这次诺贝尔物理学奖让我们仰望星空

哲学家罗素说，他理解的“哲学”，是“某种介于神学和科学之间的东西”。他说：“一切确切的知识，都属于科学；一切涉及超乎确切知识之外的教条，属于神学。而两者之间，一片受到双方攻击的无人之域，是哲学。”

那么，关于2019诺奖物理学奖，我们可能可以从这样一个角度理解：如果没有获奖者——詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）、米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛斯（Didier Queloz）师徒的工作，可能关于宇宙、对于系外行星的认知，我们依然只能更多地从神秘主义、神学、哲学的角度来进行探索。

但是在科学上，科学家只相信那些经过实验或观测证实的东西，因此他们选择的是一条沉重乏味的道路。

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△詹姆斯·皮布尔斯（左）、米歇尔·马约尔（中）和迪迪埃·奎洛斯（右） 图片来源：THE NOBEL PRIZE

2019年诺贝尔物理学奖，奖励了这些几十年如一日的科学家。

奖项的一半，授予詹姆斯·皮布尔斯关于“物理宇宙学的理论发现”；另一半奖项，授予米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛斯“发现了围绕太阳型恒星运行的系外行星”。

【宇宙的定位者】

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10月8日晚，诺奖物理学奖委员会科学家对皮布尔斯教授的研究进行现场解读时，用了一组道具：咖啡三剑客。

“让我们把宇宙比作一杯咖啡，这里大部分是咖啡，就是暗能量；然后我开始加奶油，这是暗物质，然后再加入一点点砂糖，这是普通物质。”

暗物质占据着宇宙实物总量的百分之八十，这意味着它实际上主导了宇宙中的结构形成。在有普通物质的地方，总有暗物质伴随。

当地球在银河系中运动的时候，它也在不断地和银河系中的暗物质粒子交汇。因此，我们在地球上就有可能捕获到暗物质。

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△ 暗物质 图片来源：MIT

其实，文艺青年对暗物质应该是有深刻认识，因为前不久刚刚结了婚的“谢耳朵”先生，在和Amy去登记时，重重地cue到了暗物质——

“I never thought I'd want to marry anyone. So the fact that I found you is astonishing. It's like finding dark matter,except they were looking for dark matter. I wasn't even looking for you, so you're even better than dark matter.......When you make a discovery like this, you don't take it down to City Hall--you tell the whole world!”

其实在科学界，科学家对暗物质的认知，也在很长一段时间里处于迷茫状态。

自从1933年，暗物质这个神秘的幽灵第一次在人类面前现出踪迹后，在很长一段时间里，暗物质并没有引起太多科学家的兴趣。

一方面，确认暗物质存在的证据还太少。另一方面，宇宙中存在看不见的东西并不奇怪，没有光线照耀的矿坑里，满是看不见的矿藏和泥土，企业家或许还有兴趣，但物理学家并不关心这个，除非这些暗物质有什么超出人类认知的特点。

事实上，直到上世纪70年代末，仍然有很多人不相信暗物质的存在。

如果有人在物理学会议上说“暗物质是存在的”，很多人可能会礼貌地微笑；而如果有人敢说“暗物质可能是构成宇宙的基本粒子”，很多同行更可能会“哈哈哈哈”。

上世纪60年代以后，随着天文学领域不断发生重大的观测突破，以及美国航天项目的刺激，天文学获得的经费资助显著增加，吸引了众多学习天文的学生，也吸引力了众多物理学博士跨领域进入天文研究。两个领域学者的兴趣在宇宙学这个领域交汇了，“暗物质是一种基本粒子”这一假说开始被认真考虑。

在20世纪80年代，皮布尔斯教授描述了一类被称作“冷暗物质”的模型。这一类暗物质粒子在宇宙早期相对于光速运动得非常缓慢，因此被称作是“冷”的。

由于这种冷的特性，由这类暗物质主导的宇宙中，最先形成的结构是质量非常低的暗物质小团块。这些团块会通过合并和吸积周围的暗物质增长。普通的物质会沉积在暗物质团块的中心，直到恒星点燃，星系形成。

