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今年的诺贝尔物理学奖授予了吉姆·皮布尔斯（James Peebles）、米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）。获奖的理由是表彰他们在理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的杰出贡献。 这个理由真的是一般人看了一脸懵，今天我们就详细说说什么是理论宇宙学和地球在宇宙中的位置！
什么是“理解宇宙演化” 我们刚接触天体物理学或者刚开始了解宇宙的时候，估计我们每一个人都会提出一个最最深刻的问题，这一切从哪里来？这也是人类几千年来苦苦追寻的本源问题。直到20世纪人们在物理学和观测手段上取得了长足的进步，我们才第一次有能力试图回答这个问题。也对宇宙的起源提出了一些可行的说法，并且还思考了以下几个问题： 宇宙的组成成分是什么？ 掌握宇宙的背后的规则是什么？ 宇宙中的恒星、星系、星系团甚至是大尺度结构在如何产生和演化的？ 首先我们要了解在科学史上出现的两件事，它们为我们理解宇宙演化奠定了基础！
《文子·自然》《淮南子》：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”宇宙，即广宇自然，所有空间、时间、物质以及事物的总称！ 上段话已经清楚的交代了宇宙这两个字的含义，如果我们要了解宇宙的演化，我们必须搞清楚时空的性质以及物质（能量）和时空之间的关系。这里我们就要提到广义相对论了（GR），是GR给我们带来了新的时空观，它告诉我们：时空不是固定不变的，而是一种由于物质和能量的存在而弯曲的几何实体，并且参与着事物的运动和宇宙的演化！
因为爱因斯坦在自己的方程中已经得出了空间会在引力的作用下收缩，为了防止宇宙塌缩还故意往方程里加入了“宇宙常数”，这就说明了空间是可以变化的（可大可小）。 广义相对论这种新引力理论的成功和发展，不仅解决当时让科学家头疼了几十年的水星轨道进动问题问题，还预测了一大堆已经被证实的现象，包括遥远的星光因大质量物体而偏转、引力红移、由于引力而产生的延时效应、大质量物体之间的轨道衰减等等。广义相对论就为人们进一步理解宇宙打好了坚实的基础！
哈勃首次发现仙女座星系中的第一颗变星。 在哈勃确认M31（仙女座）星系之前，最初人们认为它是星云状的恒星形成区域，距离我们只有几千光年或几万光年远，也就是处在我们银河系中，当时觉得整个银河系就是宇宙。 后来，人们通过对变星的大量了解，知道了变星的周光关系，哈勃通过对仙女座星系内部变星的识别告诉我们，它距离我们有数百万光年远。是银河系之外宇宙中独立的星星岛，至此人们的思想终于是走出了银河系，走向了宇宙。
哈勃的另外一个重大发现是：宇宙中的星系大致均匀地分布在所有方向和距离上，这些星系都在远离我们。结合星光红移数据，即星系远离我们的速度以及我们能够从每个星系内的恒星观测中获得的距离数据，哈勃发现一个星系离我们越远，推行的速度越快！这就是哈勃定律。
在广义相对论的解中，空间本来就不是恒定不变的，不是收缩就是扩张，通过哈勃的观测，人们就很容易能得出一个具有开拓性的结论：星系之间不断产生新的空间，迫使星系相互远离。也就是说空间在膨胀！这就是广义相对论对宇宙演化最大的贡献。
基于我们到目前为止所说的，我们可以得出一个结论：宇宙在过去更加密集温度更高，随着时间的推移会变冷更稀疏。这就是宇宙大爆炸理论的框架。就是这样来的，首先提出这个框架的人是乔治·伽莫夫。在大爆炸的初始框架中没有我们现在所说的暗物质、暗能量、没有微波背景辐射、没有大爆炸后的核合成，我们甚至不知道宇宙初始物质的含量是多少（轻元素丰度）。 接下来吉姆·皮布尔斯（James Peebles）就根据大爆炸框架开始了他的宇宙演化图景。通过将物理定律应用到整个宇宙的系统中，皮布尔斯开始研究宇宙早期的细节，以及这些细节如何随着时间的推移而演化，从而产生我们今天可以看到的特征。
如果今天的宇宙正在膨胀，那么过去的宇宙更热、更稠密、更年轻。那时的光线波长更短，宇宙的能量更大。从理论上讲，物质和辐射的距离更近，因此早期的宇宙碰撞不仅造成了更大的冲击，而且发生得更加频繁。如果这是真的，皮布尔斯认为这个想法将会对我们的宇宙产生巨大的影响。
1、宇宙过去在空间上物质分布的更为均匀 因为万有引力是一种失控的力，任何特定的区域聚集的质量越大，引力就越大。这意味着现在的宇宙比以往任何时候的物质团块更多。这说明曾经有一段时间宇宙中没有超星系团，没有星系，甚至我们回到足够早的时期，也没有恒星。这意味着在宇宙形成初期，宇宙中密度最大和最小的区域之间不仅只有细微的差别，而且所有在恒星中产生的重元素在遥远的过去都不存在。
