得到更令人信服的結論。宇宙學已經進入大數據時代。正在進行的和下一代的大型星系巡天項目, 以及微波背景輻射實驗, 都給人們極大的信心來更深一步地探索和了解我們的宇宙。我們不僅將對已有的標準宇宙模型的參數做出更好的限制, 并且很有可能發現標準模型以外的新物理。而地外行星方向的研究還在數據快速增長的階段。在地外行星探測方面, 近幾年最大的事件莫過于開普勒空間望遠鏡的升空。開普勒望遠鏡上唯一的科學儀器就是測光計。在長達9。5年的運行中, 開普勒望遠鏡盯著一個固定的天區連續測量恒星的亮度, 通過凌星法共發現了

                      2662 顆地外行星, 這使得地外行星的研究一下子成為全世界最熱門的天文學研究領域。這次諾貝爾物理學獎, 可謂是一半授予了一門歷史悠久的研究方向, 而另一半授予了一個新興的研究熱潮。

                      宇宙學研究中還有許多問題并沒有解決。天文學家引入了暗物質和暗能量來解釋宇宙, 而粒子物理方面并沒有找到對應的粒子作為暗物質, 也還未確定暗能量是不是就是宇宙學常數。我們的宇宙確實有過一段暴漲的時期, 但“是什么驅動了暴漲”也是未解之謎。在 Peebles搭下的宇宙學研究框架下, 天文學家正通過各種更先進的觀測來搜集新的證據, 為以上宇宙學懸而未決的問題做出解答。而地外行星方向, 科學家正大步向前, 發現越來越多的行星系統, 回答太陽系形成、地球形成等人類關于自己家園的基本疑問。

                      在準備解讀201年度諾貝爾物理學獎期間, 筆者很享受調查一個學者的研究經歷的過程。不經意回想起上一次做類似的調查是在攻讀博士期間, 赴國外長期訪問臨行前, 需要先了解國外合作單位導師的系列研究。當年作為學生知識還不夠全面, 深深佩服這位導師做過那么多精彩的研究。在數據匱乏的研究道路中, 難免有許多彎路和錯誤的猜測, 這些挫折可能會被淡忘, 而只有最終的結論被總結在教科書中。了解這些經歷, 想象宇宙學在當年的現狀, 不得不佩服 Peebles 一路堅持下來, 并做出如此多的貢獻。他的智慧和不懈努力, 已經回答了宇宙學中許多基本的問題, 確立了標準模型。然而, 正如 Peebles 在獲得諾貝爾獎的慶祝會上的總結: “宇宙總是能給我們帶來驚喜。我很確信我的理論不會是一個最終答案。當我們發現膨脹和演化宇宙中的新物理, 那一定會再次讓我們吃驚。在座的都是正在追逐新發現的人們, 我希望大家快馬加鞭做出這些讓人震驚的新發現?!?/p>

                    文/余瑜

                    本文來自《科學通報》

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