物理学诺奖授予宇宙学这对人类认识宇宙有啥意义?

（原标题：2019 年诺贝尔物理学奖颁发世界学理论和系外行星，对人类知道世界有什么含义？）

文/中国科学院国家天文台 星云方案研讨员 李然

关于地外行星：

1781年从前，人类知道的大行星数目是5。1920年，这个数字艰难地添加到了8。但到了2016年11月，人类现已发现的行星数目添加到了3414，并且在急速地添加中。新添加的行星来自太阳系外。寻觅到这些行星绝非易事。咱们能够考虑一下太阳系的状况。地球的直径只要太阳的百分之一，表面积是太阳的万分之一。咱们还记得“旅行者号”在飞出太阳系之前，从前回眸对地球做过一个自拍。在相片里，地球是一个十分昏暗的蓝点，湮灭在太阳的光芒中，假如没有人特别提示，调查者简直辨认不出。“旅行者号”其时刻隔太阳还远远不到1光年，而间隔太阳最近的比邻星就在4光年以外，更不用说其他恒星了。不夸大地比方，寻觅其他恒星周围的“地球”，就好像在大海中飞行的水手企图调查悠远的灯塔的光芒下的一只飞虫那么困难。

20世纪末，天文学家总算在太阳以外的恒星周围发现了第一批行星。1995年发现的飞马座51b是第一颗这样的行星，发现者是日内瓦大学的MichelMayor 米歇尔·梅尔（和Didier Queloz（迪迪尔·奎洛兹）。这个发现意味着天文学家总算有了牢靠的办法去查找太阳系外的行星。这个办法被称作“视向速度法”。这个办法利用到光的多普勒移动效应， 假如光源相对观测者移动，观测者就会看到光线的频率发作改变。当一颗恒星向观测者运动的时分，观测者会看到恒星变得蓝一些，当它远离观测者的时分，恒星会稍稍地变蓝红，假如一颗恒星和一颗行星组成一个双星体系，它们都会绕着一起质量中心运动。换句话说，行星会构成主星的速度动摇，这种速度动摇会发作能够观测的多普勒频移现象。地球上的观测者一般是看不见昏暗的行星的，但却能够看到恒星的色彩发作周期性的细小改变，然后承认行星的存在。经过视向速度办法，观测者还能够估量行星的质量。行星的质量越大，恒星的多普勒频移就越显着。最早发现的几颗太阳系外行星都能够构成比较显着的多普勒频移现象。例如，飞马座51b能够构成它的主星发作一个50m/s的速度动摇，这比木星对太阳的影响大得多。这是由于它间隔主星十分近，只要日地间隔的1/20。由于间隔主星十分近，飞马座51b的表面温度或许抵达1000摄氏度以上。比较比较冰冷的木星，行星学家们称这些接近主星的大个子为热木星。热木星的存在绝非个例，今日发现的太阳系外行星列表中，大约有1/3的行星都能够被归类为热木星。尽管这样高的份额和它们简单被观测有关，但也阐明热木星的确是内行星体系中广泛存在的。至于它们的成因，则是别的一个至今炽热的论题。

关于世界：

James Peebles早在40年前就和诺贝尔奖擦肩而过。他是世界微波布景辐射的首要理论阐释者。

今日的世界学理论以为，世界起源于一次沛莫能当的大爆炸。但咱们能承认这件作业吗？ 在上世纪40年代末到50年头代，伽莫夫和他的学生宣布了一系列文章，深入探讨论怎么寻觅大爆炸在世界中留下的依据。

假定咱们在今晚看到夜空中有一颗间隔咱们10光年的恒星逝世，爆发为超新星。咱们需求提示自己，这颗恒星实际上在10年前就现已逝世，仅仅它逝世时宣布的光线今日正好传达到地球。换句话说，当咱们调查越远处的天体时，看到的是它越陈旧时期的姿态。咱们能够调查到的世界的最远的当地，那里的光线应该从世界诞生之初就径自向咱们传达而来，今日刚好抵达地球。在地球上，咱们向任何一个方向看去，都应该能够看到某个当地在世界诞生之初宣布的光。

但世界诞生之初的光，并不是从发作开端就沿直线运动的。在世界前期，世界中的电子的动能还很高，不能和原子核结合。所以光子无法直线传达的很远，总是刚向前传达一点间隔就和一个自在电子磕碰，然后改变了传达方向。光子就好像被电子的囚笼困住了，只能在一个很小的区域内打转。

