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2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

作者:由 劉博洋 發表于 旅遊時間:2015-10-06

(已打臉,博大家一笑就好)

首先,祝賀北大校友屠呦呦獲得諾貝爾生理學和醫學獎!

這是華人第一次獲得諾貝爾生理學和醫學獎。而今天即將出爐的諾貝爾物理學獎,則是歷次華人所獲諾獎中,“中獎”次數最多的一個獎項。現在各路高人已經開始猜測物理學獎將花落誰家,本專欄也便一起湊湊這個熱鬧。

近幾年的諾貝爾物理學獎似乎正在物理學的四個主要分支中輪流打轉:2011年獲獎的“暗能量”屬於天文學,2012年獲獎的是量子物理,2013年獲獎的“希格斯粒子”是高能和粒子物理,2014年獲獎的“藍光LED”則是凝聚態物理的成果。

如果四年一輪的規律真的存在,那今年就又要轉回天文學了。那麼,天文學裡有哪些夠得上諾獎榮耀的成就,還沒有被諾獎垂青過呢?

“暗物質”的發現似乎是目前呼聲較高的一個。

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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實際上早在1930年代,瑞士天文學家Fritz Zwicky就已經發現,根據后髮座星系團中星系運動速度計算得到的星系團總質量,似乎比星系團中可見物質所對應的質量要大兩個量級。他當時就猜測,可能有某種不發光的“暗物質”存在,造成這一現象。然而這次發現並未引起同行的重視,石沉大海。

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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比Zwicky還早一年的是荷蘭天文學家Jan Hendrik Oort,他發現銀河系中一些恆星運動的也過快。他也用到了dark matter一詞來解釋,但該現象亦有其他可能解釋,總的來說他的這次發現力道尚不及Zwicky的。

不管怎麼說,這二位仁兄早已故去;健在的天文學家中,有資格拿暗物質這個諾獎的,就是Vera Rubin和Kent Ford了。他們在上世紀60年代用Ford做的一臺光譜儀研究仙女星系(M31)中不同位置的恆星的速度,據此得到了所謂其星系旋轉曲線。然而,他們測到的旋轉曲線竟然不符合萬有引力定律——在星系外側看不到什麼東西的地方,本來應該掉下來的旋轉曲線,瘋了似的水平延展開來,這說明在恆星盤邊緣之外,仍然存在大量我們看不到的東西。

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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(仙女星系旋轉曲線示意)

這被公認為暗物質的正式發現,這一次發現沒有再次石沉大海,改變了人們對宇宙認知的基本圖景。現在雖然我們仍然不知道暗物質是什麼,但它的存在已經被極多的證據廣泛證實,暗物質早已成為宇宙學標準理論的一個基石。

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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(普朗克衛星測得的宇宙各組分佔比)

Rubin奶奶今年已經87歲,Ford大爺年輕一些,今年也有84了。這個獎要是再不發,那諾獎對科學家抗衰老能力的要求也太高了點。雖然說暗物質的本質尚未搞清,不過同樣沒有徹底搞清楚本質的暗能量,就只是因為觀測證據確鑿,而獲得了2011年的諾貝爾物理學獎。作為天文學為整個物理學學科貢獻的“新兩朵烏雲”之一的發現者,Rubin和Ford得獎的話,將是眾望所歸。

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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還記得7月份NASA宣佈發現“第二地球”時的輿論熱潮嗎?(一天攢了5k讚的我印象極其深刻……)另一個近些年呼聲很高的領域,就是系外行星了。

其實說起來,系外行星並不是一個特別“物理”的領域,系外行星的存在與發現並不能讓我們對物理的認知產生顛覆性的變化。實際上人人都可以根據哥白尼原理輕易斷言“其他恆星周圍一定也有行星存在”,而發現系外行星的技術,不管是靠測光觀測的掩星法,靠光譜觀測的視向速度法,還是看上去很酷炫的微引力透鏡法,乃至超高解析度下的直接成像法,都只是在技術上有一定的挑戰,並沒有太深的物理內涵。

不過如果系外行星領域獲得諾貝爾物理學獎,倒也和這些年物理學獎嚮應用物理傾斜的趨勢一致。光纖、石墨烯、藍色LED,都是以其造福人類的巨大應用價值而獲獎。系外行星研究是為兩三百年後的人類找退路,應用價值也不必這幾項差,要獲獎確也能說得過去。

問題是,發給誰呢?

系外行星領域不可謂不擁擠。一口氣能拎出好多人來:

2015年諾貝爾物理學獎:暗物質or系外行星?

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透過對脈衝星的觀測,最早發現系外行星系統的人是Aleksander Wolszczan 和Dale Frail。

然而人類顯然並不想移民到一個死氣沉沉的脈衝星旁邊。透過掩星法,首先在主序星周圍發現系外行星的是 Didier Queloz 和他的導師、操著一口瑞士吞音英語的Michel Mayor。他們的這一發現後經Geoffrey Marcy觀測確認——這位仁兄發現的系外行星數量很多,前100個裡有70個都是他的小組發現的。

有人說還要再算上默默推動開普勒任務十餘年年的 William Borucki 老爺子,這就已經六個了——而諾獎每次不能超過三人,這個名單早已長到沒法發獎了。怎麼辦?一個辦法是等——很殘忍的熬死幾個老傢伙,等人數少到3人以下,就好辦了;不過這幾位大哥看起來都還活蹦亂跳的,不像是能靠身體健康大賽決出勝負的。再就是對貢獻進行一下取捨:前二位發現的是脈衝星旁邊的,太非主流,算了吧;Marcy只是跟進確認,要不也算了?Borucki 雖然佔不到什麼“第一”名分,但勞苦功高,Kepler發現的系外行星數量極多,留下也情有可原。這樣的話,如果頒給系外行星領域,可能會授予Didier Queloz、Michel Mayor和William Borucki。

暗物質的發現為物理學提出了一個巨大的挑戰,而系外行星的發現為人類的未來開啟了無限的憧憬。如果要筆者進行選擇,我還是更傾向於暗物質發現者Vera Rubin和Kent Ford。當然,“諾貝爾獎的四年輪迴”本身可能就是臆測,如果“輪迴”失效,放眼整個物理學界,那競爭者的名單還會大大加長,不在本文所能管窺之列。欲知後事如何,坐等今晚直播。

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我發起的教育公益組織“青年天文教師連線”現正準備在國內推動一項基於遠端天文臺進行系外行星搜尋的公眾科學教育專案。歡迎有興趣的個人和組織與我們聯絡,交流QQ群:485840067。

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標簽: 外行星  暗物質  發現  FORD  獲獎