2011~2020年诺贝尔物理学奖回顾(4)

原创 张妙静 厉光烈 现代物理知识杂志 今天

张妙静¹ 厉光烈²

1 广西师范大学；2 中国科学院高能物理研究所

                 2019年               

皮布尔斯(James Peebles，1935~)因在物理宇宙学方面的理论贡献和发现、麦耶(Michel Mayor，1942~)和奎洛兹(Didier Queloz，1966~)因首次发现一颗围绕类日恒星运转的系外行星，共同分享了2019 年度诺贝尔物理学奖：皮布尔斯得一半；麦耶和奎洛兹均分另一半。

图9 从左至右：皮布尔斯、麦耶、奎洛兹

尽管，早在1966 年，彭齐亚斯和威尔逊就发现了宇宙微波背景辐射，并因此与卡皮查分享了1978年度诺贝尔物理学奖，后来，马瑟和斯穆特又因发现宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性分享2006 年度诺贝尔物理学奖；波尔马特、斯密特和赖斯因观测遥远的Ia 型超新星进而发现宇宙加速膨胀共同分享了2011 年度诺贝尔物理学奖，但是，使热大爆炸宇宙学由伽莫夫等人的猜想变成现今的精确科学则应归功于皮布尔斯为解读宇宙起源和演化所做出的不懈努力：在过去的半个多世纪里，他在宇宙微波背景辐射(CMB)、宇宙大尺度结构的形成、暗物质和暗能量等诸多方面都做出了重大贡献，是现代宇宙学大厦的主要奠基者之一。

彭齐亚斯和威尔逊从皮尔布斯关于“大爆炸宇宙起源会留下射电噪声残余物”的理论预言中得到启示，认识到：他们在实验中所观测到的，正是宇宙微波背景辐射。这里提到的理论预言，正是皮尔布斯对宇宙大爆炸后恒星、星系和星系团组成的宇宙大尺度结构的研究成果。这一研究还将宇宙年龄限制在130~150 亿年。在美国麻省理工学院阿兰·古斯提出宇宙暴胀理论，并与他的两个同事：斯坦福大学安德烈·林德和俄罗斯科学院朗道理论物理所阿列克谢·斯托尔宾斯基共同荣获2014 年天体物理学卡夫里奖之后，宇宙年龄更被精确定为138 亿年。

另外，1974年，马瑟提出了宇宙微波背景探测卫星(COBE)计划，并和斯穆特合作发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性，他们的工作支持并完善了热大爆炸宇宙学，使之可以自恰地描写从宇宙极早期的量子涨落直到现今恒星、星系和星系团组成的宇宙大尺度结构；1998 年，波尔马特、斯密特和赖斯通过观测遥远的Ia 型超新星进而发现了暗能量驱动的宇宙加速膨胀，随后，威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)、Planck 卫星等对微波背景辐射温度涨落和偏振谱的精确测量、大尺度结构巡天观测都有力地证实了宇宙加速膨胀和暗能量的存在，还定量地给出了暗能量在当今宇宙中所占的组分为72.50±0.16%，而由夸克和轻子组成的普通(重子)物质只占4%，其余为暗物质。因此，开展粒子物理和宇宙学的交叉研究：寻找暗物质粒子，揭示暗能量本质，探索宇宙起源及演化的奥秘，已经成为21 世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。

皮尔布斯的三部著作：《物理宇宙学》、《宇宙大尺度结构》和《物理宇宙学原理》影响了整整一代研究物理宇宙学的年轻学者。正是皮尔布斯和这一代年轻人完善了宇宙大爆炸模型，让人类对宇宙起源和演化有了较为清晰的认知：我们的宇宙创生于大约138 亿年前的一个来自时空奇点的大爆炸。它从极高温度的混沌状态开始演变，逐渐产生核子，然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。大约38 万年之后，宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期CMB。接着在原初密度涨落的影响下，逐渐演化出大尺度结构雏形。到了4 亿岁时，宇宙中终于诞生了第一代恒星，而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。之后，由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终，我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。目前，宇宙热大爆炸模型与粒子物理标准模型、地球表面板块模型和生命科学DNA模型一起被公认为20 世纪科学发现的四大模型。虽然如此，宇宙热大爆炸模型仍然只是一个模型，仍然存在许多有待探索的未解之谜：大爆炸奇点哪里来的？暴胀从何而始？暴胀之前会发生什么？以及暗物质和暗能量究竟是什么？等等。因此，宇宙热大爆炸模型仍然不能被视为描述宇宙起源和演化的终极理论。

