[物理學新聞報導]《宇宙學再次成為主角 — 淺談2019年諾貝爾物理學獎(半個)[一] 》

Godfrey Leung
Nov 4 · 6 min read
(credits: xkcd #1805, https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/1805:_Unpublished_Discoveries)

鑑於小弟憂心香港局勢,以及私務煩忙,最近都沒甚麼時間與心情寫文章。不知相隔多月,大家有否記掛小弟呢?(應該沒有,好像是……)

久別重逢,適逢剛剛上月公佈的諾貝爾物理學獎(半個)與小弟的學術專長 — 宇宙學有關,今期小弟想跟大家介紹一下得獎者皮布爾斯(Jim Peebles),講解他獲獎的相關研究成果及其重要性。(Yeah!宇宙學又再次成為主角啦!)

皮布爾斯,一般人或許甚少聽聞過這位物理學家其大名,除了某些(香港)人可能知道他是首屆邵逸夫天文學獎的得獎者外。究竟他有多厲害,能夠排在今年黑洞「處女寫真」這街知巷聞的物理學發現的前面,獲得今年半個諾貝爾物理學獎呢?

(credits: xkcd #1239, https://www.explainxkcd.com/wiki/index.php/1239:_Social_Media)

PS:(純個人牢騷)諾貝爾獎無疑是科學界最重要、最具指標性的獎項之一。得獎者與其相關研究成果,無容置疑為學界中舉足輕重、甚至對人類社會有重大影響的表表者。雖然如此,但過份「做神」,或功利地單以獲獎與否去衡量一個科學家的成就、其研究成果價值,這好像有點那個……這情況在華人社會特別嚴重。需知道諾貝爾獎其實有不少「不合時宜」的甄選規則,例如得獎者名單不可以超過3位、得獎者需尚在人世、必須有大量嚴謹、經得起時間考驗的實驗證據等等。這些皆是不少偉大物理學家,包括霍金(Stephen Hawking)在內,為何拿不到該獎的原因;而且現今絕大多數的科研成果從來不是單靠一、兩位天才便可做出來。此外可能小弟見識少、孤陋寡聞,但我真的沒見過有成功、偉大的科學家不是出於興趣、好奇心做研究,而是從功利主義出發,一心以獲得諾貝爾獎為目標而取得重大成就……


現代宇宙學之父

(credits: Niklas Elmehed © Nobel Media)

皮布爾斯是著名的美國/加拿大理論物理學家,宇宙學界家傳戶曉的大佬級人物。他生於1935年,現為普林斯頓大學的阿爾伯特.愛因斯坦榮譽科學教授(Albert Einstein Professor Emeritus of Science)。用比喻來說,如果圖靈(Alan Turing)是電腦科學與人工智能之父,那皮布爾斯就是現代宇宙學之父 *。

*愛因斯坦無疑是最先將宇宙學從形而上學帶進物理學的先驅者。其廣義相對論令物理學家終於有了方法去了解、驗證不同的宇宙觀學說。不過在皮布爾斯與現代宇宙學出現前,上世紀早年的宇宙學,還是停留於「估估吓」、高度猜測的年代。


現代宇宙學(modern cosmology)幾乎所有重大的研究,由太初核合成(Big Bang nucleosynthesis)宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)[1]、暗物質(dark matter)[2]、宇宙結構形成(structure formation),甚至去到暗能量(dark energy)[3],他都有份參與其中,在理論上作出重要的貢獻。而且他的一套物理宇宙學(physical cosmology)理論還奠定了現代宇宙學的理論基礎,

令宇宙學成為一門精密、嚴謹,有別於傳統天文學的科學範疇,正式被劃入理論物理學的板圖內

皮布爾斯早在1960年代已經投身研究宇宙學,著力解答一切由宇宙起源、詳細演化過程,宇宙結構如何形成,至宇宙的幾何形狀、組成成份等等的問題。雖然當年宇宙學屬少眾,物理學界絕大部分人也認為要解答這些問題是天方夜談,沒可能做得到[4]。

(credits: Jorge Cham, PhD comic)

作為著名宇宙學及天文學家迪克(Robert Dicke)的門生,在其指導下,皮布爾斯最先著手研究宇宙微波背景輻射,預言CMB的存在及其與大爆炸模型的關係#。隨著天文學家威爾遜(Robert Wilson)和彭齊亞斯(Arno Penzias)在1965年找到CMB確實存在的證據,大爆炸理論得以證實,他便轉為仔細研究、計算CMB形成的物理過程,以及我們如何可以透過詳細解讀這些大爆炸在宇宙早期遺留下來的熱輻射,去了解宇宙的詳細演化,甚至是其組成成份。這可以說是正式開創了現代宇宙學的先河喔!

#最早提出CMB存在的其實是伽莫夫(George Gamow),以及其門生阿爾化(Ralph Asher Alpher)和赫爾文(Robert Herman)

至於詳細有關甚麼是物理宇宙學,皮布爾斯在該範疇的相關研究成就及其重要性,請見下回分解[二]。


後記:以往諾貝爾科學獎慣例,一般都是頒獎予具體、單一的獨立原創科研項目及相關科學家,例如今年的另外半個物理學獎 — 系外行星發現般。雖然它們往往是人類科研的重要里程碑,但通常只是整個相關領域的一「小部分」研究成果。就好像電影頒獎禮的最佳電影、主角或導演獎。不過今年頒予皮布爾斯的半個獎,可以說是一反這慣例,個人感覺上更像是表揚他對整個領域作出了重大貢獻的終身成就獎。


最後在文章完結前,請容小弟分享一下《挽歌之聲》改編自《Speechless》的超高質二次創作歌曲《虛作無聲》,希望香港人可以繼續堅定抗爭的決心。


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