探索宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

John C．Mather和George F．Smoor因为发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性而分享2006年度诺贝尔物理学奖．论文中从COBE卫星而来的详尽的观测报告推动了现代宇宙学的发展，使其成为一门精确科学．     

从2006年诺贝尔物理学奖谈起

2006年诺贝尔物理奖表彰马瑟和斯穆特教授,以他们为首的学者利用宇宙背景探索者卫星(COBE)的数据,证实宇宙微波背景辐射的黑体形式,并发现各向异性。这是对精确宇宙学这些重要成果的肯定。诺贝尔奖的网站记载了当天对斯穆特教授的电话采访:“作为这些观测的结果,作为被证实的大爆炸理论,现在很好地被接受了。是这样的吗?”斯穆特教授立即回答:“大爆炸理论是被接受的宇宙论。(我们)绝不能完全证实任何理论,不过,它是被接受的宇宙论。”在肯定大爆炸宇宙论的同时,斯穆特教授强调“绝不能完全证实任何理论”。这无疑是正确的;但也反映了以广…     

宇宙幼年的照片——2006年度诺贝尔物理学奖

讨论了诺贝尔物理学奖与天体物理的关系，指出2006年度诺贝尔物理学奖已经是第8个年度、第11个天体物理项目、第14、15个天体物理学家获得诺贝尔物理学奖（见正文表1）．这个奖授予宇宙微波背景辐射的黑体谱形和各向异性的发现，强有力地支持了大爆炸宇宙学．文章也讨论了这个领域近年来的重大成就．     

宇宙幼年的照片——2006年度诺贝尔物理学奖

讨论了诺贝尔物理学奖与天体物理的关系,指出2006年度诺贝尔物理学奖已经是第8个年度、第11个天体物理项目、第14、15个天体物理学家获得诺贝尔物理学奖(见正文表1).这个奖授予宇宙微波背景辐射的黑体谱形和各向异性的发现,强有力地支持了大爆炸宇宙学.文章也讨论了这个领域近年来的重大成就.     

从流浪地球到宇宙迷航——2019年诺贝尔物理学奖解读

2019年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,诺奖委员会给出的理由是“为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献”。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机,系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现;进入新世纪后,宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖,分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测,以及此次诺贝尔物理学奖,它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开,对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现,系外行星的探测手段和发展前景,以及宇宙学领域的发展简史,皮布尔斯在该领域的贡献,和目前宇宙学领域的一大研究热潮,即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉,期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中,在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。     

宇宙加速膨涨：2011年诺贝尔物理学奖述评

北京时间2011年10月4日,瑞典皇家科学院宣布2011年诺贝尔物理学奖授予美国科学家Saul Perlmutter、美国-澳大利亚科学家Brian P．Schmidt和美国科学家Adam G．Riess（见图1）,以表彰他们通过对遥远的超新星的观测发现了宇宙的加速膨胀。     

有关宇宙微波背景辐射的最新报告

2006年3月15日在普林斯顿大学的一个记者招待会上，WMAP^＊（威尔金森宇宙微波各向异性探测卫星）小组发布了他们关于宇宙大爆炸后辐射残留的最新报告．报告提供了首张偏振宇宙微波辐射图谱，其内容有助于了解字宙诞生10埘秒之后的情况，也使标准宇宙模型通过了目前最严格的数据检验．他们还宣称我们生活在一个扁平状的宇宙中，这个宇宙仅含有4％的常规物质，但有22％的暗物质和74％的暗能量，这些结果与宇宙标准模型相吻合．WMAP成员Lyman Page说：     

宇宙起源与未来的探索

 宇宙的起源是目前科学界十分关注的问题,存在着多种模式,经过长期争论,大致可归纳为两种理论:一种是大家熟知的“大爆炸”学说;另一种为“稳恒态宇宙学理论”,该理论否认宇宙有起源。     

2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性

相传约137亿年前我们的宇宙起源于“盘古开天地式的大爆炸”，能量密度和温度均超高无比，却绝无什么特殊的“爆炸”中心，在足够大的尺度上均匀且各向同性，一直持续膨胀至今．刚开始的时候，随着宇宙温度的迅速降低，若干基本粒子物质相继浮现，宇宙早期的核合成过程制备形成了宇宙时空中第一代恒星形成之前的大致原初元素丰度分布．宇宙“大爆炸”发端时空中的能量场应当有量子涨落；耦合演化到后来呈现的物质场中，这些微弱而此起彼伏的涨落逐渐被引力在各种不同层次上放大，从而最终形成宇宙时空中不同尺度的物质结构系统（包括超星系团、星系团、星系、球状星团、恒星、行星等）．伴随着宇宙膨胀，有一个温度不断下降的热电磁辐射场被“捂”在物质场中；大约在389000年以后，这个热电磁辐射场基本不再与物质相互耦合作用，但它依然带有早期物质场中各处涨落的信息烙印．基于Einstein创立发展的广义相对论（1915年），Einstein（1917年）、Friedmann（1922年）、Lemaitre（1927年）、de Sitter（1932年）开辟了近代理论宇宙学的先河．Hubble（1929年）公布了遥远的星系退行速度正比于它们到我们的距离的划时代观测事实．基于宇宙元素丰度和核合成物理，Gamow，Alpher和Herman于1940—1950年大胆设想了宇宙“大爆炸”的物理框架图像．Penzias和Wilson（1964年）在贝尔试验室从事微波天线研究时意外地发现了2．7K宇宙微波背景辐射．经过多年的精心设计和准备，Mather和Smoot（1989—1994年）领导的“宇宙背景探索器”（COBE）空间试验精确地测量宇宙微波背景辐射的黑体谱和微弱的各向异性涨落；他们俩因此荣获2006年度的物理诺贝尔奖．90年来，科学家们众说纷纭，唇枪舌战，搜索证据，编造理论．随着地面、高空和空间综合试验及理论研究的持续迅速发展，精确宇宙学的时代已经到来．     

从静止宇宙向膨胀宇宙的发展

当夜幕降临的时候,漫天灿烂的星斗,浩瀚无际的天空,为人们提供了巨大的想象空间(图1).可这巨大的空间是无限的还是有限的呢？宇宙是一直在演化着的,还是总是保持这个样子呢？关于这些问题,从古至今的人们一直就在研究着、争论着,构成了一部不断发展着的天文学和宇宙学的发展史.     

