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中国新闻周刊诺贝尔物理学奖探寻宇宙的烛光

发布时间:2019-07-08 15:22:11

中国周刊:诺贝尔物理学奖探寻宇宙的“烛光”

2011诺贝尔坐标系  2011年,诺贝尔奖在中国比任何一年都要预热更早、升温更高。在诺奖公布前夕,随着81岁的中国药学家屠呦呦获得有“诺贝尔奖风向标”之称的拉斯克奖,中国国内舆论普遍宣称中国科学家离诺贝尔奖“只有一步之遥”,以至于在10月3日,首轮揭晓的诺贝尔奖宣布当日,国内有媒体以“屠呦呦能否获诺奖今见分晓”为标题,吊足了中国人的胃口。然而,当瑞典卡罗林斯卡医学院宣布将本年度诺贝尔生理学或医学奖授予欧美三位免疫学家之后,中国媒体又惊呼“屠呦呦与诺贝尔奖擦肩而过”。最终,这一连串诺贝尔奖的“场外花絮”,并没有真正拉近中国与诺贝尔奖的距离,只不过是中国人多年来“诺贝尔情结”的又一次集中爆发。  在一个成熟的社会,科学与文化的发展当然不会以获奖为出发点,而应该按照其自身发展的规律,以促进社会进步为终极目标。诺贝尔奖的价值就在于其为人类的文明进步构筑了一个坚实的坐标。理性对待诺贝尔奖,需要我们站在人类文明的高度,既尊重“有国界”的科学家、文学家……也学习和吸收“无国界”的科学与文化成果。随着中国社会、科技、文化的全面发展,中国人必将靠自己的聪明才智为人类文明的发展做出更大的贡献,到那时,如果那个来自斯德哥尔摩的惊醒了一个睡梦中的中国人, 最美妙的场景,是13亿人由衷地和他一起分享喜悦与骄傲,而未必是举国欢腾的喧嚣和热闹。  物理学奖  探寻宇宙的“烛光”  尽管宇宙加速膨胀的发现意义重大,但与此相关的许多理论和观测尚存在疑问和争论。进入21世纪后,诺贝尔物理学奖第三次颁给与宇宙相关的领域。研究宇宙对人类的现实生活没有影响,但具有一种哲学上的意义  本刊/钱炜  宇宙始于一场140亿年前的大爆炸,此后就不断膨胀。但根据广义相对论,物质间存在万有引力作用,宇宙的膨胀不会一直持续,将不断减速,直到某一刻,停止膨胀并开始收缩,最终形成一个起点,再次爆炸,并重新开始膨胀。  在上世纪,这一度是科学界对宇宙的流行解释。宇宙这种周而复始的演变,与佛经里的“轮回”暗相契合,令科学与哲学在最宏观的层面上实现了某种意义上的“团圆”。  然而,2011年度诺贝尔物理学奖得主的研究结论,一举打破了这个“皆大欢喜”的结局。三位获奖者——美国科学家索尔·珀尔马特、拥有美国和澳大利亚双重国籍的科学家布赖恩·施密特以及美国科学家亚当·里斯——通过观测遥远的超新星,发现宇宙的膨胀并非减速,相反,是加速的。  “如果宇宙继续膨胀下去,最终将成为一片寒冷死寂之地,无所谓终结,不存在目的,这将向人类呈现出一幅崭新的哲学图景。”科幻作家刘慈欣在谈到本届诺贝尔物理学奖时向《中国周刊》如此描述。  而国家天文台研究员陈学雷则更生动地描绘了这个结果带给科学界的震惊:“这就像是你往上扔一个皮球,结果发现皮球并未逐渐减速,却加速向上飞去了!它撼动了整个宇宙学的基石。”  珀尔马特与施密特分别于1988年和1994年开始领导各自的团队从事超新星研究,里斯在施密特的团队中发挥了重要作用。由于这项发现的颠覆性,几年来,两个研究小组一直是诺贝尔奖的热门候选人。中科院理论物理研究所研究员李淼去年就在博客上声称他们该获诺奖,而加拿大科幻作家罗伯特·索耶早在12年前,就在其作品《未来闪影》中如有神助般地说中了今年诺贝尔物理学奖的获奖者。  从“烛光”中窥探宇宙膨胀  在地球上观测超新星亮度的变化,可以准确推算出它们和地球距离的变化,并据此计算出宇宙膨胀的速度。“Ia型超新星”在宇宙学上被称为“标准烛光”。珀尔马特和施密特的研究小组都以“Ia型超新星”为观察对象。陈学雷说,这听上去容易,但超新星的发现是很困难的。虽然超新星很亮,但置于浩瀚宇宙之中,也只有微光一点。  1980年代中期,丹麦的一些天文学家曾试图寻找宇宙中这些遥远的超新星。经过长达两年的搜索,他们才找到两颗,但终因发现过少而放弃了。由于很难发现超新星,并且怀疑它是否真的是“标准烛光”,当时许多天文学家都对此类研究持悲观态度。  而美国加州大学伯克利分校的“超新星宇宙学计划”小组(英文简称SCP)主要由物理学家组成,他们一开始对于超新星天文学中的困难并不完全了解。因此,当大多数天文学家都快放弃超新星时,“无知者无畏”可能是SCP小组仍勇于前行的原因。当珀尔马特接掌SCP时,正是项目最困难的时期:他们未取得任何成果,连一颗超新星都没发现,项目经费也快用完了。  当时,珀尔马特还面临着更实际的困难:要找到超新星,科研水平高低暂且不说,先得占有大量的观测数据,这就需要获得望远镜的观测时间。而现代天文望远镜都是由很多天文学家共用的。天文学家要用望远镜,就要写一份建议书,经同行评议后,由望远镜时间分配委员会根据评议结果决定分配。