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· 关于数据权利的随想
· 拍卖中的信息和博弈-2020年
· 黑洞的神秘和神奇-2020年物
· 川普走了,常态回来了吗?
· 拜登真能成为“团结美国”的总统
· 2020,美国保守派选民该挺谁?
· 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝
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分类目录
【旧贴回顾】
 · 衔接量子与经典物理:2012年物
 · 数字通信介绍(5) 什么是MIMO?
 · “免费”的代价
 · 美国的收入差距:社会流动性(完)
 · 那是谁建的?谈谈大小政府之争
 · 成功者的心态
 · 政经随想(5)资本主义之后是什么
 · 亚洲传统价值在西方:财富还是包袱
【书山有路-心理篇(2)】
 · 自律的本能
 · 诚信的心理学
 · 如何点燃天才的火花?
 · 怎样对待老与死?(下)
 · “双管齐下”的变革秘诀
 · 实现自我,完成中年转变 -- 《中年
 · 成功有秘诀吗?《超人》读后
 · 惊险小说中的上品 -- 《Ambler War
【书山有路-经济篇(2)】
 · 大政府,小政府,聪明政府
 · 回首金融危机的来龙去脉(下)
 · 回首金融危机的来龙去脉 (上)
 · 窥视右派的内心:读《美丽的美国》
 · 中国起飞的发动机 ——民工
 · 介绍Peter Drucker
 · 信息时代的新生态 – What Would G
 · 书评:《讨还资本主义的灵魂》
【书山有路-政治篇(2)】
 · 一个犹太复国主义者的反思
 · 从金融危机看政府的角色(下)
 · 谁是乐善好施之人?
 · 关于普世价值的随想
 · 谈谈美国公知(4/4)
 · 谈谈美国公知(3/4)
 · 谈谈美国公知(2/4)
 · 谈谈美国公知(1/4)
 · 第三只眼看民主与专制
 · 赖斯与她的自传《无上光荣》
【书山有路-传记篇(2)】
 · 格林斯潘《动荡年月:新世界的冒险
【学海无涯-数字通信】
 · 关于数据权利的随想
 · 数字通信介绍(5) 什么是MIMO?
 · 数字通信介绍(4) OFDM为何如此
 · 数字通信介绍(3)信道编码
 · 数字通信介绍(2)香农与信息论
 · 数字通信介绍(1) 调制
【学海无涯-心理学(2)】
 · 心态是衡量快乐的一杆秤
 · 千里送鹅毛的心理学
【学海无涯-诺贝尔物理奖(2)】
 · 黑洞的神秘和神奇-2020年物理
 · 宇宙学中的理论和实验:2019年诺贝
 · 别开生面的2018年诺贝尔物理奖
 · 引力波探测:成就“不可能之任务”
 · 量子漩涡的奥妙-2016年物理诺贝尔
 · 神秘的中微子
 · 换灯泡,得诺奖
 · 半个世纪后的大奖:2013年诺贝
 · 衔接量子与经典物理:2012年物
 · 谈谈2011年物理诺贝尔奖:成功的道
【政治经济-美国政治(2)】
 · 我们的媒体怎么了?《美国大分裂》
 · 剖析美国国债难题:让数字说话
 · 大政府能救美国吗?
【政治经济-美国教育(2)】
 · 美国理科教育(5)教育改革话题
 · 美国理科教育 (4) “不让一个孩
 · 美国理科教育(3)成绩差距
 · 谈谈美国理科教育(2)教育与国力
【政治经济-美国经济】
 · 关于美国经济的对话
 · 奥巴马的赤字
【政治经济-国际政经】
 · 阿富汗天上掉馅饼儿,福兮,祸兮?
 · 中国的优势在哪里?
 · 关于美国核武新政策的随想
 · 伊斯兰与西方文明:冲突还是和解?
【政治经济-随想杂谈】
 · 用事实说话:循证决策
 · 关于维基解密与媒体的随想
 · 谁打败了麦卡锡?
