2019諾貝爾物理獎介紹

 


文/吳俊輝


皮博斯教授
圖1. 詹姆士‧皮博斯(James Peebles)教授(來源:Juan Diego Soler)

馬約爾教授
圖2. 米歇爾‧馬約爾(Michel Mayor)教授與迪迪爾‧奎洛茲(Didier Queloz)教授(來源:European Southern Observatory)

2019年10月8日瑞典皇家科學院(Kungliga Vetenskapsakademien)公布2019年諾貝爾物理獎的得主為加拿大裔美籍宇宙學家詹姆士‧皮博斯(James Peebles)教授、瑞士天文學家米歇爾‧馬約爾(Michel Mayor)教授與迪迪爾‧奎洛茲(Didier Queloz)教授等三人,以表彰他們對於「人類對宇宙演化及地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻,三人共同獲得900萬瑞典克朗的獎金,約為新台幣2,840萬元。這是過去九年來諾貝爾物理獎第三度頒發給天文宇宙領域的科學家,以致近九年來已經共有九位天文學家獲獎,這讓原本科學界中較屬冷門及弱勢的天文宇宙領域,獲得越來越多的注目。以下就先讓我們來回顧一下諾貝爾獎和天文研究間的因緣,然後再來深入了解一下2019年這三位天文宇宙學家獲獎的原因。

 以前的天文宇宙學家無法獲得諾貝爾獎

你可能不知道,以前的諾貝爾物理獎是不頒給天文或宇宙學家的。史上最著名的天文學家之一愛德溫‧哈伯(Edwin Hubble,1889-1953)曾經因此而為天文學家們叫屈,也曾為了將天文領域納入諾貝爾獎而奔走,在他那個年代,天文學並不被視為物理學的一部分,因為早年的天文叫Astronomy,主要研究「天」上的「文」理,研究天體的位置、運行和外觀亮度等,較像是現象學,以致大多是屬於「只知其然而不知其所以然」的現象觀測,這樣的研究並不被認為會對人類有重大貢獻,而「對人類有重大貢獻」則是諾貝爾獎的基本要求。但隨著近代物理及粒子物理等的崛起,科學家們漸漸可以藉由四大基本交互作用(強、弱、電磁、重力)的「物理」來探討夜空中的世界,因此「天文物理」(Astrophysics)一詞油然而生,其中的研究成果也和人類世界越來越貼近,而諾貝爾物理獎也是自此時開始納入天文及宇宙學,第一次頒授是在1967年,大約是在哈伯過逝(1953年)不久之後。
歷來的諾貝爾獎中屬於天文宇宙領域的獎項,依時間先後順序計有:
1. 1967年Hans Albrecht Bethe(核反應理論、恆星能量產生的相關發現)。
2. 1974年Sir Martin Ryle(無線電天文學中的孔徑合成技術);Antony Hewish(脈衝星的發現)。
3. 1978年Arno Allan Penzias及Robert Woodrow Wilson(宇宙微波背景輻射的發現)。
4. 1983年Subramanyan Chandrasekhar(恆星結構及演化的重要物理機制之理論研究);William Alfred Fowler(宇宙中化學原素形成的核反應之理論暨實驗研究)。
5. 1993年Russell A. Hulse 及 Joseph H. Taylor Jr. (新型脈衝星的發現以致開啟重力研究的新頁)。
6. 2002年Raymond Davis Jr. 及Masatoshi Koshiba(宇宙中微中子的偵測);Riccardo Giacconi(導致發現宇宙中X射線源的前沿研究)。
7. 2006年John C. Mather及George F. Smoot(宇宙微波背景輻射的黑體形式及異向性之發現)。
8. 2011年Saul Perlmutter、Brian P. Schmidt及Adam G. Riess(透過遠距超新星的觀測而發現宇宙的加速膨脹)。
9. 2017年Rainer Weiss、Barry C. Barish及Kip S. Thorne(對LIGO偵測器及重力波觀測的重要貢獻)。
10. 2019年James Peebles(物理宇宙學的理論發現);Michel Mayor及Didier Queloz(發現一顆繞行類太陽恆星的系外行星)。

由以上可見在過去半個世紀以來,天文宇宙領域共有10次獲獎、總計23位得主,平均大約每5年獲獎一次、平均約每2.3年有一位得主。(圖3)所示即為諾貝爾獎在這52年間,將其物理獎頒發給天文宇宙學家的累計人數圖。

