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1、2018诺贝尔物理学奖：宇宙的膨胀速度2011诺贝尔物理学奖授予了三位杰出的天体物理学家：索尔珀尔马特(SaulPerlmutter)、布莱恩施密特(BrianP.Schmidt)和亚当黎斯(AdamG.Riess)。他们对超新星进行了系统的观测，发现宇宙正在加速膨胀。这一发现意义深远，多年来他们一直是获奖的热门人选。这是宇宙学领域第三个诺贝尔物理学奖。1929年，美国天文学家哈勃利用当时世界上最大的望远镜加利福尼亚威尔逊山望远镜，首先发现了星体间距离在不断变大，由此提出了宇宙膨胀理论。根据这一发现，俄罗斯天体物理学家伽莫夫提出了大爆炸理论，认为宇宙诞生于约140亿年前，宇宙从一个极小体积、极
2、高密度的点猛烈地向外膨胀，像发生了一次超级大爆炸。大爆炸理论此后被很多不同类型的天文观测所证实。不过，多年来，物理学界一直认为宇宙膨胀的速度是恒定的，或者是越来越慢的；直到这三位物理学家开始了对超新星的观测。超新星现象1934年，天才天文学家茨维基等人提出超新星的概念，他们猜想，当大质量的恒星演化到其生命的晚期时，内部的核燃料消耗殆尽，恒星从中心开始冷却，没有足够的力量与引力对抗，整个星体向中心坍缩，坍缩时表层被迅速加热，发生剧烈的爆炸，这就是超新星现象。在中国历史上，超新星爆发通常预示着兵祸和天灾，或者皇帝驾崩，是历朝皇帝极为重视的稀有异常天象。从汉朝以来的2000多年里，最壮观的超新星爆发
3、只有六七次。北宋景德年间，公元1006年5月1日凌晨，南方天空中豺狼座位置上突然出现一颗很亮的恒星，亮度接近半个月亮，在它的光照下无月的夜间也可以看清东西。其后三个月夜夜可见，三个月后变暗。这是人类有文字记录以来最亮的超新星爆发，天文学上称这次超新星为SN1006，它离地球大约7200光年远。由于超新星很亮，在极远的地方都能看到，所以可用来研究宇宙学。对宇宙学最有用的超新星是Ia型超新星，由于物理上的原因，这类超新星在爆发时的质量相同，因此它们的绝对亮度总是固定的，大约为太阳亮度的50亿倍。超新星离地球越远，它的视觉亮度就越低，根据这一关系，可以把Ia型超新星当作“标准烛光”来使用：根据观测到
4、的超新星的视觉亮度，可以反推它到我们的距离。随着宇宙的膨胀，星体发出的光的波长会变长，在物理学上这叫做红移。红移的大小与星体的距离大致成正比，这就是著名的哈勃定律，宇宙学这一学科就是从哈勃的天文观测开始发展起来的。如何观测超新星？此次获奖的三位天体物理学家所做的工作是哈勃最早的观测的精确化。他们用最先进的天文观测工具观测了约60颗Ia型超新星，在地球上测量超新星的亮度和光线的红移，绘制出距离-红移关系图(俗称哈勃图)，由这些哈勃图可以算出很多宇宙学参数，比如宇宙的年龄、膨胀情况等。有了哈勃图，人们终于能回答自古以来一直在追问的问题：宇宙是什么样的？它是如何形成的？它将如何演化下去？虽说这一观测
5、从原理上很简单，但实际操作起来并不容易。一个主要原因是大多数超新星离地球太远，极为微弱，很难分辨。为发现超新星，一般要用数码摄像头对天空进行两次拍照，比较不同时刻某一天区的照片，用前一时刻的照片减去后一时刻的照片，从两者的区别中发现可能变亮的待选目标。第一张照片在新月之后拍摄，第二张照片则要在3个星期之后，抢在月光把星光淹没之前拍摄。值得注意的是，这些待选目标中有的可能并非超新星，而是其他天体，比如偶尔运动到这一区域的太阳系小行星。排除这些干扰之后，再用大型光学望远镜对这些目标进行细致的观测，所有测量需要在超新星变暗之前迅速完成。这是一项艰难的任务。虽然从上世纪八十年代起就有多个小组在进行这类
6、观测，但未能获得很多有效结果，这可能与望远镜观测时间分配有关。大型天文望远镜的观测时间通常要申请，一般来说，大型天文望远镜的观测时间分配表早在半年或一年前就已经定下来。在整个可观测宇宙之中，平均每分钟大约爆发10颗Ia型超新星。但宇宙实在太过巨大，一个典型的星系平均每1000年才会出现一到两颗超新星爆发。由于没有办法预测超新星爆发的准确位置，并预先申请观测时间；所以通常科学家只能在发现超新星后，临时借用别人的观测时间进行后续观测，这使得其很难进行有效观测。诺奖得主：宇宙正在加速膨胀此次获奖的三位天体学家来自两个观测小组。其中一组是“超新星宇宙学项目”，于1988年启动，经过一段时间后由于成效微
7、弱，项目几乎被停掉。危难时刻，索尔珀尔马特领导起了超新星观测任务。通过一番努力，这一项目得以继续下去。为了观测超新星，珀尔马特广泛联络全世界各大天文台的望远镜，恳请正在使用望远镜的人帮他进行观测。他还发展出一套迅速找到大量超新星候选者的方法，可以一次迅速找到多颗候选超新星，从而能够申请到更多观测时间。另一个小组是“高红移超信息研究组”，于1994年启动，领导者是布莱恩施密特，亚当里斯在其中起到了至关重要的作用。虽然他们起步较晚，但是进展迅速。很快，两个小组就展开了激烈的竞争。1998年1月，两个小组几乎同时公布了其观测结果，其中珀尔马特小组发现了42颗超新星，施密特小组发现了16颗超新星。他们
8、的结果都表明，宇宙正在加速膨胀，这一结果轰动了物理界。为解释宇宙的加速膨胀，物理学家们提出了许多方案，其中最主流的是暗能量理论。暗能量是一种假想的物质，普通物质产生的压强为正，暗能量的压强为负；普通物质产生万有引力，而暗能量则产生斥力；普通物质让时空减速膨胀，而暗能量则让时空加速膨胀。虽然有众多证据显示了暗能量的存在，但是物理学家一直不知道暗能量的本质是什么。进一步的天文观测表明，今天宇宙中大约74%的物质是暗能量，22%的物质是不可见的暗物质，而我们所熟悉的普通物质只有4%左右。在宇宙的整个历史中，物质的引力越来越弱，暗能量所起的作用越来越强。到五六十亿年前，暗能量开始发挥作用；在此之前，宇宙是减速膨胀的；在此之后，宇宙是加速膨胀的。