【政治经济-税法福利】
 · 扯扯美国的“税务局丑闻”
 · 关于税法数据的分析 (评《纽约时
 · 税季谈税
 · 社会安全保险及其危机
【政治经济-健保改革(2)】
 · “健保法案”为何“好事多磨”?
 · 美国医疗保险:既太多又太少
 · 健保法案解读(4)健保改革的目标
 · 健保法案解读(3)怎样从Medicare
 · 健保法案解读(2)“公共选项”与
【政治经济-健保改革(1)】
 · 健保改革法案H.R.3962解析(1):
 · 美国医疗服务真是倒数第一吗?
 · 奥巴马能完成医疗改革大业吗?
 · 旧文重贴:美国政治的下一个热点话
【政治经济-金融危机(2)】
 · 关于做空,赌博与趁火打劫的随想
 · 从高盛的“欺骗”与“趁火打劫”谈
【政治经济-金融危机(1)】
 · 冒险的代价:美国“信贷社危机”回
 · 旧贴重放:关于AIG副总裁辞职信的
 · 旧文重发:“奖金门”争论中震耳欲
 · 华尔街的信用危机
【生活百感-心态心情(2)】
 · 人到中年:从耕种到收获的过渡
【生活百感-子女教育(1)】
 · 如何点燃天才的火花?
 · 谈谈美国高中课外活动(下)
 · 谈谈美国高中课外活动(上)
 · 孩子该读文科还是理科?
 · 中小学数学的存废之辩
 · 虎妈猫妈,异途同归?
 · 从“网上直播”引起的自杀谈起
 · 育儿漫谈:“高指标人”和“多情趣
 · 也谈大学教育:作为家长的期望和对
【生活百感-新大陆点滴】
 · 也谈一位“海二代”:国防部CIO高
 · 从“网上直播”引起的自杀谈起
 · 民族主义是非谈
 · 节日食谱:中式烤火鸡
 · 美国进入“节俭时代”
【生活百感-人际社会】
 · 谈谈《蜗居》中的三个男人
 · 关于人际交流的模式: 何时需要较真
 · 参与公益,从娃娃抓起
 · 科学与宗教之我见
【学海无涯-全球变暖(2)】
 · 全球变暖的科学根据之检讨(7)其他
 · 全球变暖的科学根据之检讨(6)关于
 · 全球变暖的科学根据之检讨(5)全球
【学海无涯-全球变暖(1)】
 · 全球变暖的科学根据之检讨 (4)
 · 全球变暖的科学根据之检讨 (3) 人
 · 全球变暖的科学根据之检讨(2) 全
 · 全球变暖的科学根据之检讨(1) 目
【学海无涯-博弈论】
 · 也谈博弈
【学海无涯-科学方法】
【学海无涯-科普读物】
 · 无所不在的“网络”
 · 科学的未知与伪科学 -- 《科学的十
【书山有路-科普篇(2)】
 · 也论科普的风格 – 三本科普书的读
 · 人脑比电脑到底强在哪里?
 · 无所不在的“网络”
 · 科学的未知与伪科学 -- 《科学的十
【历史纵横】
 · 美国南北战争:到底是为了统一还是
 · 真相,正义与和解:“肯特屠杀”以
 · 谁打败了麦卡锡?
 · 西雅图的“地下城”
【政治经济-美国贫困】
 · 美国的救济陷阱
 · 社会阶层分析的标尺:收入还是消费
 · 美国穷人:另外的百分之十五(下)
 · 美国穷人:另外的百分之十五(中)
 · 美国穷人:另外的百分之十五(上)
【法律观察】
 · 邦联旗与言论自由
 · 美国最高法院关于GPS跟踪的判决
 · 案例分析:“米兰达警告”与“毒树
【好文欣赏】
 · 好文欣赏:《糖水》
 · 转载mendel文:《从“胎教”开始》
 · 甘阳:自由主义:贵族的还是平民的
 · 【转贴】朱学勤:金重远 复旦首席
 · 好文推荐:村外
 · 酒到陈时味方醇
 · 转贴:“專訪袁偉時:不恪守法治觀
 · ZT: 铁腕戴上丝绒手套
 · 血缘(转帖)
 · 秦晖: 全球化的第三种可能
【政治经济-美国教育(1)】
 · 美国理科教育(2)教育与国力(上
 · 谈谈美国中小学理科教育(1)关于
 · 谈谈美国中小学理科教育(1)关于
 · 从华府公立学校总监Michelle Rhee
【政治经济-美国政治(1)】
 · 奥巴马2.0?
