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宇宙学中的理论和实验:2019年诺贝尔物理学奖介绍
送交者:  2020年08月30日20:26:32 于 [世界时事论坛] 发送悄悄话

欧阳峰

以前我在贝尔实验室工作时,每有机会都会去看看那个传奇的天线。1964年贝尔实验室的两位射电天文学家威尔逊(Robert Wilson)和潘萨斯(Arno Penzias)(没错,当时贝尔雇佣了两位射电天文学家!)用这台退役的微波天线作为射电望远镜观测银河系的星体。但是他们费尽全力也无法消除的额外噪声,居然是一百三十亿年前宇宙大爆炸留下的痕迹,人称背景辐射,或宇宙微波背景(CMB)。为此他们获得了1978年一半的诺贝尔物理奖。每当我回味这个故事,憧憬贝尔实验室的黄金年代时,我也会不由地想到:为这个噪声提供物理解释的,其实是另外几位普林斯顿大学的物理学家(Robert Dicke教授领导的研究小组 )。但是他们却与诺贝尔奖无缘,未免有点不公平吧。

时间快进五十五年。2019年的物理诺贝尔奖的一半颁发给了那几位个物理学家之一皮部尔斯(James Peebles),表彰他在建立物理宇宙学理论上的贡献。当年他是个博士后,负责关于背景辐射的理论计算。其实不光是宇宙背景的发现,上半个世纪另外两个最重要的宇宙学实验,也与皮部尔斯的理论贡献有关。

虽然大爆炸理论在二十世纪中叶就被提出,但皮部尔斯最早把这个宇宙起源理论与今天的观测结合起来。他提出的理论能根据今天残存的背景辐射温度来计算大爆炸初期物质的密度,从而估算今天宇宙中轻元素(如氢和氦)的含量。根据他的理论,威尔逊和潘萨斯测到的背景辐射温度(当时测到3.5K,现在更精确的数字是2.7K)与今天的天体观测结果是一致的。

讲到物质密度,就需要提到宇宙学的另一个重大问题:暗物质。二十世纪初期,人们就根据螺旋星系的旋转速度观测推算出,在星系中存在大量我们观测不到,却能产生引力的暗物质。它的数量是我们能观测到的普通物质的五倍还多。皮部尔斯在研究暗物质的引力效应方面也有重要贡献。但他更关键的工作,就是把暗物质与宇宙早期的物质产生联系起来。当然暗物质至今还只是一个假说。但皮部尔斯提出的包括暗物质的宇宙学模型与宇宙背景辐射的测量结果符合得很好。

当时把那个威尔逊和潘萨斯的噪声认定为宇宙背景辐射的一个重要根据就是它的各向同性:不管天线指向哪里,那个噪声都在。所以它不是某个星体或星系发出的,而是“背景”辐射。但是进一步的理论工作表明,背景辐射不是完全各向同性,而是随着角度稍有涨落。而且这个涨落也是大有讲究的。

从大的尺度来说,背景辐射的涨落与星系的形成有关。在早期宇宙中,当温度降低到一定程度时,生成的物质开始“组团”,在万有引力下聚成一个一个群簇,那就是后来星系的雏形。当时的物质和电磁场之间还有强烈的耦合,所以这个“组团”过程会在辐射上留下印记,造成辐射在各个角度的涨落。但是当时却测量不到这个预期的涨落。这是怎么回事呢?

皮部尔斯把暗物质的概念引入早期宇宙模型,回答了这个问题。因为暗物质与电磁场没有相互作用,所以它的运动不会留下电磁“脚印”。而星系的形成是在暗物质簇群的帮助下完成的,所以对电磁场的扰动要小得多。当时普遍认为暗物质是一种尚未观测到的,以近光速运动的中微子。而皮部尔斯模型里用到的暗物质却是低速运动的,所以称为“冷暗物质”(cold dark matter, CDM)。皮部尔斯在1982年根据这个理论发表了计算,得出辐射背景涨落应该在百万分之一的量级,比当时的测量能力低两个数量级。

而在较小的尺度上,皮部尔斯指出在早期宇宙稠密的高温物质中会有波动现象,而那些波会被“凝固”在今天的背景辐射中。所以背景辐射会有波状的涨落,而其波长是可以根据今天测量到的宇宙参数计算出来的。

这两个理论(冷暗物质和声波)是皮部尔斯19701980年代提出的,而在1992年的背景辐射空间测量工作“宇宙背景探索”(COBE)结果中得到了证实。这个测量工作得了2006年诺贝尔物理奖。以后精度更高的测量工作也与皮部尔斯的理论相符。

说了暗物质,自然要提到暗能量。在广义相对论方程中有一个常数项 “宇宙常数”。宇宙常数是正数就表明宇宙存在一种向外扩张的趋势,所以又被称为暗能量。在1984年,皮部尔斯提出一个宇宙常数不为零的模型,而且根据当时的天文观测结果计算出它的数值。根据这个理论,暗能量才是我们这个宇宙最重要的存在,因为它相当于宇宙总质量的百分之七十五(根据相对论,质量和能量是可以相互换算的)。皮部尔斯把暗物质和暗能量结合在一起,可以追溯到早期宇宙的事件而且很好地解释现在的观测结果。这个宇宙模型被称为LCDM,也称“双暗模型”(double dark)。那个希腊字母L就是宇宙常数。目前它被认为是宇宙学的“标准模型”。

1998年,对于超新星的观测表明宇宙在加速膨胀,从而为宇宙常数提供了直接证明。这个工作得到了2011年物理诺贝尔奖。至此,皮部尔斯的理论贡献和三个宇宙学观测的诺贝尔物理奖都有关系。所以他本人得奖绝对是实至名归。