宇宙的起源与未来——大爆炸宇宙论简介

 大爆炸宇宙论的产生,得益于天文学家们三个主要观测结果。第一个,也是最值得注意的一个观测结果是:1929年,埃德温·哈勃发现,宇宙的主要成分--与我们的银河系相类似的星系,象宇宙弹片一样在巨大爆炸后正彼此逃离开。如果宇宙正在膨胀,一个似乎是不可避免的结论是:它的过去必定是非常小的。这要求必须将某个瞬间作为宇宙诞生的时刻,即膨胀开始之时,哈勃的发现是真正重要的发现,尽管宇宙已非常古老了,但它不会无限早地存在着。可以想象,膨胀倒转回去,象电影倒过来放映一样,天文学家们据此推断,宇宙大约诞生于150亿年前发生的一次大爆炸。第二个观测结果是所谓“宇宙背景辐射”--大爆炸火球冷却以后余辉的存在,它支持了大爆炸理论。令人惊讶的是,在大爆炸事件发生150亿年之后,这种宇宙背景辐射仍充满空间的每个空隙。     

光学相干量子理论及激光精密光谱学--2005年诺贝尔物理学奖简介

今年的诺贝尔物理学奖授予三名光学领域的科学家.其中美国科学家罗伊·格鲁伯(Roy Glauber)因"对光相干量子理论的贡献"而获得奖金的一半;美国科学家约翰·霍尔(John Hall)与德国科学家特奥多尔·汉斯(Theodor Hansch)因"基于激光精密光谱学发展的的贡献"分享了奖金的另一半.     

普朗克卫星：揭开宇宙深层次的秘密

文章对宇宙微波背景辐射这一学科做了简单的介绍,并根据普朗克卫星2015年的主要宇宙学结果,重点阐述了测定宇宙学参数、测量引力透镜、测量B-模式极化及其与南极BICEP实验的关系、检验宇宙暴胀模型、检测暗能量模型,以及寻找“丢失的重子物质”等问题,并对观测宇宙学未来的发展进行了展望。     

开拓对宇宙认识的新天地

目前的宇宙大爆炸理论认为,我们的宇宙诞生于137.7亿年前的一次爆炸.1922年Friedmann在证明Einstein提出的广义相对论中的引力场方程时,解出了此方程的非静态解,认为宇宙是膨胀的,1929年Hubble通过他的观测结果也证明了宇宙在膨胀,这一观点才得到天文学界的承认.1930年后的时间里,稳恒态宇宙模型与热大爆炸宇宙模型成为天文学界的主流观点,1965年宇宙微波背景辐射的发现,彻底结束了这场争论,Gamow,Alpher及Herman提出的热大爆炸宇宙模型也成为近代宇宙学的标准模型.随着理论的完善和观测仪器精密度的提高,大爆炸宇宙模型也面临着更多的挑战.     

宇宙的未来

 关于宇宙起源的理论,目前比较有说服力的是大爆炸理论。该理论认为:宇宙创生于大约200亿年前一次大爆炸。爆发前的“原始火球”,其温度极高(>10³²K),质量密度大得惊人（估计其线度只有几公里,有人还推算出只有质子那么大一点）。火球内完全没有什么规律,完全处于奇异状态。     

普朗克卫星:揭开宇宙深层次的秘密

文章对宇宙微波背景辐射这一学科做了简单的介绍,并根据普朗克卫星2015年的主要宇宙学结果,重点阐述了测定宇宙学参数、测量引力透镜、测量B-模式极化及其与南极BICEP实验的关系、检验宇宙暴胀模型、检测暗能量模型,以及寻找"丢失的重子物质"等问题,并对观测宇宙学未来的发展进行了展望。     

第一讲 微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史

文章对微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史给出了评述性介绍.从大爆炸理论的预言,到观测的发现,到其各向异性及偏振的探测,微波背景辐射（CMB）向人们揭示了丰富的宇宙学信息.文章在对基本理论作了简单介绍后,着重讲述了最新的CMB的观测结果及其物理意义.特别对微波背景各向异性探测器（Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, WMAP）的偏振观测及其对宇宙重新电离的限制给出了较详细的叙述.     

时空奇点和黑洞——2020年诺贝尔物理学奖解读

2020年度诺贝尔物理学奖于北京时间2020年10月6日晚揭晓,其中一半奖金授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),表彰他“发现黑洞的形成是广义相对论的必然预言”;另一半奖金授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez),因为他们“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。文章着重对彭罗斯及其时空奇点研究进行介绍,包括黑洞、奇点定理、宇宙监督假设等内容。     

2006年诺贝尔物理学奖获得者

美国时间2006年10月3日，瑞典皇家科学院诺贝尔物理学奖评审委员会宣布，2006年诺贝尔物理学奖得主是约翰·马瑟和乔治·斯穆特两位从事天体物理研究的科学家。