1995 年10 月6 日，瑞士天文学家米歇尔·麦耶和迪迪埃·奎洛兹在意大利佛罗伦萨举行的一次天文学会议上宣布：他们在银河系中观测到了第一个太阳系外的行星正在围绕一个类日恒星运动。这颗被证明环绕类日型恒星——飞马座51 飞速移动的行星被命名为飞马座51b，它距离地球50 光年，因极其靠近宿主恒星，其间距离只有800 万千米，因此，公转周期仅为4 天。恒星将行星加热，温度超过1000℃。相比之下，我们的地球，距离太阳1.5 亿千米，公转周期为1 年，温度适宜人类生存。这颗新发现的行星，作为一个气态球体，体型巨大，可与太阳系中的最大气态行星：木星——其体积是地球的1300 倍，质量是地球的300 倍——相比拟。根据早期有关行星形成的理论，木星体型的行星应该在远离其宿主恒星的位置产生，并且需要很长的公转周期。木星环绕太阳的一个周期大约需要12 年，所以飞马座51b 的4 天环绕周期对寻找系外行星的天文学家是个超级意外。后来，美国天文学家保罗·巴特勒和杰弗里·马西也将他们的望远镜转向了飞马座，也发现了51b 星，确认了麦耶和奎洛兹的发现。两个月之后，他们又发现了两个新的环绕类日型恒星的系外行星。行星短的环绕周期对于那些天文学家来说是非常便捷的，因为这意味着他们不需要花费几个月甚至几年来等行星环绕宿主恒星一个周期，而是在不到一个月的时间里便可观测到行星环绕宿主恒星好几圈。

早在1977 年，麦耶就已在位于法国马赛东北100 千米处的上普罗旺斯天文台望远镜上安装了光谱仪，借助多普勒效应，通过观测光谱线的蓝移或红移来发现被系外行星拖拽的宿主恒星的径向运动：蓝移，向着观测者；红移，远离观测者。但是，当时麦耶所用的光谱仪测量的恒星速度的下限约为300 米/秒，精度不够，根本看不到系外行星拖拽它的宿主恒星。20 世纪90 年代早期，奎洛兹在日内瓦大学开始了他的研究生涯，作为博士生的奎洛兹被要求开发新方法以进行更为精确的测量。他与同事们一起，利用了许多可以快速观察大量恒星同时又能分析其结果的新技术，特别是数字图像传感器(CCD)，改进了光谱仪。顺便指出，威拉德·博伊尔和乔治·史密斯因发明了半导体成像的电荷耦合器件(CCD)的图像传感器与在光在纤维中传输并将其用于光学通信方面取得突破性成就的高锟共同分享了2009 年度诺贝尔物理学奖。1994 年春，新的光谱仪完工时，其测量恒星运动速度的下限已降低到10^-15 米/秒，距离系外行星的发现已非常接近。又花了数月完善他们的研究成果，1995 年10月，麦耶和奎洛兹终于向全世界宣布：他们搜寻到第一颗系外行星。

麦耶和奎洛兹的发现，改变了我们对世界的认识，进一步推动了天文学的发展。目前，发现的以各种形态存在的系外行星已经超过4000 颗，它们与我们熟知的太阳系内行星几乎完全不同。这些发现，定将促使天文学家去创建描述行星形成的新理论。