2、宇宙曾经非常热，以至于中性原子无法形成。 能量足够高的光子和原子之间的碰撞频繁，就会把中性原子的电子踢出去。也就是说如果你加热任何物质，只要温度足够高，原子就会被电离。如果回到宇宙足够热、密度足够大的时候，就不可能形成任何中性原子。
3、宇宙温度高到不能形成原子核。 尽管把原子核结合在一起的力比把原子结合在一起的力强几个数量级（大约一百万倍），但只要宇宙的温度和密度足够高，原子核也会被炸开。如果这是真的，那么曾经就有一段时间，宇宙仅仅是质子、中子和电子的海洋，并通过一个冷却阶段，在这个阶段质子和中子可以融合在一起而不会被炸开。 这将导致大爆炸核合成特定数量的最轻元素和同位素（氘、氦-3、氦-4和锂-7）的融合和形成，除了这些元素之外不会有其他重元素。这个数量和比例应该完全取决于宇宙中重子（质子和中子）与光子的比例。 如果宇宙中有正常物质（质子、中子和电子）和辐射，而且大爆炸是正确的，我们将看到这三种物质的证据。特别是从宇宙的最初阶段就会有残留的黑体辐射：微波背景辐射，几乎全天空完美的各向同性和均匀性，只比绝对零度高几度。 以上就是皮布尔斯对早期宇宙演化图景的理论贡献，以及对大爆炸核合成、轻元素丰度和微波辐射的预言。
在20世纪60年代，由贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了充满全天空的微波噪音，后来经过COBE、WMAP和Planck等卫星的精准验证。宇宙微波背景在黑体辐射光谱的温度为2.72548±0.00057K。 在遥远的宇宙深处的原始气体云中：自大爆炸以来从未形成过恒星的区域，我们探测到了早期阶段微量元素和同位素的数量。
以上的观测结果都与大爆炸理论的预言惊人的一致！没有其他理论或模型可以预测这些事情，也没有任何理论或模型可以与大爆炸相提并论。所以皮布尔斯将宇宙学转变为了一门拥有精确数据的硬科学，他应用于宇宙的理论框架实际上是所有现代宇宙学的基础。因此他获得了今年的诺贝尔物理学奖。什么是“地球在宇宙中的位置”
米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz） 上文我们说了宇宙的演化，从宇宙的大尺度结构到恒星系统，宇宙需要经历数十亿的进化，从恒星到星系在到星系团。宇宙中无数的恒星经历死亡、重生，将自己一生合成的丰富元素抛洒到宇宙中，富含重元素的行星才得以形成！ 这些行星应该都含有岩石/金属核心，并且受万有引力的控制绕自己的母恒星以椭圆轨道的方式运行，这应该和我们太阳系一样。行星的引力作用能对母恒星的光谱产生可观测的影响，周期性的红移和蓝移，这就是我们常说的恒星摆动法！
而行星从母恒星面前经过，会周期性的挡住一部分光线，我们可以测量恒星光度的微弱变化，就可以探测一个行星的轨道周期和半径，这就是行星凌日法。以上两种方法是我们常用的探测系外行星的方法。 就在几十年前，我们只知道太阳周围由行星环绕，但是，1995年10月6日瑞士日内瓦大学（UNIGE）科学系天文台教授米歇尔·麦耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）宣布发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的行星。自从飞马座51b首次进入世界各地科学家的词典以来，对系外行星的搜索已经成为一个新兴而重要的领域，迄今共发现了4，000多颗已证实的系外行星。那么为什么获奖理由是地球在宇宙中的位置呢？寻找宇宙中的生命 要想知道第一颗系外行星的发现对科学来说有多重要，只需考虑人类一直关心的一个最基本的问题:“我们在宇宙中是孤独的吗？” 随着每一年都有新的望远镜和设备支持着我们对系外行星的搜寻，我们发现了系外行星上有可支持生命的大气的迹象。这意味着今年是向这些天体物理学家致敬的最佳时机。 当我们分析这些行星和它们的恒星系统时，将它们的起源、演化、物理和化学成分拼凑在一起，可以说，发现系外行星的下一个重要步骤是确定一个能够支持生命存在的系外行星。 据估计，宇宙中存在数百亿颗行星系统，理论上可能存在大量的系外行星，这让天体物理学家和天体生物学家们有理由相信，生命并不是我们这个渺小而平凡的世界所独有的。这就是为什么说第一颗系外行星的发现了改变了我们地球在宇宙中的位置！因此这两人与詹姆斯·皮布尔斯分享了2019年诺贝尔物理学奖。 祝贺2019年诺贝尔物理学奖得主和他们的革命性发现。 |