累計人數
圖3. 諾貝爾獎天文宇宙領域累計獲獎人數

諾貝爾獎有時是頒給做出同一貢獻的一人或數人,或是頒給分別做出不同貢獻的數人,2019年的情況是屬於後者,通常在發布獎項消息時,官網上都會有明確的文字說明。2019年的三位得主雖然是分別屬於兩個不同的天文領域,但官網上給了他們獲獎的一個共同理由:“for contributions to our understanding of the evolution of the universe and Earth’s place in the cosmos”(對於「人類對宇宙演化及地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻)。也就是皮博斯教授主要是因為對「宇宙演化研究」之貢獻而獲獎(可獲二分之一的獎金,大約新台幣1,420萬元),而馬約爾教授與奎洛茲教授則是因為對「地球在宇宙中之地位的了解」之貢獻而獲獎(各可獲四分之一的獎金,大約新台幣710萬元),以下我們來分別探討一下。

 2019諾貝爾物理獎-宇宙篇

這三位得主中,知名度最高的是詹姆士‧皮博斯(James Peebles,1935年4月25日生)教授,但他此回的獲獎理由則是屬於諾貝爾物理獎歷史中極為非典型的。在歷來的物理獎中,大多是頒給有重大發現或發明的科學家,通常是理論和實驗搭配一起給,偶而也有單獨給的,但此回皮博斯獲獎的理由並不是由於任何單一的重大發現或發明,而是:“for theoretical discoveries in physical cosmology”(對物理宇宙學的理論發現)。所以連他自己也料想不到會得獎,但話說回來,我認為他拿這個獎實在是一點也不為過,是實至名歸,也是為諾貝獎樹立一個非典型的良範。怎麼說呢,因為在宇宙學這個領域中,幾乎人人都讀過他寫的書,最有名的莫過於1971年(我出生的第二年)所出版的”Physical Cosmology”以及1993年出版的”Principles of Physical Cosmology”,您是否已注意到,此回的給獎理由即是借用他的書名!也就是說,諾貝爾獎所要表彰的,是他長達半個世紀對宇宙學發展的基礎貢獻,要是少了他,目前我們對宇宙的整體了解可能會遲滯好一段時間。
皮博斯目前是美國普林斯頓大學(Princeton University)的亞伯特‧愛因斯坦講座教授(Albert Einstein Professor),在他數百篇的研究著作中,他的研究主題主要涵蓋了原始核合成(primordial nucleosynthesis)、暗物質(dark matter)、宇宙微波背景(cosmic microwave background)、宇宙結構形成(structure formation),這些都是對於研究宇宙大霹靂(Big Bang)及其後之宇宙演化的關鍵基石。建構在這些基石上,目前的主流派認為宇宙大霹靂的混沌在大約40萬年後落定而讓宇宙變成透明,而其所遺留下來的古老光在近140億年後的今日仍是充斥著整個宇宙、無所不在、在各個方向上都有,這就是所謂的宇宙微波背景(如圖4);大部分宇宙學家也認為,構成日月星辰的這些已知物質、也就是原素週期表上所能合成出來的所有物質,只占當下宇宙總質量密度的5%左右,其它的95%應是由暗物質(dark matter)和暗能量(dark energy)所組成,但這兩樣暗黑的東西卻從未在人類世界中被證實或觀察到過,它們都是用理論和天文觀測所被間接推導出來的物質(如圖5),「它們是否真的存在」已被公認是21世紀物理學家們最重要的課題之一。在宇宙學中,當下的主流模型叫做ΛCDM模型,Λ是目前主流的暗能量形式、即宇宙常數,而CDM則是目前主流的暗物質形式、即冷暗物質,前者已被找尋了約20年、後者已被找尋了約半個世紀,都未被找到。因此已有不少科學家主張這兩者都有可能不存在,若屬實,那我們需要一個革命性的替代方案、需要對一些已知的基礎物理進行變革。由此可見,那些看似遠不及邊的宇宙探索,其實是緊密地牽動著人類基礎科學的發展。
在諾貝爾獎的官網上,說他這半個世紀來的理論研究是現代宇宙學的基石,是宇宙學得以被科學化的基礎,我倒是覺得有點言重了,因為整個現代宇宙學的基礎,其實還包含其它許多優秀科學家的貢獻和一連串關鍵性的觀測突破,但若是要論誰的理論貢獻最大,那麼在還活著的人當中,皮博斯應該算是可以當仁不讓,因為他的貢獻是屬於全面性而多元的。如今他已高齡84歲,著實是位貫徹人生於宇宙探索的賢者。