 · 从华府公立学校总监Michelle Rhee
 · 也谈工会
 · 谈谈美国的民主制度:“一票定乾坤
【生活百感-心态心情(1)】
 · 放暑假乐!休博到九月。
 · 初秋随想
 · 人生如流水,只有变化是永恒
 · 人性与理性:你是“99一族”吗?
 · 随感:后院的野猫
【生活百感-愚人节笑话】
 · 祸中祸:日本核电站释放超级细菌
【学海无涯-心理学(1)】
 · 诡异的数字暗示:参照效应
 · “诱饵效应”和“心理相对论”
 · 从“破釜沉舟”谈起
 · 千里送鹅毛的心理学
【学海无涯-诺贝尔物理奖(1)】
 · 诺贝尔物理奖介绍2007:巨磁阻和自
 · 闲谈CCD
 · 闲谈光纤
【学海无涯-科技译文(2)】
 · 引力究竟是什么?
【学海无涯-科技译文(1)】
 · 大脑是怎样工作的?
 · 人类终将访问火星吗?
 · 战争是我们生物本性的归宿吗?
 · 科学重要吗?
【书山有路-政治篇(1)】
 · 自我推销的范文- 读奥巴马的《大胆
 · 信仰与政治
 · 伊斯兰与西方文明:冲突还是和解?
 · 《世界是平坦的》书评
【书山有路-心理篇(1)】
 · 面对灾难,你准备好了吗?
 · 完整大脑与后信息时代 《A Whole N
【书山有路-科普篇(1)】
【书山有路-经济篇(1)】
 · 古狗随想录(下):一统天下,“不
 · 古狗随想录 (上):“掌控中的混
 · 关于做空,赌博与趁火打劫的随想
 · 信息时代的新生态 – What Would G
【书山有路-文学篇(1)】
 · 一扇管窥当代大学生心灵的窗户——
 · 道可道,非常道 – 读《遥远的救世
【书山有路-传记篇(1)】
 · 华盛顿政治的一扇窗口:Tenet自传
 · 《食祷爱》:心灵疗伤的良方
 · 股神巴菲特的人生 ——《滚雪球》
 · 洋“愚公”的故事 – 《Three Cups
【学海无涯】
 · 关于数据权利的随想
 · 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝尔
 · 宇宙学中的理论和实验:2019年诺贝
 · 充满“科学元素”的2018年诺贝尔经
 · 别开生面的2018年诺贝尔物理奖
 · 行为经济学和2017年诺贝尔经济学奖
 · 引力波探测:成就“不可能之任务”
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 神秘的中微子
 · 大数据经济学 (2015年诺贝尔经济学
【政治经济】
 · 川普走了,常态回来了吗?
 · 拜登真能成为“团结美国”的总统吗
 · 拜登:生逢其时的平庸候选人
 · 我们的媒体怎么了?《美国大分裂》
 · 对“全民基本收入”的数学分析
 · 杨安泽(Andrew Yang)和《对普通
 · 论保守派该投票克林顿
 · LGBT与“宗教自由案”
 · 华人和黑人:盟友还是对手?
 · 奥巴马健保的新考验
【生活百感】
 · 如何点燃天才的火花?
 · 谈谈美国高中课外活动(下)
 · 谈谈美国高中课外活动(上)
 · 放暑假啦!休博到秋天
 · 孩子该读文科还是理科?
 · 休博到明年一月
 · 停博一阵
 · 也谈一位“海二代”:国防部CIO高
 · 纪念汶川地震五周年
 · 中小学数学的存废之辩
【朝华午拾】
 · 为什么调制解调器会有不同速度?
