10月8日，瑞典卡羅林斯卡學院宣佈，2019年的諾貝爾物理學獎得主為詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）、米歇爾‧馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃‧奎洛茲（Didier Queloz）。
2019年諾貝爾物理學獎的三位獲獎者 | 諾貝爾獎官網
重新認識我們在宇宙中所處的地位
01
2019年諾貝爾物理學獎表彰了對宇宙結構和宇宙歷史的新理解，以及對繞類太陽恆星旋轉的系外行星的首次發現。今年的獲獎者在解答與我們的存在相關的重大問題方面有著突出的貢獻。
宇宙在誕生初期發生過什麼？
後來又經歷了怎樣的演化？
太陽系以外會不會有別的行星，繞著其他的“太陽”旋轉？
詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles）研究宇宙，以及其中數以千億計的星系與星系團。他從上世紀60年代中期開始構思、花了超過20年訂立的理論框架，
為我們現今對宇宙從大爆炸至今這整段歷史的理解打下了基礎。皮布爾斯的諸多發現讓我們更好地洞悉宇宙環境。在這個宇宙裡，我們已知的物質僅僅佔了全體物質與能量的5%。剩下的95%隱匿在我們的視野之外，是留給現代物理學的一個謎題和挑戰。米歇爾·馬約爾（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）則在我們的銀河系裡探尋未知的世界。1995年，他們首次發現了太陽系外繞著類似太陽的恆星運轉的行星，也就是系外行星。他們的發現動搖了人們對這些奇異世界的固有想法，在天文學界引發了一場變革。目前，超過4000顆系外行星正以它們各異的形態震驚著世人。它們所在的大部分行星系，包括它們的“太陽”和行星們，都跟我們太陽系完全不同。這些發現促使研究人員發展新的理論，去解釋孕育行星的物理過程。
Jim Peebles丨Wikipedia/Juan Diego Sole
Michel Mayor丨Wikipedia/Franck Schneider
Didier Queloz丨Wikipedia/M.McCaughrean
大爆炸宇宙學的開端
02
過去的50年，是宇宙學的黃金年代，它的研究對象是宇宙的起源與演化。上世紀60年代奠定的基礎，讓宇宙學從推斷變成了科學。在這一轉變過程中，詹姆斯·皮布爾斯是其中一個關鍵人物。他決定性的若干發現，將宇宙學牢牢固定在了科學版圖之上，也讓整個研究領域欣欣向榮。他的第一本書《物理宇宙學》啟發了整整一代物理學家去發展這一學科，不只是通過理論推導，還立足於觀測與測量。我們從哪裡來？又將到哪裡去？科學，也只有科學，才可能解答這些永恆的疑問。宇宙學超越了諸如信念或意義之類人為訂立的概念。這正應和了愛因斯坦在上世紀初說過的話——這個世界竟然是可以被理解的。
詹姆斯·皮布爾斯撰寫的《物理宇宙學原理》，1993年版丨普林斯頓大學出版社
宇宙的故事，或者說關於宇宙演化的科學描述，直到最近100年來才為人所知。在那之前，人們認為宇宙是靜止且永恆的。但在上世紀20年代，天文學家發現幾乎所有的星系都在遠離彼此，也在遠離我們。宇宙正在膨脹。我們現在知道，今天的宇宙和過去並不一樣，和未來的宇宙也將不同。
天文學家在天空中看到的這些現象，早已被愛因斯坦1916年發表的廣義相對論所預言。廣義相對論成為了所有有關宇宙的大尺度計算的基礎。愛因斯坦當初發現他的理論會導出宇宙在膨脹的結論時，他給自己的方程加上了一個常數（即宇宙學常數），能夠抵消引力的效果，從而讓宇宙保持靜態。十多年後，當人們觀察到宇宙膨脹，這個常數也就被棄置不用了。愛因斯坦將這件事看作他人生中最大的錯誤。但他並不知道，宇宙學常數會在20世紀80年代華麗迴歸。在此期間，詹姆斯·皮布爾斯尤為功不可沒。
宇宙第一束光線揭示萬物
03
宇宙膨脹意味著，宇宙曾經更加緻密，也更加熾熱。在上世紀中葉，宇宙的誕生被命名為大爆炸。沒有人知道，最開始的時候到底發生了什麼，但早期宇宙充斥著緻密的、熾熱的、不透明的粒子湯，光子會在其間不停地反彈。