×××

皮部尔斯的理论工作衔接了宇宙初期的事件与今天的观测结果。而得奖的另一个工作,则是通过观测跨越了我们的太阳系与其它恒星的空间距离。2019年诺贝尔物理奖的另一半,发给了瑞士科学家梅耶(Michel Mayor)和奎罗斯(Didier Queloz),奖励他们在系外行星上的贡献。

自古以来,人们就对天外文明充满遐想。自从知道太阳只是宇宙间一颗普通恒星后,一个自然的问题就是:在太阳系外是否存在地球那样的行星?它们是否也孕育了生命?但是,要探测太阳系以外的行星(我们称之为系外行星exoplanet)是很困难的。因为行星本身并不发光而且很小,要在遥远处直接看到它是不可能的。我们只能通过它所绕行的恒星(称为宿主)来探知它的存在。

根据力学原理,我们说的行星绕恒星转动,其实是两者都绕着它们的共同质心在转动,就像双人滑冰牵手转动那样。所以宿主在行星的拖拽下也有相应的运动。只是因为宿主质量比行星大得多,所以所谓的共同质心很接近宿主的中心,也就是说宿主的运动很微小。例如,太阳系里最大的行星是木星。由于木星公转引起太阳的运动速度,是12米每秒。对于遥远的星体和微小的运动,用望远镜直接观测是不可能的。唯一的办法是通过多普勒效应。

多普勒效应是说:当一个物体与观察者有相对运动时,它发出的声波或光波的频率在观察者看来会发生变化。在一辆汽车驶近我们然后离去时,我们听到汽车的声音会从高变到低,那就是多普勒效应。在系外行星问题上,因为我们观察的速度非常小(相对于光速),它引起的宿主光线波长和频率的变化也非常小。所以要测量到这样变化远非易事。而且星体之间本来就是高速相对运动的,绝对的多普勒频移不说明问题。但是宿主多普勒频移的周期性变化,会暴露行星的踪迹。

梅耶研究组为此制造了一台测量仪器。他们把望远镜捕捉到的星像通过光纤引导到一个光谱分析仪。这样,如果望远镜有微小振动也不影响到光谱分析结果。只有光谱分析仪需要高度稳定,而它可以放置在恒温防震的环境中。在光谱分析仪中,星光被光栅分解成光谱,投射在一个电子成像装置CCD上。如今, CCD是数字相机的标配。但那在当时还是一个新奇玩意儿。使用CCD可以同时测量很多波长的光强,比传统的狭缝测量要便捷得多。但即便如此,这个成像系统的分辨率还是比需要的低了一千倍。梅耶研究组通过同时观测四千多条谱线来提高分辨率并使用当时最强大的计算机进行实时数据处理,才达到了能观测到10米每秒运动的能力。

另一个难题是观测所需要的时间。按照通常的天文理论,像木星那样大质量的行星,通常离宿主恒星比较远,所以公转周期也长。如木星的公转周期是近十二年。观察如此长周期的速度变化,不仅对仪器的稳定性要求极高,而且一个科学家的职业生涯里也没有几个十二年啊。

这个问题的解决就靠“柳暗花明”了。1995年,梅耶和他的博士生奎罗斯宣布探测到了“类太阳系”中的一颗行星。那个“太阳系”距离我们50光年(我们最近的邻居恒星相距4.2光年)。那里的“太阳”和我们的很相似,行星的质量也类似于我们的木星。可是它的公转周期却只有短短的4天,而不是木星的12年。这样短的周期给观测带来了很大方便,但同时也给观测结果带来阴影:这个奇怪的结果是否真实?所以梅耶和奎罗斯花了很多力气排除各种误判的可能性,并提出了一种行星形成理论来解释为什么那么大的行星会离“太阳”那么近。直到五年后,由于更多的系外行星被发现,他们的工作才得到广泛的认可。

到了二十一世纪初期,人们还发展了另一种观测系外行星的方法:凌星法(transit)。它是观测当行星经过宿主前面时,宿主亮度的变化。这两种方法能告诉我们行星的不同性质,所以是互补的。另外还有几种观测方法,但应用范围都很有限。至今我们已经确认发现了超过四千个系外行星,分布在超过三千个“太阳系”里。它们的参数(如质量,轨道周期,行星半径等)有很大的多样性。其中地球是一个“异数”:它的质量和半径都远小于平均值,而轨道周期则远大于平均值。因为凌星法可以观测到行星大气层对光线的吸收从而推算大气成分,科学家正在寻找臭氧,甲醛等可能孕育生命的大气环境。但是至今我们还没有发现“天外生命”的迹象。

XXX

在我上学时,我印象中的宇宙学就是个任性的理论物理。它的数学很漂亮(是广义相对论和量子场论的交汇),物理很飘逸(任何力学,热力学或电磁学的概念用到早期宇宙的极端条件下都是很有趣的题目)。但是它与实验不沾边,只要理论上自洽就好。但今天的宇宙学却是一门名副其实的实验科学。很多关于早期宇宙的理论都能推测观测结果,受着观测的检验。未来日益精确的测量结果也会对很多迄今未决的问题如暗物质和暗能量提供指引。现代物理宇宙学的发展让天上的事情越来越接“地气”了。而这个过程中,皮部尔斯的定量宇宙学理论和梅耶/奎罗斯的系外行星观测都起了开拓性的作用。所以2019年的诺贝尔奖,见证了人类认识宇宙的两个重要里程碑。

后记:

在准备这篇文章过程中我了解到,本文开头提到的贝尔实验室科学家潘萨斯出生于纳粹德国的一个犹太人家庭。他六岁时(1939年),他们家被排犹风潮赶到波兰,后来辗转来到美国。所以他的成就也是移民们对美国贡献的一个见证。

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