 · 什么是网路电话?
 · 旧文重贴:谈谈学习中的思考
 · 菜鸟上路——我的第一份工
 · 怀念敬爱的黄老师
 · 感恩节前话感恩
 · 数学竞赛与我
 · 哲人讲座
【书山有路】
 · 北欧模式与《北欧理论》
 · 自律的本能
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 性别差异与神经心理学
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 诚信的心理学
 · 如何点燃天才的火花?
 · 怎样对待老与死?(下)
 · 怎样对待老与死?(上)
 · 一个犹太复国主义者的反思
【政治经济:政经随感(1)】
 · 简讯:美国竞选经费比往年减少
 · 再谈科学的威力与局限
 · 读奥巴马“国情咨文”有感
 · 政经随想(5)资本主义之后是什么
 · 政经随想(4):民主与市场经济
 · 政经随想(3)美国的末日到了吗?
 · 政经随想(2) 美国经济困境与全球
 · 政经随想(1)关于美国国债的几点
【政治经济:亚裔爬藤(1)】
 · 亚裔学子的大学门槛:几本有关书籍
 · 虎妈猫妈,异途同归?
 · 亚裔学子的大学门槛:统计证据一例
 · 亚裔学子:大学门槛格外高
【政治经济:亚裔爬藤(2)】
 · 高院判决,平权与亚裔入学
 · 控告哈佛歧视案讨论小结(转)
 · 反抗种族歧视,何不从帮助亚裔子弟
 · 亚洲传统价值在西方:财富还是包袱
【书山有路-心理篇(3)】
 · 性别差异与神经心理学
 · 怎样对待老与死?(上)
 · 思维快慢道(下)
 · 思维快慢道(中)
 · 思维快慢道(上)
 · 如何避免决策误区(下)
 · 如何避免决策误区(上)
 · 沟通技巧:“粘性学”(下)
 · 沟通技巧:“粘性学”(上)
 · 习惯的力量
【政治经济-12大选】
 · 论保守派该投票克林顿
 · 美国大选投票:除了“罗马”别无选
 · 谁动了Medicare的奶酪?(下)
 · 谁动了Medicare的奶酪?(上)
 · 那是谁建的?谈谈大小政府之争
 · 正戏开场——简评美国两党全国大会
【书山有路-宗教篇】
 · 关于道德与宗教问题与网友的讨论
 · 进化论是上帝的克星吗?(下)
 · 进化论是上帝的克星吗?(上)
【政治经济-收入差距】
 · 收入差别,市场经济与左右之争
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 美国的收入差距:社会流动性(完)
 · 美国的收入差距:政府能做什么?
 · 美国收入差距的原因
 · 美国的收入差距:谁是最富和最穷的
 · 美国的收入差距:中产阶级与贫穷劳
 · 美国的收入不平等:非主流意见
 · 美国收入不平等:引言与现状
【政治经济-美国华人】
 · 华人和黑人:盟友还是对手?
 · 亚裔传统月:关于美国亚裔的几个统
【政治经济:政经随感(2)】
 · LGBT与“宗教自由案”
 · 奥巴马健保的新考验
 ·  美国的言论自由与政治正确
 · 美国铁路面面观
 · 提高执政效率:自适应(下)
 · 提高执政效率:自适应(上)
 · 谁是乐善好施之人?
 · 美国中期选举:谁是赢家?
 · 围观美国打老虎
 · 美国教育体系中的“扶贫”措施
【书山有路-经济篇(3)】
 · 《国家为何失败》读后
 · 北欧模式与《北欧理论》
 · 关于认识论:涌现和贝叶斯法则
 · 从《大空头》看颠覆性创新
 · 收入差别,市场经济与左右之争
 · 保守主义该怎样帮助穷人?
