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天体物理学与诺贝尔奖

已有 7403 次阅读 2009-8-8 11:00 |个人分类:生活点滴|系统分类:科普集锦| 天文, 诺贝尔奖, 天体物理学

  1. 天体物理学与诺贝尔奖

    李忠木 ,李汝恒 ,毛彩艳 ,李茂材 ,李汝烯

    (大理学院物理与电子信息学院, 云南 大理 671003

     

    [摘要]天体物理学是物理学与天文学交叉后形成的一门学科,到现在天体物理学几乎成了天文学的全部,同时也对物理学的发展做出了非常重要的贡献。在1967年天体物理学被正式划入物理学范畴后,到目前为止已有8个年度、15位天体物理学家、11个天体物理项目获得诺贝尔物理学奖。天体物理中关于暗物质、反物质、黑洞、引力波、地外文明等项目正引领着世界科研的重要方向并很可能在将来获得诺贝尔奖。国际天文学联合会、联合国教科文组织将2009年定为国际天文年,正在全球范围内开展丰富多彩的天文活动,以推动和宣传天文和天体物理研究。本文将对天体物理学和几个可能会获得诺贝尔奖的天体物理项目进行介绍。

    [关键词]天文,天体物理,诺贝尔奖

     

    Astrophysics and Nobel Prize

    LI ZhongmuLI RuhengMAO CaiyanLI MaocaiLI Ruxi

    (College of Physics and Electronic Information, Dali University, Dali, Yunnan 671003, China)

    [Abstract] Astrophysics is a crossed subject of physics and astronomy, and it has been the main part of astronomy and is contributing so much to the development of physics. There are 8 years, 15 astrophysicists, and 11 astrophysical items wined Nobel Prize after 1976. Some subjects such as dark matter, dark energy, black hole, gravity wave, and extraterrestrial civilization is now leading the researches in the world and have the potential to win Nobel Prize in the future. The year 2009 is the International Year of Astronomywhich was initiated by the International Astronomical Union (IAU) and United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization UNESCO. This paper gives a short introduction to astrophysics and a few potential astrophysical items to win Nobel Prizes.

    [Keywords] Astronomy Astrophysics Nobel Prize

    1    天体物理学概况

    1.1  天体物理学的发展

    天体物理学是将物理学和天文学融合而成的一门学科,它已经成了天文学和物理学中不可缺少的一个重要组成部分。天文自古就在人民的生活中占有非常重要的位置,巴比伦的泥碑,古埃及的金字塔,中国的甲骨文,都记载了人类对浩瀚苍穹的思索和向往。人类对天体的观测和认识可以追溯到远古时代,但在人类社会文明的进程中,天文学的研究范畴和天文的概念都在不断进步和发展。为此,我们首先对天文学做一个概括描述。

    天文学是一门古老的基础学科,它的研究对象是整个宇宙。起初,人们主要是通过观察天体的存在、测量它们的位置来研究它们的结构,探索它们的运动和演化的规律,从而扩展人类对广阔宇宙空间中物质世界的认识。那时候天文研究实际上处于一种“描述研究”的状态。到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学,人们开始用物理学内容和方法来研究天文学现象。从此,天文学中逐渐形成了一门新的学科——天体物理学。这门新兴学科应用物理学的技术、方法和理论来研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律。自十九世纪中叶,分光学、光度学和照相术等三种物理方法被广泛应用于天体的观测研究以后,人们对天体的结构、化学组成、物理状态的研究已经形成了完整的科学体系,天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科[1]

    1.2  天体物理学现状

    天体物理学包括实测天体物理学、理论天体物理学、太阳物理学、太阳系物理学、恒星物理学、恒星天文学、星系天文学、宇宙学、宇宙化学、天体演化学、射电天文学、空间天文学、高能天体物理等分支学科。起初人们都是在地球上利用简单的光学望远镜开展天体物理研究的,但随着科学技术的发展, 天体物理学的研究内容、方法和手段都在不断扩展。目前,人们已经在使用紫外、红外、X射线、γ射线望远镜进行观测和研究,并已发展为全波段观测。另外,人们进行观测的位置已经从地球上发展到太空中,甚至有人设想将来在月球、火星上开展天体物理观测。可以说在空间技术高度发展的今天,天文观测研究已由地面观测进入空间时代