宇宙膨脹了差不多40萬年之後，這鍋原初粒子湯才冷卻到了幾千攝氏度。原初粒子終於能夠結合，形成主要由氫和氦原子構成透明氣體。直到此刻，光子才開始自由移動，光才有能力在空間中穿行。最初的這些光線至今仍充斥於宇宙。空間膨脹拉伸了這些可見光的光波，把它們的波長拉到了幾毫米那麼長，最終落在了肉眼看不見的微波波段。
源自宇宙誕生的這些光，1964年因為機緣巧合而被兩位美國射電天文學家捕獲。他們是阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾森（Robert Wilson），因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。當時，他們的天線總是從宇宙的四面八方接收到持續的“噪音 ”，無論如何都擺脫不了。為此，他們要從其他科學家的研究工作中尋求一個解釋，而
詹姆斯·皮布爾斯就是其中之一，當時他已經從理論上得出了結論，宇宙中應該存在這種無處不在的背景輻射。在宇宙膨脹了大約140億年之後，這種背景輻射的溫度已經降到了接近絕對零度（-273°C）。皮布爾斯意識到，這種輻射的溫度可以提供信息，揭示大爆炸中產生了多少物質。他還認識到，“解放”這些光起到了決定性的作用，決定了物質後來如何聚集成團，形成了我們今天宇宙中所見的星系和星系團。這才是重大的突破。微波背景輻射的發現，引領現代宇宙學進入了一個新時代。宇宙嬰兒時期的古老輻射，成為了一座金礦，蘊藏著宇宙學家想知道的幾乎所有答案——宇宙有多老？它的命運是什麼？到底存在著多少物質和能量？
在這片冷卻的餘暉中，科學家能夠找到宇宙最初時刻的痕跡，細微的差異隨著聲波在宇宙早期的原初粒子湯中傳播開來。如果沒有這些小小的差異，宇宙會從一個熾熱的火球冷卻成一片寒冷而又均勻的虛無。我們知道，事實並非如此，宇宙空間中充斥著星系，它們又往往聚集成星系團。宇宙背景輻射的平滑，就如同海洋表面的平滑一樣，湊近了可以看見波浪，而這些波紋揭示著早期宇宙中的差異。
一次又一次，詹姆斯·皮布爾斯領導的研究對來自宇宙最早期的化石痕跡作出瞭解釋。宇宙學家能夠以驚人的準確性，預言背景輻射中存在這些細微差異，並證明它們會如何影響宇宙中的物質和能量。
觀測上的首個重大突破出現在1992年4月，當時美國COBE衛星的兩位首席研究員，約翰·馬瑟（John Mather）和喬治·斯穆特（George Smoot），展示了宇宙背景輻射的第一張完整照片。他們因此獲得了2006年的諾貝爾物理學獎。其他衛星，包括美國的WMAP和歐洲的普朗克衛星，逐漸細化了年輕宇宙的這幅肖像。在背景輻射看似均勻的溫度上，存在著十萬分之一度的差異，跟皮布爾斯的理論預言一模一樣。宇宙中包含多少物質和能量的理論推導，也得到了越來越精確的證實，其中佔到95%的絕大部分物質和能量，對我們來說都是看不見的。
暗物質與暗能量——宇宙學最大的謎團
04
上世紀30年代以來，我們就已經知道，我們能夠看見的並非宇宙的全部。對星系旋轉速度的測量表明，必定有看不見的物質在提供更多的引力，將星系束縛在一起，否則星系會因為轉得太快而解體。這些看不見的物質被稱為暗物質。科學家認為，它們在星系起源中也扮演著重要的角色，早在原始粒子湯放鬆對光子的控制之前就在發揮作用。
暗物質的構成仍是宇宙學中最大的謎團之一。在很長的一段時間裡，科學家曾認為暗物質可能由當時已知的中微子構成，但這種數量多到無法想像的低質量中微子接近光速在宇宙空間中穿梭，速度實在太快，無助於將物質束縛在一起。皮布爾斯在1982年提出了另一種可能，或許質量大且速度慢的冷暗物質粒子才是我們要找的答案。科學家仍在搜尋這些未知的冷暗物質粒子，它們不跟已知的物質發生相互作用，在宇宙的物質和能量構成中佔到26%。
根據愛因斯坦的廣義相對論，空間的幾何形狀與引力有關——宇宙所含的質量與能量越多，空間就會越彎曲。在質量和能量的某個臨界點，宇宙剛好不彎曲。在這樣的宇宙中，兩條平行線永遠不會相交，通常被稱為平直宇宙。另外還有兩種情況：如果宇宙中物質太少，就會導致開放宇宙，其中的平行線最終會漸行漸遠；如果宇宙中物質太多，則會導致閉合宇宙，其中的平行線最終會相交。