                 2020年               

彭罗斯(Roger Penrose，1931~)因发现黑洞的形成是广义相对论的有力预测、根策尔(Reinhard Genzel，1952~) 和盖兹(Andrea Ghez，1965~)因在银河系中心发现一个超大质量的致密天体，共同分享了2020 年度诺贝尔物理学奖：彭罗斯得一半；根策尔和盖兹均分另一半。应当指出：盖兹是继居里夫人(1903)、梅耶(1963)和斯特里克兰(2018)之后第四位获得诺贝尔物理学奖的女性。

图10 从左至右：彭罗斯、根策尔、盖兹

北京时间2019 年4 月10 日21 时，参与事件视界望远镜计划的科学家公布了人类历史上首张黑洞视界照片，于是，与黑洞的理论和观测有关的研究定会获得诺贝尔物理学奖成为大家的共识。但是，让世人认识到黑洞的事件视界看起来就像一个环绕着由吸积或喷流辐射造成的如新月状光环的圆形阴影的大名鼎鼎的霍金2018 年去世了，因此，与他合作过、对黑洞的理论研究同样做出过重大贡献的英国数学家彭罗斯，以及在银河系中心发现一个超大质量致密天体(即黑洞)的德国天文学家根策尔和美国天文学家盖兹，荣获了2020 年的诺贝尔物理学奖。

谈到黑洞，就不能不提暗星：早在18 世纪，英国自然哲学家米歇尔，还有法国著名天文学家和数学家拉普拉斯等就曾讨论过：一个具有与太阳同样密度而直径为太阳250倍的明亮天体，因它发射的光将被自身引力拉回而不能被我们看到，因此，它实际上是一颗暗星。拉普拉斯还把光假设成粒子，用万有引力定律推导出与史瓦西后来通过求解爱因斯坦引力场方程得到的黑洞的史瓦西半径公式一样的暗星的半径公式。但是，暗星与作为时空理论的广义相对论所预言的黑洞并不是一回事。暗星，虽观测不到，但它不是不能发射光，而是发射出的光会被自身强大的引力拉回。黑洞则不一样，进入黑洞的物质（包括光）是出不来的。

以史瓦西黑洞为例，有两个特别的地方：一是事件视界，就是史瓦西半径处的黑洞边界，物质(包括光)只要进入事件视界以内，就别想出来了；另一是黑洞中心，那是一个密度无限大的奇点。爱因斯坦引力场方程的史瓦西解还告诉我们：在事件视界内外，时空坐标互换，也就是说，在事件视界外面的空间坐标到了里面就变成了时间坐标，黑洞中心的奇点也就是时间的终点，于是，进入事件视界的物质(包括光)都会奔向奇点，即足够大质量恒星引力塌缩必然导致黑洞及其中心的奇点。

关于黑洞的形成，具体地说，就是足够大质量恒星引力塌缩成黑洞后会不会出现奇点？许多科学家持怀疑的态度，他们认为，奇点的存在，可能是史瓦西在球对称的条件下求解爱因斯坦引力场方程得到的理想结果。真实的恒星很可能是奇形怪状的，其中各处的塌缩速度可以不一样，因此，最终未必会塌缩成一个奇点。

彭罗斯的贡献就在于，他用拓扑方法于1965年最先证明了，对于史瓦西黑洞，无需外加球对称条件，即使候选恒星原来长得奇形怪状，最终都会塌缩成一个奇点。1966 年，霍金在博士论文中把彭罗斯证明奇点存在的这个奇点定理推广到了任意黑洞。

前面提到，黑洞中心的奇点是时间的终点，即时间结束的地方，那么，是否存在时间开始的地方呢？理论上，广义相对论允许作为黑洞的时间反演的白洞的存在，如果把黑洞比喻为物质的“陷阱”，那么白洞就是物质的“喷泉”，白洞的中心应该就是时间开始的地方。1970 年，霍金和彭罗斯合作又写了一篇论文，他们认为宇宙大爆炸就是开始于一个奇点，也就是说，宇宙大爆炸开始于一个白洞；他们还认为，在宇宙大爆炸初期会形成一些质量很小的黑洞，但是，这个观点至今尚未得到观测验证。

