宇宙創世如此簡單秒懂?60年心血鑄就諾獎

來源: 2019-10-17 18:15:25 [] [博客] [舊帖] [給我悄悄話] 本文已被閱讀: 次 (88044 bytes)
對宇宙起源與演化的認識,是人類最偉大的科學成就之一。

 

01《生活大爆炸》與諾貝爾獎

諾貝爾委員會成員烏爾夫·丹尼爾鬆(Ulf Danielsson)在宣布2019年諾貝爾物理學獎得主時來了這麽一段:

“我們的整個宇宙曾處於熱而密的狀態,然後在近140億年前開始膨脹。('Our whole universe was in a hot, dense state, then nearly 14 billion years ago expansion started,' )”

這是粉絲們再熟悉不過的美國頂級搞笑科學喜劇《生活大爆炸》主題曲的開頭兩句,在陪伴我們十二年帶給我們無數歡樂後,今年迎來了讓所有粉絲戀戀不舍的大結局,最終科學怪咖謝爾頓和妻子艾米因為一起提出了“超不對稱”理論聯手拿下了諾貝爾獎。

 

 
 

 

是夢想真的照進現實了嗎?當然不是,“希望謝爾頓和艾米今天不要太失望。”

2019年物理界真正的明星是這三位: 美國普林斯頓大學教授詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles )(以表彰他“在物理宇宙學的理論發現”), 以及瑞士日內瓦大學天文教授米歇爾·梅耶爾(Michel Mayor),和他的學生迪迪埃·克羅茲(Didier Queloz),(以表彰他們“發現了一顆圍繞類太陽恒星運行的係外行星”)。其中,詹姆斯·皮布爾斯獲得 900 萬瑞典克朗(約合人民幣 697 萬元)獎金中的一半。

 

 
 

 

    

      之後,諾貝爾委員會在推特上總結到:“今年的諾貝爾物理學獎獎勵了人們對宇宙結構、和宇宙曆史的新認識,也獎勵了人類首次發現的繞日行星。”

 

 
 

 

而所謂“人們對宇宙結構、和宇宙曆史的新認識” 的重點正是美劇《生活大爆炸》所科普的,科學界最著名的概念之一:標準宇宙模型(也稱大爆炸理論)。

詹姆斯·皮布爾斯為大爆炸理論做出了許多非常重要的貢獻。正如邵逸夫獎授獎詞所言"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"。

 

 
 

 

過去五年當中,天體物理的成果已經三次拿到諾貝爾獎。包括2015年的中微子振蕩 以及2017年引力波的發現。

人類對宇宙起源和演化的探索已經到了碩果累累的階段。

 

02 創世,還有比這個更有趣的問題嗎?

 

1979年諾獎得主斯蒂芬·溫伯格喜歡和上帝辯論,關於創世,他曾如此幽了上帝一默。

“「起初神創造天地。」(創世紀1:1)

但當時沒有人在現場看。”

但這也表明,宇宙的起源,吸引著所有人類偉大的宗教家,哲學家和科學家的不斷追求。世界上幾乎所有宗教,不同文明都曾經給過不同的解釋,包括現代科學。

到了今天,許多科學家的範式共識是:宇宙是由大約137億年前發生的一次大爆炸形成的。尤其經過諾貝爾獎的多次加持,這個理論已經被廣泛接受,深入人心。

 

 
 

 

 

那一個瞬間,一個無比光輝的時刻,在那一個體積無限小,密度無窮大,溫度無窮高,時空曲率無限大的奇點,一切的物質和能量,空間、時間,都從中產生。所有的語言都難以形容這一曆程。

僅僅為了理解爆炸的最初一秒鍾,已經耗盡了許多物理學家一生的精力。直到今天,依然是理論物理學家們的熱門研究課題。

在大爆炸後 38萬年的時間,電子和原子核結合成為原子,宇宙開始放晴,光終於能夠在其中自由傳播,這個輻射的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。

「神說,要有光,就有了光。」(創世紀1:3)

宇宙38萬歲時,還沒有太陽月亮星星,沒有恒星星係星雲,就有了光,

宇宙的第一縷光線,直到現在仍然在宇宙的深處,這是創世的餘輝。

 

“宇宙微波背景是我們宇宙中最古老的光,當宇宙剛剛 380,000 歲時就刻在了天空上。它顯示出微小的溫度漲落,對應著局部密度的細微差異,代表著所有未來的結構,是當今的恒星與星係的種子。”----德國馬克斯普朗克天體物理研究所托爾斯滕博士(Enßlin, Dr. Torsten)。

 

在波瀾壯闊的創世後,我們終於可以看見這樣一個宇宙,一個瑰麗壯美的世界。

 

03 大爆炸的證據

 

大爆炸理論描繪的圖景很美很動人,但證據呢?

1929年,天文學一代宗師埃德溫·哈勃發現:天空中的所有星係(除我們自己的星係以外)都在離我們遠去(多普勒紅移),也在彼此分離。而且星係距離越遠、紅移越大,也就是說,越遠的星係正以越快的速度飛馳而去,它們的速率和距離完全成正比,這就是著名的“哈勃定律”。

從那時起到今天,無數的天文學家,沒有最先進隻有更先進的望遠鏡,更多的實測觀察,無一例外都發現,宇宙就在我們眼前“自我膨脹”。這是一個極其震撼的發現。

一個合乎邏輯的推理和暗示就是:如果讓時光倒流,宇宙會收縮而不是膨脹,一直倒流回去,就會存在一個叫作大爆炸的時刻。

1931年,比利時的天主教神父勒梅特(Georges Lemaitre)首次提出宇宙誕生於某個粒子,在某一時間爆炸,當時是離經叛道之語。

1948年,俄國出生的美國物理學家伽莫夫將相對論和宇宙膨脹論相結合,提出了宇宙大爆炸理論的“原始火球模型”,他先知般地預言了宇宙空間應該充滿著殘餘輻射(宇宙微波背景輻射 ),正如一個火爐雖然不再有火了,但還可以冒一點熱氣。

好玩的是,雖然伽莫夫預測對了,“但是他們最初的計算,在細節上沒有一個是正確的”,“在數學上很荒謬”(史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)《最初的三分鍾》(The First Three Minutes))

讀到這,你一定滿肚子狐疑,宇宙微波背景輻射到底是什麽鬼?

