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谈谈2011年物理诺贝尔奖:成功的道路很多条 2012-02-15 17:16:09

通常我们谈到物理诺贝尔奖的工作,都有“望尘莫及”的感觉,因为那些工作很多包含了理论或实验方法的重大创新,只有“内功”深厚的物理学家才可能做到。但是读完2011的得奖工作,我不禁想问:真的只有“天才”或幸运儿方与诺贝尔奖有缘吗?

2011年的物理诺贝尔奖的一半颁给了美国的佩尔马特(Saul Perlmutter),另一半由澳大利亚的施密特(Brian P. Schmidt)和美国的里斯(Adam G. Riess)分享。这三位物理学家领导了两个实验团队,通过观测遥远的超新星发现了宇宙的加速膨胀。关于这个得奖工作,中国天体物理学家陈学雷写了一篇很好的科普:http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3061&do=blog&id=493335 我强烈建议对有关物理感兴趣的读者去看一看。在这里我就不重复那些精彩的故事和引人入胜的物理原理了,而是非常简单地介绍一下这个工作的内容。

宇宙加速膨胀是宇宙学中一个重大课题。它提示了“暗能量”的存在。而“暗能量”是广义相对论中的一个概念。它与引力的作用相反,能引起宇宙的膨胀加速。这听起来是很艰深专门的理论。但这个得奖工作实际非常简单易懂:它就是测量了遥远的超新星的距离和退行速度。

人们很早就发现,有一类超新星(1a型),因为其生成原理,它们的亮度都一样。所以就可以用来作为“标准烛光”,也就是说,由于本体亮度是已知的,观测到的亮度就可以换算成距离。而这种超新星非常亮,所以我们能看到非常遥远的星体。通过观测这些超新星的亮度(反映距离)和频谱红移程度(反映退行速度),我们就能得到宇宙膨胀的速度。由于这些遥远的星体代表了过去的时间,通过观测在不同距离上星体退行的速度,就能得出宇宙膨胀速度随时间的变化。以前流行的宇宙学理论认为,在“大爆炸”以后,万有引力会减慢宇宙膨胀的速度。至于最后宇宙是否由膨胀转为收缩,则取决于总质量。但是这两个团队的超新星观测却发现,宇宙膨胀不是减慢,而是加速了。这就支持了当时还处于初级阶段的“暗能量”理论。当然“暗能量”的存在及其理论基础广义相对论目前都只是多种宇宙学理论的选项之一,其中还有很多悬而未决的重大问题。但“宇宙加速膨胀”这个发现对于宇宙论的巨大影响已经是定论了。

由于超新星的出现持续时间很短而且不可预测,以前很难收集足够的观察事件。而佩尔马特首创了“成批观测”的方法。他先用比较小型的望远镜观察大片天空,比较几个星期前后的图像来发现亮度增加的超新星。因为几率的原因,这种方法总能找到一些候选者。所以他就有足够的理由预订大型望远镜(包括哈勃空间望远镜)的使用时间来进行追踪研究。后来别人又发现了超新星本身亮度与其亮度变化时间尺度的关系,从而可以修正本身亮度的不同,使得可用的观察数据大大增加。施密特小组也通过统计分析找到了通过光谱分析来修正宇宙尘埃吸收造成的亮度偏差的方法。这两个小组在最后数据分析中,也通过种种佐证和分析排除了一些误差的可能,并仔细标定了由此测得的宇宙参数的误差范围和置信度。最后,由于他们得出的“膨胀加速”的结论是如此出乎意外,只有当两个小组独立得出同样结论时才被学界接受。

从历史上看,在三十年代发现超新星时,人们就考虑将之用于“标准烛光”。1979年有人定量地证明,使用当时的望远镜技术就可以在合理的时间内收集足够数据解决宇宙膨胀速度变化的问题(当时大家关心的不是暗能量而是宇宙膨胀减速的现象)。八十年代初发现了1a型超新星的亮度更加稳定,这条路就更有希望了。1989年丹麦科学家报告,经过两年的努力找到了第一个遥远的1a型超新星。佩尔马特小组于1988年开始了他们的工作。开始并不顺利,到1992年才找到他们的第一颗超新星。但后来在1994年他们想出了“成批观测”的方法,数据收集速度就大大加快了。1995年他们发表了第一批结果(当时还没有包括暗能量非零的结论)。也在1995年,佩尔马特与同事提出,根据别人在1992年发表的公式,由超新星的测量结果可以分别定出宇宙质量与暗能量。而在1997年他们发表了完整的数据和数据分析。而施密特小组从1994年底开始测量,也很快积累了他们的数据。在1998年,两个小组分别报道了结果,指出宇宙常数等于零的模型不符合观测结果。