    2  天体物理学与诺贝尔奖

    2.1  天体物理学与诺贝尔奖

    从历史上看,物理学的发展与天文学(特别是天体物理学)的发展是密不可分的。比如万有引力作为物理学的一条基本定律就直接发源于天文学的研究

    诺贝尔奖创立于1901年,旨在奖励那些在人类文明的进程中有重大成果或发现并对人类社会的进步产生重大影响和贡献的人。虽然有不少天体物理学家在研究中取得了重大研究成果和发现并为人类社会的发展和进步做出了重大贡献,但是由于当时诺贝尔奖中并没有设立天文学奖,以及诺贝尔奖委员会界定物理学奖的范围等原因,1976年以前始终没有一位天体物理学家捧得诺贝尔奖的奖章。即使如此,从1913年开始天体物理学家们就一直被提名为诺贝尔奖者,很多天体物理学家如George E. HaleE.P. Hubble等都曾被多次提名为诺贝尔奖获奖人[2]

    直到1976年天体物理学被诺贝尔奖委员会界定属于物理学奖范畴,天体物理学家才正式登上了诺贝尔奖领奖台。到2006103,瑞典皇家科学院宣布天体物理学家J. MatherG. Smoot获得诺贝尔物理学奖时,已经是天体物理领域第8个年度,11个天体物理项目获得诺贝尔物理学奖[3]。事实上,诺贝尔奖授予天体物理项目似乎是从开始的“不情愿”逐渐发展到今天的“理所当然”的。1967年,Hans Bethe因“对核反应理论研究的贡献,特别是他对恒星能源的发现”获奖,这样的说法尽量将他的贡献拉到传统物理学那边,隐约体现了一种“不情愿”将诺贝尔奖颁给天体物理项目的思想。之后40年里,竟有8个年度、11个天体物理项目、15位天体物理学家获得了诺贝尔物理学奖,这在有近百个分支学科的物理学领域内是空前的。现在看来天体物理学内容获奖似乎已经成为“理所当然”的了。  

    除了上述15位天体物理学家获得诺贝尔奖外,其实还有很多天体物理学家获得了其它国际高级科学奖项如邵逸夫奖和Gruber[2]。这些奖项和诺贝尔奖一起向世界宣示了天体物理学在现代科研中的重要地位和前景。目前世界上越来越多的人正积极地投入到天体物理的研究中,很多大学都建立天体物理研究机构。在国内,除了中国科学院建立的几大天文台外,很多大学也已经建立了天文系或天体物理研究中心,正在为世界天体物理研究的发展做出贡献。

    2.2  几个未来可能获得诺贝尔奖的天体物理学课题

    尽管在天体物理学的发展进程中人们已经取得了很多可喜成就,但还有许许多多的奥秘正等着我们去探索。在众多天体物理课题中,暗物质和暗能量、引力波、黑洞、地外文明、星系形成与演化等课题成了科学界面临的重大挑战。由于这些问题的理解关乎众多科学的基础,这些问题得到解决之时,很可能就是天体物理再次获得诺贝尔奖等最高科技奖项之日。下面我们分别对其中几个进行简要介绍。