而在发现超新星之前,珀尔马特很难预先申请到这些观测时间。  为此,珀尔马特想了很多办法来争取望远镜的观测时间。其中最关键的一步,是他发明了“批处理”的方法:每隔一个月,在观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空,并立即与以往的观测相比较,找出可能的超新星候选者。用这种办法,帕尔马特领导的研究小组开始发现大量的超新星。  随着他们逐渐接近成功,天文学家们也看到了希望并参与竞争,其中就包括来自哈佛大学的施密特和里斯等人组成的High-z 小组。  对于后来者而言,挑战在于SCP小组花费了几年时间才开发出自动化超新星搜寻软件,他们要在短期内也研制出类似软件。施密特并没有像SCP小组那样写一套新软件,而是组合了一些现成的天文软件,这一过程只用了一个月。这样,High-z 小组就以出人意料的高速加入了竞争的行列。  SCP和High-z两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年,他们开始发现,超新星比他们原来预期的要暗,这表明宇宙的膨胀是在加速而不是减速。  经过反复检查,1998年1月,两个小组几乎同时公布了自己的观测结果,SCP组有42颗超新星数据,High-z 组只有16颗超新星数据,但每颗的误差要小一些。他们一致的结论是——宇宙的膨胀在加速。  “空灵的”诺贝尔奖  宇宙在加速膨胀,从这一过程引申出的一个新概念是暗能量。  暗能量一词是美国宇宙学家麦克·特纳发明的。它是物质的一种形式,有一些奇特的性质。比如,它的有效“压强”小于0,使得暗能量造成的“时空弯曲”与一般物质所致的相反,因此可以理解成具有与万有引力相对的“斥力”,可导致宇宙加速膨胀。  根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明,宇宙中大约75%左右都是暗能量,此外还有21%左右是不发光的暗物质,而我们熟悉的普通物质仅占4%多一点。  陈学雷指出,诺奖公告里面说,这个发现预示着“宇宙将终结于寒冰状态”,这只是文学性的说法。在宇宙学的术语当中,不存在这样的描述。  如果承认暗能量的存在,那么宇宙在遥远的未来不会塌缩,也不存在终结,会一直膨胀、存在下去,温度极低,物质稀薄。不过,科学界还有一种较为“激进”的看法则认为,随着宇宙的膨胀,暗能量将越来越多。由于暗能量产生的强大“斥力”,宇宙最终将经历一场极为惨烈的“大撕裂”,届时所有的天体包括地球在内都将不复存在,甚至连原子与原子核也都被撕裂。  不过,与反物质、暗物质相比,暗能量听上去更加不可捉摸。如今有关暗能量的一切研究,还停留在理论上的推测。“这次的获奖成果,属于天马行空一类的,比较空灵,不符合诺贝尔物理奖一贯的风格。”刘慈欣表示。  陈学雷也认为,尽管宇宙加速膨胀的发现意义重大,但与此相关的许多理论和观测还处在研究前沿,尚存在许多疑问和争论。“诺奖评委会素有稳重、保守的传统,我原以为他们还要再等若干年才会获奖。”  主要的争议集中在超新星。陈学雷解释说,根据科学家的推论,Ia型超新星会吸收周围一些物质,当中心压强大到一定程度时,就会爆发,但在过去,科学家用计算机模拟超新星的演变过程很长时间,都一直未能爆发,直到几年前,才终于爆发。但从模拟的结果来看,仍存在问题,似乎有很多因素,使超新星爆发的能量并不完全相同。因此,超新星究竟是否能作为“标准烛光”,在理论上还是有讨论余地的。  此外,陈学雷指出,虽然两个研究小组的观测数据本身没有问题,但数据的处理是非常复杂的。不过,单就此次获奖的两个小组而言,他们并不是理论研究,而是做观测,在数据处理时对各种可能性也做了考虑,因此还是可信的。  上海交通大学科学史系主任江晓原对此也表达了疑问:人类对宇宙的观测历史顶多只有两百多年,而宇宙的时间尺度是几百亿年。在极其有限的观测信息上进行推测,是不大靠得住的。此外,把一个在很小的时间区间内构造起来的模型,推广到一个巨大时间尺度时,也只能是猜测,其准确性都值得商榷。  此外,江晓原指出,对超新星的研究,本身也还不十分可靠。Ia型超新星的前世是什么?现在人们尚未搞清楚。根据诺奖公告,他们发现宇宙在加速膨胀,是因为“发现超新星的光度比预期的小”,这里的预期,根据的是恒星在不同演化阶段的光谱,预期本身就不可靠。  这是进入21世纪后,诺贝尔物理学奖第三次颁给与宇宙相关的领域。刘慈欣说,无论是从时间尺度还是空间尺度上,宇宙学都是研究对象最大的一门科学。即便宇宙有末日,在宇宙末日来临前,太阳就早已衰亡,人类的末日早就降临了。所以研究宇宙,对人类的现实生活没有太多的影响,但具有一种哲学上的意义。 ★

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