2019年諾貝爾物理學獎

2019年的諾貝爾物理學獎授予了三位科學家，分別是吉姆·皮布爾斯（James Peebles），米歇爾·麥耶（Michel Mayor）、迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）。其中吉姆·皮布爾斯分享1/2的諾貝爾獎，而米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲分享1/2的諾貝爾獎。

那這三位科學家到底做出了什麼科學成果呢？

我們先來看一下，諾貝爾獎委員會的授獎詞：

表彰他們在宇宙理論領域、系外行星的發現。

大部分看到這裡，心裡一定是崩潰的，因為字都看得懂，但合起來就不知道到底說了啥？

今天，我來給你科普一下這三位科學家到底幹了啥？

當然，在此之外，我們要先來用一句話概括他們的科學成就，大概就是：

天文學的兩個細分領域的重大革命。

具體咋回事呢？我們來一個個看看。

吉姆·皮布爾斯：為現代宇宙學奠基

吉姆·皮布爾斯的主要貢獻是對現代宇宙學的奠基作用。

那麼問題來了，宇宙學到底是什麼？這和天文學有什麼關係？

宇宙學這個詞最早來自於希臘語，具體的意思是：

宇宙學是對宇宙整體的研究，並且探討人類在宇宙中的地位。

說白了就是，不拘泥於研究某個天體或者某種天文學現象，而是從整體的角度來研究宇宙。我們熟悉的科學家霍金，其實也是這個領域的著名研究者之一。所以，吉姆·皮布爾斯和霍金是同行。

吉姆·皮布爾斯到底做了什麼呢？

這裡我們要搞清楚一個核心的問題：科學的語言是數學。

所有的理論最終都要依靠數學語言來進行描述，物理學是這樣，化學也是這樣，生物學其實也得這樣，當然，宇宙學也就不例外了。

我們最常聽說的愛因斯坦其實就是這方面的高手，他在1905年發表了4篇具有開創性的論文，其中一篇是關於布朗運動的，具體來說就是，花粉顆粒在水溶液中會出現不停頓的無規則運動。實際上，這是水分子對於花粉粒子的影響造成的。

不過布朗運動是在1827年被一位叫做布朗的學者提出來的，一直到1905年之間，也有一些科學家提出了合理的理論來解釋這個現象。但只有到了愛因斯坦才真正被解決了，這是因為愛因斯坦用數學語言描述了布朗運動。

吉姆·皮布爾斯其實做的就是和愛因斯坦同樣的工作。具體來說是，過去100年來的研究，科學家發現宇宙誕生於138億年前，起初宇宙是非常熾熱的，大爆炸之後，宇宙空間開始膨脹，溫度就開始下降，不過早期的宇宙就像一鍋粒子湯，裡面的各種粒子亂跑，由於溫度還很高，原子核還沒有辦法俘獲電子。

一直到宇宙大爆炸之後的38萬年，也就是宇宙38萬歲時，原子核俘獲電子，形成了溫度的原子結構，而早期宇宙大爆炸的餘熱以電磁波地形式在宇宙中傳播一直持續至今，它們成為了宇宙的背景輻射，被稱為宇宙微波背景輻射。就是吉姆·皮布爾斯和羅伯特·迪克等人從理論上解釋了宇宙微波背景輻射其實是大爆炸的印記。

1964年，美國貝爾實驗室的兩位工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜意外發現了宇宙微波背景，並且因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。

但是早期觀測到的宇宙微波背景輻射還很粗糙，後來COBE衛星得到了更精準的宇宙微波背景輻射，兩位相關的研究院喬治·斯穆特和約翰·馬瑟因此獲得了2006年的諾貝爾物理學獎，諾貝爾獎委員會當時給出的頒獎理由是：

宇宙背景探測的計劃可以視為宇宙學成為精密科學的起點。

發現沒有，宇宙微波背景輻射已經催生了2次諾貝爾物理學獎，但都是給到觀測方面的，理論方面還沒有給，而吉姆·皮布爾斯是在理論方面做出貢獻的，可以說是實至名歸。

但吉姆·皮布爾斯在宇宙學的貢獻不止這些，宇宙學是近100年才高速發展起來的學科，其中有很多定量的計算並沒有落實，他學術生涯的大量工作都是在讓物理宇宙學成為一個可以被定量研究的物理學分支，並且在宇宙大爆炸、暗物質、暗能量等領域都有很高的建樹。2004年，邵逸夫獎就頒給了他，授獎詞如下：

他為宇宙學中幾乎所有的現代研究奠定了基礎，包括理論和觀測，將一個高度猜測性的領域變成了一門精密的科學

因此，吉姆·皮布爾斯應該可以被認為是現代宇宙學奠基人之一。也正是他，推動了物理宇宙學的定量研究的革命。

發現系外行星

至於米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲，他們的貢獻主要是發現了第一個環繞類太陽恆星飛馬座51的行星飛馬座51b。

這聽起來很拗口，一般人也很難理解這到底有什麼？

我們可以先從太陽系的角度出發來理解，我們都知道地球繞著太陽轉，但實際上，太陽本身也在繞著質心轉。

那這有啥的呢？我們可以想象一下，我們夜晚之所以可以看到星光，很大程度上是因為這些天體本身發光，發出的光來到了地球被我們看到。也就是說，我們肉眼能看到的天體基本上都是恆星或者星系，以及極其個別的幾個太陽系內的行星。太陽系外的行星由於自身不發光，反射的光又不足以到達地球，所以科學家很難觀測得到。

米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲提出了一種徑向速度法，具體啥意思呢？

如果我們從地球上去觀測一顆恆星，這顆恆星由於自身也在繞著質心轉，因此就會出現來來回回，處於搖擺不定的狀態。

這種來來回回的速度可以利用多普勒效應來測量得到，具體來說就是我們看到的光的波長會發現改變。遠離我們時會紅移，靠近我們時會藍移。我們就可以通過光的變化以及理論模型，得到恆星和繞行行星的一些關鍵數據。

他們的這個發現拉開了尋找“系外行星”的革命。他們利用這個辦法找到了類太陽恆星飛馬座51的行星飛馬座51b，後來許多科學家利用相同的辦法找到了許多系外行星，同時還促進了科學家對於行星的理解。

關於2019年諾貝爾物理學獎的解讀就到這裡，最後我們來總結一下，這次諾貝爾物理學獎頒給了兩個天文學的重大革命，其一吉姆·皮布爾斯對於現代宇宙學的奠基，其二是米歇爾·麥耶和迪迪埃·奎洛茲提出的尋找系外行星的觀測方法。