    2.2.1  暗物质和暗能量

    暗物质和暗能量是当代宇宙学的两大未解之谜,可以说是它们决定着宇宙学的最终命运。暗物质和暗能量是一种似乎充满整个宇宙而又看不见的成分,它们占了宇宙整个物质构成的绝大部分。根据研究估计:宇宙中暗物质和暗能量分别占75%23%左右,可见物质只占很小的比重[3]。对暗能量,人们虽知道它的存在,但不知道它是什么。暗能量更是奇怪,它可以使物质的质量全部消失,完全转化为能量。据估计,暗能量是已知物质能量的14倍以上。为了探索暗物质和暗能量的秘密,世界各国的科学家们正在这个领域努力工作着,而且已经从理论和实验方面取得了很多成果,我们有理由相信人类终将有一天会揭开暗物质和暗能量的神秘面纱。

    2.2.2  引力波

    引力波是以波动形式传播的引力场。1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言,在有的坐标参考系中(不是所有的坐标参考系),加速的质量可能有引力波存在[4]。引力波的存在与否直接影响到广义相对论的正确与否。但探测引力波是极不容易的。20世纪70年代初期,韦伯曾宣称他的探测器发现了引力波,但是没有得到其他人的证实,所以这一结果没有得到公认。后来,一些天文学家们宣称,他们间接地发现了引力波。首先引起大家注意的是双星系统。但由于两颗相互绕转而快速运动的恒星产生的波动引力场可以带走的能量极小,这种效应非常难以被探测到。1978年末,一个射电天文学家小组宣布他们探测到了双脉冲星的能量变化,并且与由引力波所预期的能量变化值是相等的。这是一个证明引力波存在的间接证据。1978年底,泰勒、麦卡洛奇和福勒宣布他们发现引力波存在的第二个间接证据。 但是,直到现在引力波仍然没有被直接探测到。不过由于间接的探测以及坚实的理论基础都表明它们可能被探测到,世界上正有越来越多的科学投入到引力波的探测活动中。

    2.2.3  黑洞

    黑洞是这样一种天体:由于其极大的引力场作用,就连光子也无法逃脱,以至我们目前无法观测到它们[5]。不过,我们却可以通过间接的方式感受到它的存在,比如我们发现黑洞可以使通过周围的光线发生弯曲现象。黑洞形成跟白矮星中子星一样,很可能也是由恒星演化而来的。黑洞是本世纪最具有挑战性、也最让人激动的天文热点之一,许多科学家正在为揭开它的神秘面纱而辛勤工作着,新的理论也不断地提出。有科学家研究表明黑洞并不完全是“黑”的,它也可向外辐射能量——霍金辐射[46]

    2.2.4  地外文明

    地外文明是指地球以外的其他天体上可能存在的高级理智生物的文明[7]。根据地球人类的伟大文明和创造我们可以想象地外文明会是何等美妙和精彩,因此探索地外文明、寻找地外高级生物自然成为了本世纪人类最向往的研究课题之一。探索地外文明首先要根据地球上生命存在的状况,弄清生命存在的条件和环境。生命是天体演化的必然结果,但是生命存在的条件又是非常苛刻的,它要求天体要有坚硬的外壳、有适宜的大气和适合的温度、有一定数量的水等等。同时,行星围绕的天体必须是一颗稳定的恒星。就太阳系来说,符合上述条件的只有金星、地球和火星,但到现在还没有发现金星和火星上有生命。太阳系中其他行星上就更不适合生命存在了。寻找太阳系以外的类似太阳系中的行星系,这是探索地外文明的又一个方向。科学家们早已开始了潜心的观测和研究,可到目前还没有发现一个被确认的行星系。目前,探索地外文明的方法主要有3大类:(1)接收并分析来自太空的各种可能的电波。这方面的工作从1960年就开始了。(2)人类主动向外太空发出表明人类在太阳系内存在的信号。19741116,美国利用设在波多黎各的阿雷西博305直径的射电望远镜,发出人类第一组信号,对准武仙座球状星团,发射3分钟。(3)发射探测器去登门拜访外星人。美国发射的先驱者”10号和11号,旅行者”1号和2号,都在完成对太阳系内的探测任务后,带着许多人类的信息,作为人类使者,漫游在恒星星际空间。如果巧遇人类的知音,他们将从探测器中了解人类的活动,确定进一步交往的可能。由此可见,探索地外文明是一项综合性的科学使命,过于乐观是不现实的,不过过于悲观也是没有根据的。