對宇宙背景輻射的測量，結合理論推導，得出了一個明確的答案：我們的宇宙是平直的。然而，宇宙所包含的物質只能滿足臨界值的31%，其中5%是普通物質，26%是暗物質。其餘的大部分，佔到69%，當時仍不知所蹤。又一次，詹姆斯·皮布爾斯提出了一個激進的解決方案。1984年，他作出的貢獻復活了愛因斯坦的宇宙學常數，代表了真空所蘊含的能量。這些能量被命名為暗能量，在宇宙的物質和能量構成中佔到69%。與冷暗物質和普通物質一起，暗能量足夠支撐“宇宙平直”這一觀點。
第一個峰顯示，宇宙在幾何層面上是平的，即兩條不會相交的平行線；第二個峰顯示，普通物質僅佔宇宙物質與能量的5%；第三個峰顯示，26%的宇宙由暗物質組成。從這三個峰裡可以得出結論，如果宇宙的31%是由物質組成的，那麼餘下的69%必須是暗能量才能滿足對平的宇宙的要求 | nobelprize.org；翻譯：luna
圖 | nobelprize.org；翻譯：luna
暗能量在隨後的14年裡僅僅是一個理論，直到1998年，索爾·珀爾瑪特（Saul Perlmutter）、布萊恩·思密特（Brian Schmidt）和亞當·利斯（Adam Riess）發現宇宙在加速膨脹，他們也因此獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。必定有某種不同於物質的東西，某種未知的暗能量，在推動宇宙加速膨脹。突然之間，這個純理論的附產物成了能在天空中觀測到的事實。
暗物質和暗能量，如今都是宇宙學中最撲朔迷離的存在。只有當它們對周圍產生影響，即一個拉、一個推時，人們才會察覺到它們。除此之外，我們對它們實在知之甚少。這宇宙的陰暗面究竟隱藏著什麼秘密？這未知的背後隱藏著什麼新物理？在試圖解開宇宙奧秘的過程中，我們又會有什麼其他的發現呢？
首顆繞其他“太陽”轉的行星
05
現在，大多數宇宙學家同意大爆炸模型是解釋宇宙起源與演化的可信理論，儘管現在人們只瞭解其中5%的物質與能量。這一小部分物質最終聚集成團，構成了我們周圍所見的一切——恆星、行星、花草樹木，當然也包括人類自身。是否只有我們人類孤單地注視著宇宙？在太空中的其他地方，在繞著其他太陽轉的另一顆行星上，還會有生命存在嗎？沒有人知道。不過我們現在知道，在擁有行星這件事上，我們的太陽絕不孤單，銀河系中數以千億計的其他恆星，大多數也應該有行星伴隨。天文學家現在已知的系外行星超過4000顆。奇異的新世界已經被發現，跟我們自己的太陽系完全不同。而首次發現的那顆便是如此奇特，以至於當初幾乎沒人相信那是真的——就這顆行星與它的恆星那麼近的距離而言，它的個頭實在是過於巨大了。
1995年10月6日，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲在意大利弗洛倫薩的一個天文學會議上宣佈了他們發現，頓時引起轟動。這是第一顆被證實繞著類似太陽的恆星運行的行星。它被命名為飛馬座51b，繞著50光年以外的恆星飛馬座51快速運動。只需要4天時間，它就能完成一圈公轉。這意味著它的軌道離那顆恆星極近，只有800萬千米。恆星將這顆行星加熱到超過1000℃。相比較而已，地球上的情況就要平靜得多，距離太陽足有1.5億千米，要用一年的時間才能繞太陽一圈。
新發現的這顆行星，個頭也大得驚人，是一個巨型氣球，足以跟太陽系裡最大的氣態巨行星木星相提並論。相比於地球，木星的體積大了1300倍，質量則大了300倍。按照以往關於行星系統形成的觀點，木星尺寸的行星應該形成於遠離恆星的地方，因此要花很長時間才能完成一圈公轉。木星繞太陽一圈需要將近12年時間，因此飛馬座51b超短的公轉週期，對尋找系外行星的科學家來說，完全是意料之外。他們過去一直找錯了地方。
發現公佈之後，另外兩名美國天文學家保羅·巴特勒（Paul Butler）和傑弗裡·馬西（Geoffrey Marcy）幾乎馬上將他們的望遠鏡轉向了飛馬座51這顆恆星，很快就證實了馬約爾和奎洛茲革命性的發現。幾個月之後，他們又發現了另外兩顆繞著類太陽恆星運轉的系外行星。軌道週期短對於天文學家來說很方便，他們不需要等上數月甚至數年時間，來觀察系外行星繞著它的太陽公轉了。現在，他們有時間看這些行星轉上一圈又一圈了。
它們怎麼能離恆星這麼近呢？這一問題挑戰了當時的行星起源理論，並催生了一些新理論，描述了氣態巨行星如何在恆星系統邊緣形成，又如何向內盤旋著靠近恆星。