彭罗斯，虽然证明了黑洞的形成是广义相对论在极端条件下仍然成立的有力证据，但是，黑洞内部，特别是黑洞中心点的时空本性，仍然是未解之谜。目前，理论物理学家正在努力创建一套新的量子引力理论，以揭示黑洞中心点的时空奇性。

1963 年，荷兰天文学家史密特发现了类星体。所谓类星体，就是看起来“类似恒星”的一类特殊天体，具体地讲，就是银河系外能量巨大的遥远天体，其中心是猛烈吞噬周围物质的超大质量黑洞。1969 年，英国剑桥大学的林登-贝尔将类星体解释为超大质量黑洞吸积物质所发射出的辐射，并认为：绝大多数星系的中心都存在超大质量黑洞，为类星体建立了完善的理论；1971 年，他和他的同事里斯进一步指出，银河系中心就可能有这样的超大质量黑洞，并提出了观测方法。

大约100 年前，美国天文学家沙普利率先在人马座的方向上确定了银河系的中心。后来，天文学家在那里观测到了一个强大的无线电波源，并将其标记为人马座A^*。到了20 世纪60 年代末，人们发现，人马座A^*占据了银河系的中心，银河系几乎所有的恒星都围绕着它。但是，直到20 世纪90 年代，包括根策尔和盖兹在内的天文学家才用更大的望远镜和更好的设备对人马座A^*进行更为系统的研究。根策尔小组使用的是欧洲南方天文台位于智利的两台望远镜：先用的是拉西拉山上的新技术望远镜(NTT)，后来，转移到帕瑞纳山脉，用的是甚大望远镜(VLT)；盖兹小组使用的是位于夏威夷冒纳凯阿山上的凯克(Keck)望远镜，这是目前世界上口径(10m)最大的光学/近红外线望远镜,由36 个六边形镜片以蜂窝状组合而成，可以分别控制这些镜片来更好地聚焦星光。

近30 年来，这两个组不断开发和完善相关技术，并配备了更加灵敏的数字光传感器和更好的自适应光学器件，使图像分辨率提高了千倍以上，他们对银河系中心气体、尘埃与恒星混杂的环境中众多明亮的恒星进行了跟踪、观测，结果发现，这些恒星在距中心一光月半径内移动最快，就像一群蜜蜂一样，而在该区域之外的恒星则以有序的方式遵循其椭圆形轨道运行。他们特别关注一个被根策尔小组和盖兹小组分别标记为S2 和S02 的引人注目的恒星，这个恒星围绕银河系中心人马座A^*的周期只有16 年(太阳的周期是2 亿年)，它的轨道是很扁的椭圆。2002 年春，他们观测到S2(S02)距离星系中心17 光年，两个小组的观测结果符合得非常好，因此，得出结论：在银河系的中心，确实存在一个黑洞，其质量大约为4 百万倍太阳质量，所占据的体积和太阳系大小相当，而S2(S02)距离星系中心的17光年则是黑洞的史瓦西半径的1400 倍。他们在同一个位置观测到的近红外和X射线耀斑则被认为是黑洞吸积物质所发射出的辐射。2008 年，这两个组分别在会议上公布了这一重要发现。同年，根策尔荣获邵逸夫奖天文学奖。

顺便指出，早在1783 年，米歇尔就曾提出，暗星(即黑洞)周围应该有着许多明亮的星体绕其旋转，如果人们跟随这些星体的轨迹，就能够找到黑洞。根策尔与盖兹的发现应用的正是这一古老的思路。人类历史上首张黑洞视界照片公布之后，人们正期待着直接观测银河系中心人马座A^*的黑洞。

根策尔与盖兹的开创性工作为广义相对论及其预测提供了新一代精确检验，他们的观测也很有可能为新的量子引力理论提供线索，宇宙仍有很多奥秘与惊喜等待着我们去发现。（完）

本文选自《现代物理知识》2021年第1期  YWA摘编