    2.2.5  星系形成和演化

    恒星结构与演化、星系形成和演化,以及宇宙的起源是天体物理学研究的三个基本方向[8]。目前,恒星的结构演化和宇宙起源的大爆炸模型这两大基本理论已被越来越多的观测事实所证实。但是,作为构成宇宙基本单元的星系是如何形成与演化的仍然是一块有待进一步探索的重要领域[9]。目前的星系形成和演化理论认为,星系和宇宙大尺度结构都是由宇宙早期极其微小的结构发展而来的[10]。近年来,国际上已建成和在建的重大设备和计划都以该领域为主要科学目标,其观测波长覆盖了整个电磁波段,如:射电波段上的 VLBA,毫米和亚毫米波段上的 SCUBASMAALMA,近红外和红外波段的 SIRTFNGST,可见光波段的 HSTKeckGeminiVLTSUBARU以及 SDSSX波段上的ChandraXMMAstroE2PlankMAP,以及 γ 波段上的 CGROGLAST等。在人员方面,国际上超过一半的天文学家置身于该领域的研究,每年的科研成果占整个天体物理总产出的一半以上。作为星系形成和演化理论的唯一模板,银河系结构和演化的研究已经进入一个前所未有的高度。以银河系研究为主要目标之一的国内外重大项目也在陆续推进,如 SDSS / SEGUE(美国),RAVE(澳大利亚),LAMOST(中国),GAIA(欧洲空间局)等。这些基于海量观测数据进行的科学研究项目必将为认识银河系结构和演化作出重大的贡献。

    3    总结和讨论

    本文对天体物理学和它的一些前沿课题进行了简要介绍,并结合已获得或可能获得诺贝尔奖的天体物理项目说明了这门学科的重要性和前景。如果有读者希望了解更多相关知识,请直接互联网的相关网站,如2009年国际天文年网站:http://www.astronomy2009.org

    参考文献:

    [1]李宗伟,肖兴华.天体物理学[M].北京:高等教育出版社,2006.

    [2]陆埮.宇宙幼年的照片——2006年度诺贝尔物理学奖[J].物理,2007363):185-190.

    [3]El-Nabulsi Ahmad Rami. Dark Energy And Cyclic Universe From Arnowitt-Deser-Misner Renormalizable Group Approach[J].Brazilian Journal of Physics, 2009391):107-111.

    [4]James B. Hartle. Gravity:An introduction to Einstein’s General Relaivity[M]. San Francisco:Pearson Education Inc.,  2003:331-346.

    [5]Chaisson Mc Millan. Astronomy Today[M]. New Jersey: Prentice-Hall Inc. , 2001.

    [6]M K Parikh, F Wilczek. Hawking Radiation As Tunneling[J]. Phys. Rev. Lett, 2000, 85:5042-5045.

    [7] ()迈克尔·怀特.地外文明探秘——寻觅人类的太空之友(黄群许小鹏译)[M].上海:上海科技教育出版社,1999.

    [8]李忠木.演化星族合成的应用[D].北京:中国科学院研究生院,2008.

    [9]R. Ellis. Galaxy Formation and Evolution: Recent Progress[M]. UK Cambridge: Cambridge University Press2003.

    [10]A. ToomreJ. Toomre. Galactic Bridges and Tails[J].ApJ, 1972178):623-666.

     

    第一作者简介:李忠木(1980-)男,博士. 主要研究:星族和星系研究. 工作单位:大理学院物理与电子信息学院天体物理研究团组. 2008年受中德科学中心、诺贝尔奖获得者大会等机构的邀请和资助参加了第58届诺贝尔奖获得者大会. E-mailzhongmu.li@gmail.com

     



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1 侯振宇

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