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中国时间: 12:15 2016年12月04日星期日

专访天体物理学家方励之 谈今年诺贝尔奖物理学奖


诺贝尔物理学奖委员会10月4日在斯德哥尔摩宣布获奖人名单

诺贝尔物理学奖委员会10月4日在斯德哥尔摩宣布获奖人名单

索尔·珀尔马特,以及亚当·里斯以及布赖恩·施密特等三位美国天体物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。他们的研究成果是获得明确的证据显示宇宙在加速膨胀。美国之音就此采访了国际知名的美籍华裔天体物理学家、亚利桑纳大学物理学教授方励之,请他介绍了三位美国学者的研究以及天体物理学一些有趣的基本概念。

方励之教授与夫人李淑娴在他们合著的《宇宙的创生》英文版中有关宇宙膨胀问题的解说,被美国著名物理学家弗里曼·戴森誉为最好的科普解说。

方励之教授

方励之教授

问:方教授,诺贝尔奖评奖委员会宣布今年获得物理学奖的三位是美国天体物理学家。他们的主要研究成果要是用三言两语简单地说,你要怎么说?

答:宇宙学研究的最重要的发现是发现宇宙的膨胀。这是1929年美国天文学家埃德温.哈勃发现的。现在这三位研究者借助更遥远的超新星发现不但是宇宙膨胀,而且是加速膨胀。也就是速度越来越快地膨胀。

问:我还记得在1980年代末,你在北京主编湖南科技出版社出版的科普读物“第一推动丛书”的时候,宇宙膨胀到底是在加速还是减速好像还没有定论。这三位美国天体物理学家他们的研究突破好像都是在过去的二十年里取得的,是这样吗?

答:他们取得的(关键性)观测数据是过去的十几年取得的,不到二十年。从90年代初开始。

问:他们要拿定宇宙加速扩张的证据,为什么要选1a型超新星?

答:因为超新星有两个特点。一个是很亮,就是很远的超新星你也还是能看得到。第二是超新星有很多种,有一种1a型的超新星,它们的光度基本是一样的(恒定的),可以说几乎是一样的。也就是说,它们爆炸的时候都是这么亮。这好了。你要是找到这样的超新星,看到这样的超新星,就可以把它们当作我们研究天文学的人所说的 “标准烛光”。也就是说,它们的亮度都一样。这样,你就可以更容易地研究宇宙膨胀。

问:我要追问一句,宇宙在加速膨胀,这可是个比天还要大的问题。为什么古往今来的科学家、天文学家居然都没看到哪?

答:这是科学问题,你要有证据哪。他们三个(获奖的天体物理学家)主要是找到一些证据。刚才我们说到超新星。超新星研究实际上也是很晚的。找到这种类型的,或者是能很远就看到的,也是很晚近的事情。

问:为什么?因为观测的限制么?

答:是。因为这种超新星实际上很少。实际上,在一个星系里,例如,我们的银河系就是一个星系,超新星在一个星系里大约1000年才有一个。而这一个还不一定就是我们刚才所说的1a型,而可能是别的类型的。所以,这样你就要等。(人生有限)你等1000年当然不行。所以,他实际上观测了五万个星系,每天去监视。假如说一个星系平均1000年出现一个超新星,那他一年内能看到五十个超新星爆发。这是平均而言。然后,再在这几十个爆发的超新星里筛选。要筛掉大部分的超新星,才能找到这种1a型的,Type 1a。他们从1990年代开始积累数据,也就是只找到了几十个有用的。

问:你刚才说的,都是光学观测嘛?

答:都是光学观测。

问:推动我们所知的宇宙加速扩张的所谓的暗能量到底是什么呢?天体物理学研究者有什么研究进展?

李淑娴和方励之1986年在华盛顿的美国科学院大门前的爱因斯坦雕像前合影。爱因斯坦手上的一张纸写有三个公式(从下到上):E=mc2;光电效应;广义相对论方程。注意:广义相对论方程中没有宇宙常数项

李淑娴和方励之1986年在华盛顿的美国科学院大门前的爱因斯坦雕像前合影。爱因斯坦手上的一张纸写有三个公式(从下到上):E=mc2;光电效应;广义相对论方程。注意:广义相对论方程中没有宇宙常数项

答:现在只能说没有答案。这最初是爱因斯坦在他的广义相对论方程式里写的一项(即所谓的“宇宙常数”)。只要有这一项,就会显示宇宙加速膨胀。不过,爱因斯坦后来很讨厌这一项。所以,你看华盛顿美国科学院前面的爱因斯坦雕像(见相片),爱因斯坦手中有三个公式。他在广义相对论公式里就不写这一项。虽然这一项是他最先写进去的。但他后来再也不写了。

问:那么,就推动我们宇宙加速膨胀的暗能量而言,通过观测超新星,我们可以说我们间接地证明了暗能量的存在了吗?

