諾貝爾物理學獎 上

Author : Justin Mei 梅嘉牧 / Editor : Jarvis Wang 王詠正

 

2019年諾貝爾物理獎50%頒發給了詹姆士·皮博斯(James Peebles)對於「宇宙演化理論的發現」,另外50%頒給了米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛茲(Didier Queloz) 對於「系外行星繞行太陽恆星的發現」。

背景知識 Background Knowledge

宇宙中最古老的光
宇宙背景輻射

宇宙背景輻射是宇宙「大爆炸」所以留下來的熱輻射,可以說是宇宙中最古老的光。
在這漫長的宇宙演化過程中,它見證了一切的出現,最後與人類的探測器相遇了。 1964年,兩名天文學家發現了一種波,但當時他們不知道這就是「宇宙背景輻射」,於是開始向其 他研究人員求助為何無法擺脫這種「噪音」,其中就包括皮爾斯,才得知這便是天文學家苦苦尋找的「宇宙背景輻射」。
皮博斯利用了這樣的模型預測了宇宙的形狀和尋找隱藏的物質和能量。宇宙背景輻射的發現也 因此成為了「大爆炸理論」關鍵性的證據。

物質決定空間如何彎曲,空間決定物質如何運動


廣義相對論

愛因斯坦所提出的廣義相對論,一個對於整個宇宙的理論,一個由重力場為基礎充滿著物質與能量的宇宙。當愛因斯坦完成他自己最知名的公式時,他所提出的「宇宙正在膨脹」與當時的物理常識產生矛盾,因而他加上了「宇宙學常數」來平衡這個公式。
在廣義相對論中,重力被描述為時空的曲率,而時空的曲率則通過愛因斯坦場方程式 和處於其中的物質及​輻射​的能量與動量聯繫在一起(Zh.wikipedia.org, 2019) ​。 簡化來說,就是質量會影響重力,而重力會將時間與空間扭曲。

暗物質 Dark Matter

暗物質簡介

愛因斯坦自己可能都無法預測到在半個世紀後,這個常數回到物理界時下討論性最高的話題。然而,了解這之前必須了解甚麼是暗物質與暗能量。
「暗」,顧名思義為看不見的。人類的視覺是由光子與物質產生相互作用而反射至人類眼球讓人類能夠看見物質,當物質與光產生不了相互作用時人類也接收不到光子,因此而被稱為暗物質。

如何被發現的?

在90年前,科學家在測量某個星系的旋轉速度,並且利用速度計算星系的總質量。不過計算的總質量結果比預期的低太多,因而斷定有其他物質將星系維持在一起。
皮博斯(James Peebles)所計算出來的圖表證明了三件事,第一個高峰說明 : 這個宇宙是一個幾何平面,也就是說,兩條平行線是不可能相交的;第二個高峰說明 : 常態物質只佔宇宙的5%(包括物體及能量);第三個高峰說明 : 26%的宇宙充滿暗物質。

暗能量 Dark Energy

目前我們所知宇宙中,僅了解了4% (常規物質),其餘的 27%為暗物質,那剩下的69%是什麼呢?是暗能量。因此詹姆士·皮博斯(James Peebles) 在1984年開始重新解釋愛因斯坦的宇宙學常數,也就是真空能量(Vacuum Energy)
不過這消失的69%只不過是理論,但在1998年,觀察實驗顯示我們所存在的宇宙不只是正在膨脹,且正在加速膨脹。經過計算,常規物質並沒有足夠的能量造成這個現象。因此有另一種能量在擴展我們的宇宙。若假設真空能量就是暗能量,那現代科學能夠把理論轉化為可實驗的研究。此理論為宇宙學學術界打開了一扇新的且具有可實驗性的窗口,為此而榮獲2019年諾貝爾物理獎。

 

諾貝爾物理學獎 上

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