 · 从金融危机看政府的角色(上)
 · 资本:贫富差距之源?(下)
 · 资本:贫富差距之源?(中)
 · 资本:贫富差距之源?(上)
【学海无涯-诺贝尔经济奖】
 · 拍卖中的信息和博弈-2020年诺
 · 随机对照试验与扶贫:2019年诺贝尔
 · 充满“科学元素”的2018年诺贝尔经
 · 行为经济学和2017年诺贝尔经济学奖
 · 怎样制定好的合同?2016年诺贝尔经
 · 大数据经济学 (2015年诺贝尔经济学
【政治经济-2020大选】
 · 川普走了,常态回来了吗?
 · 拜登真能成为“团结美国”的总统吗
 · 2020,美国保守派选民该挺谁?
 · 拜登:生逢其时的平庸候选人
 · 对“全民基本收入”的数学分析
存档目录
02/01/2021 - 02/28/2021
01/01/2021 - 01/31/2021
10/01/2020 - 10/31/2020
09/01/2020 - 09/30/2020
08/01/2020 - 08/31/2020
07/01/2020 - 07/31/2020
01/01/2020 - 01/31/2020
11/01/2019 - 11/30/2019
10/01/2019 - 10/31/2019
08/01/2019 - 08/31/2019
07/01/2019 - 07/31/2019
05/01/2017 - 05/31/2017
04/01/2017 - 04/30/2017
03/01/2017 - 03/31/2017
02/01/2017 - 02/28/2017
11/01/2016 - 11/30/2016
10/01/2016 - 10/31/2016
07/01/2016 - 07/31/2016
06/01/2016 - 06/30/2016
04/01/2016 - 04/30/2016
02/01/2016 - 02/29/2016
01/01/2016 - 01/31/2016
12/01/2015 - 12/31/2015
11/01/2015 - 11/30/2015
10/01/2015 - 10/31/2015
09/01/2015 - 09/30/2015
06/01/2015 - 06/30/2015
05/01/2015 - 05/31/2015
04/01/2015 - 04/30/2015
03/01/2015 - 03/31/2015
02/01/2015 - 02/28/2015
01/01/2015 - 01/31/2015
11/01/2014 - 11/30/2014
10/01/2014 - 10/31/2014
09/01/2014 - 09/30/2014
12/01/2013 - 12/31/2013
11/01/2013 - 11/30/2013
10/01/2013 - 10/31/2013
09/01/2013 - 09/30/2013
06/01/2013 - 06/30/2013
05/01/2013 - 05/31/2013
04/01/2013 - 04/30/2013
03/01/2013 - 03/31/2013
02/01/2013 - 02/28/2013
01/01/2013 - 01/31/2013
11/01/2012 - 11/30/2012
10/01/2012 - 10/31/2012
09/01/2012 - 09/30/2012
08/01/2012 - 08/31/2012
05/01/2012 - 05/31/2012
04/01/2012 - 04/30/2012
03/01/2012 - 03/31/2012
02/01/2012 - 02/29/2012
01/01/2012 - 01/31/2012
12/01/2011 - 12/31/2011
11/01/2011 - 11/30/2011
10/01/2011 - 10/31/2011
09/01/2011 - 09/30/2011
08/01/2011 - 08/31/2011
07/01/2011 - 07/31/2011
06/01/2011 - 06/30/2011
04/01/2011 - 04/30/2011
03/01/2011 - 03/31/2011
02/01/2011 - 02/28/2011
01/01/2011 - 01/31/2011
12/01/2010 - 12/31/2010
11/01/2010 - 11/30/2010
10/01/2010 - 10/31/2010
09/01/2010 - 09/30/2010
07/01/2010 - 07/31/2010
06/01/2010 - 06/30/2010
05/01/2010 - 05/31/2010
04/01/2010 - 04/30/2010
03/01/2010 - 03/31/2010
02/01/2010 - 02/28/2010
01/01/2010 - 01/31/2010
12/01/2009 - 12/31/2009
11/01/2009 - 11/30/2009
10/01/2009 - 10/31/2009
09/01/2009 - 09/30/2009
08/01/2009 - 08/31/2009
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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
   

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。

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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。

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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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