可见,这个工作虽然在物理上有重大意义,但工作本身并不需要对宇宙论的深刻理解,而主要是借助已有的想法和结果。当然他们在测量仪器,测量方法和数据处理上做了大量工作,包括发现超新星的一些规律并用之来修正观测数据提高精度。这些工作中,有的也是很好的物理,但不是得奖的领域——宇宙学。

那么他们得奖只是“命好”吗?当然不是。首先,他们选择了一个具有重大物理意义的题目。虽然他们并未预料到会发现宇宙膨胀加速的现象,但通过测量遥远星体的退行来推算宇宙膨胀速度的变化(当时预料是减速),从而决定宇宙的未来是否会由膨胀转为收缩,也在宇宙学上具有重大意义。而当时超新星研究的进展为解决这个问题提供了一条新路。其次,在一开始这个工作看起来是希望渺茫的。当时的丹麦科学家团队在两年中只找到一颗1a型超新星,而且还错过了测量其亮度的时机。佩尔马特小组开始工作后,经过四年才发现第一颗超新星,经过六年才发表第一批结果。在开始工作十年以后,他们才得到足够的数据而能提出结论。而他们能够锲而不舍并争取到资助机构和自己的团队的长期支持,也与他们对于这个工作之重要性的坚信不移分不开。八十年代以来,天文观测所用的仪器和数据处理工具飞速进步,而且功能更强大的望远镜,包括第一台空间望远镜“哈勃”和至今最大的科克(Keck)望远镜也在那个阶段投入使用。这也给他们工作的成功创造了更好的条件。

宇宙学历史上另外两项得奖工作,也值得在这里提出来比较一下。“大爆炸理论”的被接受,很大程度上得益于1964年宇宙背景辐射的发现。这个工作使潘夏斯(Arno Penxias)和威尔森(Robert Wilson)分享了1978年一半的诺贝尔物理奖。潘夏斯和威尔森是贝尔实验室的科学家。他们原来是想用一台退役的卫星地面站天线来观测银河系中的某些辐射源。但在调试仪器时,他们发现噪声水平比预想的稍高。经过一年多的反复测试,甚至还专门清洗掉了天线上的鸽子遗留物,还是找不到这个“超标”噪声的来源。后来一个偶然机会他们听说了普林斯顿一个研究组关于宇宙起源的理论,才把那不到三度的“超标”噪声与宇宙起源挂上了钩,从而为“大爆炸理论”提供了有力证据。而2006年得奖的工作,也是关于宇宙背景辐射的测量。借助NASA的“宇宙背景探测”(COBE)卫星,他们测量了背景辐射角度分布的精细结构和红外光谱。前一项测量揭示了宇宙早期的量子涨落,而它是星系产生的原因。后一项工作显示背景辐射的光谱与黑体辐射非常吻合。这就给出了背景辐射与其他物质相互作用强度的一个上限。这次得奖的两位研究者斯母特(George F. Smoot)和马瑟(John C. Mather)都是从研究生时代就对锁定背景辐射这个物理问题,而且借助气球和飞机进行了大量测量并不断改进自己的仪器。1974年他们通过竞争被选入NASA的宇宙背景探测(COBE)卫星项目。1989年卫星发射,他们在1990年发表了结果。这是个近二十年的努力,主要的挑战也是测量仪器。比较这两项工作,虽然一个是“有心栽花”一个是“无心插柳”,但都是通过高超的工程努力,解决了重大的物理问题。

诺贝尔奖所奖励的是工作结果的意义,而不是付出的努力。所以有的得奖工作是“十年磨一剑”,有的纯粹是运气,大多数是介于两者之间。然而从科学家个人的角度来看,一个关键的问题是:“我怎样能做到别人所做不到的工作?”其答案可能有很多种。天才,努力,运气等都是其中的因素。“以人为镜”,看看超新星观测的工作,想想他们的长处在哪里,对我们自己也不无帮助。

诺贝尔本身是可遇不可求的事。做科学不应该以诺贝尔作为最终的追求。这里只是用诺贝尔来标志一类科学工作:它的意义不限于这个发现本身,而是会影响到其他很多人的研究方向和方法。当然,也不是说只有作出“重大意义”工作才是好科学家。日常的,渐进的发现对于科学进步也有着重要意义。一个科学家还是应该以好奇心作为最终动力。这篇介绍,只是对这一类工作中的某几个例子所作的一些观察和思考。如果你把这类工作作为“成功”的目标的话,也许可以从中得到些启发。

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文章评论
作者:欧阳峰 留言时间:2012-02-16 07:24:01
识字而已:你说的非常对!可惜在这个世界上,搞科学可用的资源有限,所以除了内心的满足外,还是要考虑一点世俗的“标准”。。。
回复 | 0
作者:识字而已 留言时间:2012-02-15 17:38:19
做科学要能耐住寂寞,要保持旺盛的好奇心和求知欲,要有点点天赋和机遇,但更多的是努力,还有一点点豁达
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