利用超级计算机，人们可以模拟由这一类暗物质主导的宇宙中结构是如何形成的。结果显示：冷暗物质可以完美地解释星系巡天观察到的星系空间分布状态。

再说回一嘴上面提到的这杯“宇宙咖啡”，借助皮布尔斯教授的贡献，我们人类正在搞清楚自己在宇宙中的位置，也许可以理解为，是在奶油与咖啡的漩涡交融，画出条纹时，就能得到精致的复杂结构。我们，就是宇宙咖啡杯里的漩涡。”

不过有很多网友和我一样，研究着诺奖，打着哈欠，不觉喝掉一杯咖啡，然后狠狠地吓一跳：我这是毁灭了一个平行宇宙了？

【新世界的发现者】

人类很早就在想宇宙当中有没有类似的生命，16、17世纪时，布鲁诺、牛顿，都思考过这个问题。那么人们需要先找到一颗宜居的系外行星。

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图片来源：insidescience

但是系外行星极其难找——行星本身不会发光，只能够反射恒星的光芒；这意味着，行星的绝对亮度其实非常非常微弱；同时，即使是最近的那些恒星，它们与地球之间的距离也要以光年计。相距如此遥远的情况下，系外行星肯定会被笼罩在它所环绕的恒星的光芒中；也就是说，系外行星根本无法被地球上的望远镜所看到。

三、四百年里，这项事业毫无进展。19世界里，所有人跑出来宣称他们发现了太阳系以外的行星的人，都只能证明，他们全是自己看花了眼。

但是20世纪90年代，来自瑞士的师徒麦耶和奎罗兹试图横空出世，他们用相当有力的证据，证明了系外行星的科学存在。

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△ 麦耶（右）和奎罗兹 图片来源：media wired

他们是如何完成这项科学壮举的？

方法是径向速度法。

在10月8日的诺奖物理学奖发布会上，诺奖委员会物理学会的秘书长打个比方解析这个方法：“就好比火车驶入和驶出车站时，声音是不一样的。”——

如果一颗恒星的周围真的存在一颗行星，这对恒星和行星就会构成一个彼此绕转的两体系统。

这会你身边是否有人？如果有一个比你的体重要重磅许多的家伙，那更好了。你不妨邀请TA和你共同跳一个圈圈舞——你绕着TA快速地旋转舞蹈，你就像那颗系外行星；而TA呢？因为质量大于你，TA的转幅要比你小得多，恩，TA象征那颗恒星。

这样一对天体在彼此旋转时，地球是有办法感知的——

当行星离地球远去时，恒星就会略微地靠近地球。此时，恒星发出的光就会发生轻微的偏蓝；

反之，当行星向地球飞来时，恒星就会略微地远离地球；此时，恒星发出的光就会发生轻微的偏红。

所以你就知道了麦耶师徒坐实系外行星存在的依据：如果发现一颗恒星的光谱出现了周期性的蓝移和红移交替的现象，就可以断定这颗恒星拥有一颗行星。这就是径向速度法。

1995年底，麦耶和奎罗兹在《自然》杂志上发表了一篇论文，宣布他们用位于法国普罗旺斯天文台的一台新型光谱仪，测出一颗与太阳相距50光年、名叫飞马座51的恒星的光谱中，存在一个周期为4.2天的蓝移红移交替的现象。

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由此他们推断出，在离飞马座51仅仅800万千米的地方，有一个和木星差不多大小、公转周期为4.2天的行星。麦耶和奎罗兹把这颗行星称为飞马座51b。它是人类历史上发现的第一颗绕主序星旋转的系外行星。

这个划时代的重大发现，为人类打开了一扇通往新世界的大门。在此后的20多年的时间里，追随着麦耶和奎罗兹的足迹，天文学家们发现了将近4000颗系外行星。

《纽约时报》甚至把麦耶和奎罗兹发现系外行星这件事，与当年哥伦布发现美洲大陆相提并论，称这对师徒为“新世界的发现者”。