这种景象一向继续到世界诞生后37万年，这时分世界温度总算降到了原子构成的温度。一切的电子一会儿被原子核抓获了，这个进程被称作“电子复合”。电子复合使得世界空间一下变得空阔了不少。所都光子在这个时刻完毕了终究一次和电子的磕碰，之后它们简直再也不会碰到另一个电子，能够彻底自在的在世界中直线穿行。在地球上的观测者在任何方向都能够看到这些光子，咱们能够把它们称为“世界布景光子”。它们携带着世界在“电子和光子终究磕碰时刻”的信息。

世界布景光子有一个十分重要的特色，便是它在任何一个方向上的频率散布必定满意黑体辐射的特征。所谓黑体是指处于完美热平衡的物体。地球上自然界中是不存在这种完美热平衡的物体的。但世界诞生之初由于光子和其他粒子的磕碰十分的频频，应该是处于十分完美的热平衡状况的。

伽莫夫计算了世界在“终究磕碰时刻”的温度，这样他就能够知道世界布景光子的能量。咱们知道世界胀大会使得光子丢失能量。当光在胀大的世界中传达，它会阅历红移，也便是波长变得更长，频率变低。伽莫夫计算出世界布景光子传达到今日的能量大约相当于10开尔文左右的黑体宣布的辐射。伽莫夫和他的学生在计算出这一成果后有点绝望，由于这个温度太低了，他们觉得很难观测到。

世界学在五十年代是一门冷学识，没有太多一流的科学家跟进。在尔后的10多年里，伽莫夫的计算成果竟然逐渐被人遗忘了。时刻悄然来到了1967年，普林斯顿大学的迪克, 威尔金森，和皮布斯独立的计算了世界布景光子的性质。和伽莫夫不同，迪克是一个对试验十分通晓的科学家，他在四十年代创造晰勘探微波辐射的微波勘探器，后来这种勘探器常被称作“迪克勘探器”。他当即意识到这样的布景辐射彻底能够用他自己创造的勘探器来研讨。三位科学家马上开端着手预备试验。但是，在这时他们忽然接到了一个电话，给他们带来了个平地风波。电话来自贝尔试验室的两位工程师彭齐亚兹(Penzias)和威尔逊(Wilson)，他们现已制作了一个迪克勘探器，用来接纳世界中的电磁波。在曩昔的数月中，两位工程师一向致力于调试这个天线，去除各种仪器噪声。但他们发现不管怎么调试，接纳器中总能接纳到一个相同的信号。不管他们将天线指向天空的什么当地，这个信号都不会消失，并且相同。一般状况下，这阐明这个信号很或许并不是来自望远镜外的，而是仪器自身存在问题。但两位工程师的确现已用尽了或许的办法去校准仪器，他们乃至端着猎枪清除了天线里的鸟窝。 终究，他们不得不向勘探器的创造者求助。

当了解到这个信号的强度后，皮布斯等人马上意识到这便是他们想要去勘探的信号，来自世界之初的布景辐射。两组人马洽谈之后分工撰写了世界学史闻名的两篇论文。彭齐亚兹和威尔森在一篇文章中描绘了这个信号的存在，但没有提出任何解说。而迪克，皮布斯等人则在同一期杂志上发布了一篇美丽的理论文章，翔实的解说了这个发现的重要含义。

彭齐亚兹(Penzias)和威尔逊(Wilson)在1976年取得了诺贝尔奖，皮布斯由于试验晚了一步，和诺奖擦肩而过。但在随后的年代里，皮布斯花很多时刻探究了世界怎么从微波布景的年代演化到今日。世界开始处处均匀，只要细小的密度涨落，今日的结构是怎么从世界的开始条件演化而来。皮布思的作业触及了这个问题简直一切的方面。他的作品《世界大规范结构》是一代科学家了解世界演化的教科书。他也是冷暗物质理论开始的几个提出者这一。在曩昔的40年里，人们一向以为Peebles值得取得一个诺贝尔奖。但或许和索墨菲相似，他的任何一个独自的成果好像都无法干脆利落的满意诺奖规范。但终究，诺贝尔奖仍是眷顾了这位实至名归的科学家。

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