答:你也可以这么说。不过,你用的“证明”这个词,这在我们这个领域太强。通过观察超新星,证实宇宙在加速膨胀;有一个解释是,这可能是因为有暗能量存在。这么说比较妥当一点。

问:现在天体物理学家们的共识可以说是,我们所看到的宇宙大部分是由我们看不见的暗物质和暗能量组成的。暗物质和暗能量到底是什么关系?暗物质跟宇宙膨胀、扩张有什么关系?

答:暗物质早就发现了。实际上早在1930年代就有人怀疑有暗物质。真正比较确定它的存在是在1970年代、80年代。星系的形成靠引力把物质收缩起来。假如没有暗物质,只是靠普通的物质,引力太小,不足以形成星系。所以,一定要有暗物质这种东西。暗能量则是起另外一种作用,跟暗物质相反,不是导致收缩,而是导致膨胀。这两种东西作用相反。要是跟普通人说,就可以说暗物质跟普通物质还算接近。暗物质就像普通物质一样。有物质,就有压力。比如汽车轮胎。你把气打进去,轮胎的压力就大了。暗能量则是相反的。暗能量的质量跟压力是相反的。暗能量质量密度越大,它的负压力越大。假如汽车轮胎里是暗能量,你要抽出东西来,它里面的压力才会加大。

问:现在我想,连信奉神创造天地的圣经的梵蒂冈也不否认宇宙起源于大爆炸了。这也是方教授当年在中国国内所说的如今很多神学问题、哲学问题,已经变成了科学问题。当年方教授的这种说法还受到了中国执政党共产党的权威哲学家的批判。这一切说起来很好玩。但今天没有时间说。我现在想问的是,要是说宇宙起源于大爆炸,假如我用一个炸弹爆炸来作比喻,我可以说,宇宙如今还是处于爆炸依然在进行,弹片依然在加速扩散的阶段吗?

答:粗略地说,你可以这么说。它一直在飞散。

问:你说是粗略地说。那么,要是详细地这么说,会有什么错呢?

答:因为它的爆炸是说空间时间的爆炸,不是弹片飞散。

问:为什么不能说弹片飞散?

答:你也可以这么说,因为从形象上来说,好像是每个星系都像弹片一样往外飞。你可以画出这样的一种图像来。但它这种往外飞,实际上是空间在膨胀。

问:宇宙爆炸要到了什么时候才会停下来呢?假如还是用炸弹爆炸碎片飞散作比喻,什么时候碎片扩散会减速?

答:如果按照现在的这种加速膨胀的模型去推到极端的未来,那就没有停下来的时候。

问:没有停下来的时候?

答:没有停下来的时候。直到最后,弹片一直在分散,而且在加速分散 。也就是说,两个星系之间的距离越来越大,而且是距离加速变大。最后,谁也看不见谁了,因为彼此太远了。从暗能量的概念出来之后,就有人算过。按照这样的扩散,经过几十亿年,天上就什么也看不见,什么也没有了。

问:那我就来了一个问题。假如它能永远这么分崩离析下去,而且是加速扩散,那么,它的能量是从哪里来的呢?

答:能量是从真空里来的。

问:你是说,能量是无限的。你是这个意思吗?

答:没有必要说无限。在宇宙学当中,能量守恒定律你可以暂摆在一边,置之不理。

问:哇,难以理解。难以想象。超出了人的本能直觉啊。

答:(笑)是哪。

问:超出了逻辑。超出了我们所知的物理学定律,不是吗?

答:(笑)并不超出我们所知的物理学定律。你的能量守恒定律也是晚近三四百年的事情嘛。人家原来也不相信这个。人们相信能量是无限可用的。试图创造永动机的有的是嘛。

问:方教授,假如有一拨初中生、高中生,有志于今后从事物理学研究,作为一个天体物理学研究者,你愿意怎样向他们介绍天体物理学?换句话说,你会说天体物理学都什么有趣的研究方向,把他们吸引到你的研究领域来?

答:天体物理和物理是分不开的。可以说,物理学从一开始,它的很多的证据是从天体物理来的。第一,我们可以看牛顿。他是怎么建立牛顿力学和万有引力定律的呢?他是靠太阳系行星的运动建立的。也就是说,靠的是天体物理。还有,现在我们老是说量子论。量子论的第一件重要发现就是光谱有很多谱线,从这里发现所谓的能级、量子化等等。谱线有什么规律的呢?是靠太阳的光谱,你在地面上看不到。只能用太阳光才能看得到。爱因斯坦的相对论理论就更不用说了,它是靠水星近日点的进动等等,总之全是靠天文学的观测得来的。到现在,研究粒子,研究微观最前沿的东西,还是不能离开天体物理。大的东西跟小的东西联系是很密切的。天体研究有一个特点,这就是它尺度特别特别大。假如有很微小的差别,因为尺度大,把微小的差别就放大了,就很容易看清楚。

问:谢谢方教授接受我们的采访。

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