宇宙微波
圖4.宇宙演化簡史

暗物質和暗能量所組成
圖5.宇宙組成物質比例

 2019諾貝爾物理獎-系外行星篇

米歇爾‧馬約爾(Michel Mayor,1942年1月12日生)是瑞士日內瓦大學的教授,而迪迪爾‧奎洛茲(Didier Queloz,1966年2月23日生)則是在馬約爾教授的指導下於1995年獲得博士學位,他目前同時是瑞士日內瓦大學及英國劍橋大學的教授,在劍橋大學內亦隸屬於三一學院,他們獲獎的理由是:“for the discovery of an exoplanet orbiting a solar-type star”(發現一顆繞行類太陽恆星的系外行星)。在1995年10月他們在《自然》(Nature)期刊上發表文章,宣稱在飛馬星座中一顆距離我們大約50光年、類似太陽的恆星「飛馬座51」(51 Pegasi)旁(如圖6),發現一個圍繞著它運行的行星,命名為「飛馬座51b」(或稱Bellerophon;正式稱為Dimidium),這是人類史上第一次在類似太陽的恆星旁發現行星。太陽系以外的行星稱為「系外行星」,在至今的20多年間已有超過4,000顆的系外行星被發現。
飛馬座51
圖6. 恆星「飛馬座51」即為圖中飛馬座前胸的圓圈標示處。

在此我們要留意的是,飛馬座51b並非是人類所發現的「第一顆」系外行星,許多國內外的科普文章和雜誌全都寫錯了!請仔細看,在諾貝爾獎的給獎理由中並不是說發現「第一顆系外行星」,而是說發現「一顆」繞行「類太陽恆星」的系外行星,而諾貝爾獎官網上的說明文中最多也是只寫道「首次發現」一顆繞行「類太陽恆星」的系外行星。史上「首次發現系外行星」實際上是發生在1992年,由加拿大人Dale Frail及波蘭人Aleksander Wolszczan所共同發現,一次發現兩顆,繞著一顆距離我們2,300光年的「脈衝星」PSR B1257+12運行。所謂的脈衝星是種和我們太陽截然不同的恆星,屬於中子星的一種,密度可以高到太陽的數百兆倍。這個發現曾被《自然》(Nature)期刊選為物理領域中15項最重大的發現之一,Wolszczan還一度成為波蘭的民族英雄、與哥白尼齊名(因為哥白尼也是波蘭人)。但在2008年,他被發現、也承認曾經擔任過波蘭共產黨祕密警察組織的線民,爾後成為高度爭議性的人物。過去幾個月來一直有人在討論為何2019的諾貝爾獎不是頒給Frail及Wolszczan,這其中的原因固然令人玩味,但我們也特別留意到諾貝爾獎給獎理由之文字的細膩及小心:首次被發現的系外行星是繞行著「脈衝星」運轉,而2019年的兩位得主則是首次發現繞行「類太陽恆星」之系外行星的人。
在人類的傳統想法中,總有很多人認為太陽系是宇宙中唯一具有行星、也因此是唯一具有生命的地方,然而就科學統計和就科學發展的歷史而言,這都是個無法成立的說法,但科學家們卻又長期苦無證據來證明該說法是錯的,這就像要證明自己的名字在世上不是獨一無二的唯一方法就是要找到另一個和你名字一樣的人。馬約爾和奎洛茲當時就是懷抱著這個想法,將客製化的光譜儀安裝在法國南部之天文台Haute-Provence Observatory內的望遠鏡上,來觀測星體間因彼此運行所造成和我們間相對運動而產生的都卜勒效應,而發現了飛馬座51b,它繞行母恆星的週期大約只有102個小時,也就是它的一年大約只有我們的4天長,而它的質量大約是木星的一半(其正式名稱為拉丁文的Dimidium,即是一半的意思),和木星一樣是由氣體所構成的行星。由於該行星質量大、與母恆星距離很近,其軌道半徑大約只有地球繞日軌道半徑的二十分之一,以致於繞行週期很短、牽動母恆星的效應很大,也因此才有辦法被這個(當今認為簡陋)的設備所觀測到,這樣的行星系統其實在當年的主流學說中根本就很難存在,所以在他們兩人自認為運氣很好的同時,也開啟了理論學界的另一扇窗。其實我們都知道,他們不是單純的運氣好,而是極度認真的把自己準備好,然後有效的捕捉我們每個人都有的機會。
此項發現觸發了爾後超過四千顆具有多元形態、大小、軌道之系外行星的發現,也因此讓科學家們一再翻新行星系統之形成的可能學說,最終希望能夠回答這個問題:是否真的有外星生物存在?就科學統計而言,是一定有的,只是「在那裡、離我們近不近、現存科技是否能偵測到」的問題罷了。


 期待未來

「對人類有重大貢獻」是諾貝爾獎的基本要求,皮博斯教授的宇宙研究讓我們得以對基礎物理有一個全新視角的測試及驗證,而馬約爾教授與奎洛茲教授的貢獻則是讓我們離生命的起源越來越近。相信在未來的數十年間,一定還會有許多令人興奮的發現,讓宇宙越來越像是個挑戰人類知識極限的超級實驗室!讓我們一起努力!






國立臺灣大學物理系暨天文物理所教授
吳俊輝