想砍柴，先磨刀
06
追蹤系外行星，必須動用高精尖的方法才行。行星本身不會發光，只能反射星光，而反射的星光又過於微弱，被主星發出的亮光完全矇蔽。研究團隊用來搜尋行星的方法，稱作視向速度法，測量的是行星引力對主星運動的影響。行星繞著恆星轉的同時，恆星也會相應地作微小的運動——它們都在繞著引力中心運轉。從地球上觀測，恆星會在視線方向上前後運動。
前後運動的速度，即視向速度，可以通過著名的多普勒效應來測量。多普勒效應表明，向著我們運動的物體發出的光會變得更藍，而物體若遠離我們，它發出的光會變得更紅。這跟我們聽到救護車靠近時音調變高，遠離時音調變低是一樣的。
因此，行星的作用使得恆星的顏色交替變藍或變紅，天文學家用他們的設備捕捉的，正是星光波長的這種交替變化。顏色的改變可以通過測量星光的波長而精確測定，提供了一種直接測量視向速度的方法。
最大的挑戰在於，視向速度非常慢。舉例來說，木星的引力使太陽以12米/秒的速度繞著太陽系的引力中心旋轉。地球的貢獻僅有0.09米/秒，
這使得想要發現一顆類似地球的行星，器材的靈敏度就必須達到極高的要求。為了提高精度，天文學家同時測量幾千個波長。把星光拆分成不同波長譜線的，正是光譜儀，這是這些測量的核心設備。上世紀90年代初，迪迪埃·奎洛茲在日內瓦大學開始他的學術生涯時，米歇爾·馬約爾已經花了好幾年時間來研究恆星的運行，並在其他研究人員的幫助下建造了他自己的測量儀器。1977年，馬約爾設法把他的第一臺光譜儀安裝到了馬賽東北100千米處上普羅旺斯天文臺的望遠鏡上。這臺設備的速度測量下限約為300米/秒，仍然太高了，看不到行星牽引恆星的運動。
作為博士生，迪迪埃·奎洛茲受命和研究團隊一起，開發一些新的方法用於更精確的測量。他們使用了眾多新技術，能夠迅速觀察多顆恆星，並就地分析結果。光纖能把星光毫無失真地導入光譜儀，而更好的數字成像傳感器，即CCD，也提高了設備對光的靈敏度。這是2009年諾貝爾物理學獎獲得者高錕，威拉德·博伊爾（Willard Boyle）和喬治·史密斯（George Smith）的貢獻。更強大的計算機也讓科學家可以編寫訂製的軟件來處理數據照片和分析數據。
到了1994年春天，當新的光譜儀完成時，速度測量下限降低到了10-15米/秒，距離首顆系外行星的發現也就不遠了。當時，系外行星搜尋還不是天文學界的主流，但馬約爾和奎洛茲仍然決定公佈他們的發現。他們花了幾個月改進結果，到了1995年10月，他們準備好向世界公佈這第一顆太陽系外的行星了。
揭開眾多世界的帷幕
07
首次發現圍繞類太陽恆星的系外行星，在天文學界引發了一場革命。數千個未知的世界隨之被揭開面紗。現在，不斷髮現新行星的，不只有地球上的天文望遠鏡，還有太空中的人造衛星。美國的TESS空間望遠鏡，正在掃描超過20萬顆離我們最近的恆星，搜尋類似我們地球的行星。而在此之前，開普勒空間望遠鏡已所獲頗豐，發現了超過2300個地外行星。
在視向速度法不斷變化的同時，凌星測光法現在也被用來尋找系外行星。這種方法測量的是星光強度的變化，如果有行星剛好從恆星前面經過，就會遮擋一部分星光。凌星測光法讓天文學家還有機會觀察地外行星的大氣，因為在凌星發生的時候，恆星的光會先穿過那顆行星的大氣，然後再傳到我們地球上。有時候，這兩種方法都有采用：凌星測光法告訴我們系外行星有多大，視向速度法則可以測定它的質量是多少。如此一來，便有可能計算出這顆系外行星的密度，從而確定它的結構。
迄今發現的系外行星，形態、大小及軌道的極端多樣性令人稱奇，挑戰著過去我們對於行星系統的認知，迫使研究者修改有關行星誕生物理過程的理論。隨著大量項目計劃開始搜尋系外行星，我們或許最終能夠找到答案來回答那個永恆的問題——遠方，是否有其他生命存在？
今年的獲獎者改變了我們對宇宙的認知。詹姆斯·皮布爾斯的理論發現增進了我們對宇宙在大爆炸之後如何演化的理解，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲搜尋未知的星球，探索我們的宇宙鄰居。他們的發現永久地改變了我們對世界的看法。
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