微波背景輻射(英語:CMB, cosmic microwave background,又稱3K背景輻射)是宇宙大爆炸的最重要證據之一,這些大爆炸後的殘餘輻射充滿整個宇宙,是宇宙的“年輪”。

伽莫夫做出的理論預言很快就被遺忘在科學文獻的浩瀚海洋裏,直到十幾年後的1964年,才有些物理學家拚命想去尋找,包括普林斯頓的幾個著名物理學家,但遺憾的是,由於各種原因,他們沒有發現。

幸運垂青了貝爾實驗室的兩個工程師,阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和羅伯特·威爾森(Robert Wilson)。1964年,他們倆為了改進衛星通訊,建了高靈敏度天線,可是不斷受到一個溫度為3.5K(1965年,他們又訂正為3K)的不明信號的幹擾,不論怎麽改進探測儀器,即使清理掉微波電線上的鴿子糞便,信號也依然存在,它日日夜夜一刻不停,而且來自天空的各個方位。

 

 
 

 

限於他們的宇宙學知識,彭齊亞斯和威爾遜實在搞不定,但他們還是發表了這個發現。普林斯頓大學的幾位著名物理學家(其中一個就是皮布爾斯)最終確認了這就是他們眾裏尋她千百度的宇宙微波背景輻射。

這將整個宇宙都浸潤其中的輻射是原初宇宙高熱的遺跡,是原初宇宙火球正在暗淡下去的最後光芒。

 

 
 

 

宇宙微波背景全天圖,由威爾金森微波各向異性探測器9年成果繪製

兩個工程師無意中揭開了現代天文500年來最偉大的發現之一,並為此獲得1978年諾貝爾物理學獎,不愧是諾貝爾獎史上最幸運的兩個得主。

宇宙微波背景輻射的發現為宇宙大爆炸模型提供了最強有力的證據,是一個檢測大爆炸宇宙模型的裏程碑,並且與類星體、脈衝星、星際有機分子一道,並稱為20世紀60年代天文學的“四大發現”。

04 宇宙學中最成功的模型

 

詹姆斯·皮布爾斯今年拿獎時84歲,在得獎之前,他已經在宇宙微波背景輻射領域工作了近六十年。

這個在很荒謬的數學計算基礎上被預測,以非常偶然機會被發現的宇宙微波背景輻射,有什麽巨大的魔力讓許多頂尖的物理學家耗費普通人幾乎一生的光陰?

      雖然皮布爾斯的團隊沒有第一個發現宇宙微波背景輻射以致和1978年的諾獎擦肩而過,但是他們隨後發表的幾篇裏程碑式的論文成為物理宇宙學的起點。

在這個他們開創的全新領域中,皮布爾斯被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家。在他畢生的努力下,探索宇宙的結構、起源和演進過程的宇宙學成為了嚴謹可量化的物理學分支。正如邵逸夫天文學獎評價中說得那樣:“他的理論和觀察為幾乎所有現代宇宙學研究奠定了基礎,將高度猜測性的領域轉變為精密科學。

到目前為止,宇宙學中最成功的模型是ΛCDM模型(英語:ΛCDM Model或Lambda-CDM Model),這是所謂Λ-冷暗物質(Cold Dark Matter)模型的簡稱。其中Λ為宇宙學常數,是解釋當前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項,它在大爆炸宇宙學中經常被稱作索引模型.

ΛCDM模型最重要的創始人之一便是詹姆斯·皮布爾斯,他的三本風靡全球的教科書《物理宇宙學》《宇宙的大尺度結構》和《物理宇宙學原理》已經成為宇宙學領域重要的參考文獻。

        根據皮布爾斯的模型,結合美國發射的威爾金森微波各向異性探測器耗時七年對宇宙微波背景在不同方向上漲落的測量,科學家推測出宇宙的年齡是137±1億年,宇宙物質的72.8%是暗能量,22.7%是暗物質,4.5%是通常物質。

         2013年,在太空持續運行了4.5年的普朗克衛星將觀測宇宙學的精度再次提升到了一個嶄新的高度,它測出的數據是,68.3%的暗能量、26.8%的暗物質、以及4.9%的通常物質。

 

 
 

 

 宇宙目前的膨脹速度是每秒71公裏每百萬秒差距,宇宙空間是近乎於平坦,它經曆過暴脹的過程,並且會一直膨脹下去。

 在現代宇宙學的每一項巨大的理論成就中,幾乎都能看到皮布爾斯的身影。

“絕非誇張,現代宇宙學的一大部分是由皮布爾斯的腳注組成的。”

 
 

 

(未完待續)




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連著讀了您的好幾篇文章。發現真是一個寶庫。多謝分享! -帶娃是持久戰- 給 帶娃是持久戰 發送悄悄話 帶娃是持久戰 的博客首頁 帶娃是持久戰 的個人群組 (0 bytes) () 10/19/2019 postreply 19:21:45

期待下篇 -vfnt- 給 vfnt 發送悄悄話 vfnt 的博客首頁 vfnt 的個人群組 (0 bytes) () 11/27/2019 postreply 07:54:03

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