诺贝尔物理学奖获得者如何用“千里眼”观测宇宙？|伽利略|千里眼|天文学|宇宙学

天文学是一门古老的科学。古人有祭祀、农业生产、制定历法等方面的需要，因此开展长期的天文学观测。在数千年的时间里，人们只能用肉眼进行观测。丹麦天文学家第谷·布拉赫编纂的星表已经接近人类肉眼分辨率的极限。

▲第谷·布拉赫

1609年，伽利略首先使用望远镜观测星空，天文学研究进入了一个新的时代。伽利略使用望远镜发现了木星的4颗卫星，此后被命名为“伽利略卫星”，同时还对土星环、太阳黑子、金星、水星进行了观测。随着望远镜的功能不断强大，人类的视野也不断扩展。1781年，英国天文学家威廉·赫歇尔使用望远镜发现了天王星，这是近代以来人类首次发现一颗全新的行星。

▲伽利略和他的望远镜

▲威廉·赫歇尔和他的望远镜

从19实际中叶开始，随着一系列物理学方法被引入天文学研究，天文学逐渐改变了此前以天体测量和轨道计算为主的研究模式，与物理学进行了深度融合，天体物理学就此诞生。进入20世纪后，物理学更是成为天文学研究的支柱。伴随着物理学的发展，我们能够以前所未有的方法和手段对宇宙进行研究。

诺贝尔物理学奖自1901年开始颁发以来，对天文学研究的关注逐渐增加。截至2024年，一共有12次诺贝尔物理学奖授予从事天文学和天体物理学研究的科学家，占比不到总数的10%，不过授奖的时间分布很不均匀。在这12次里，整个20世纪的100年里有6次，而21世纪到现在的24年里就已经有6次；20世纪上半叶只有1次，而下半叶增加到5次。

▲20世纪获得诺贝尔物理学奖的天文学和天体物理学研究

1912年，维克托·赫斯在高空气球实验中发现“有来自外部空间的高能宇宙射线不断降落到地球上”，标志着宇宙线的发现。1936年，赫斯因为这一发现获得诺贝尔物理学奖。这是诺贝尔物理学奖历史上第一次颁发给天文学和天体物理学研究。

1931年，美国贝尔实验室的年轻无线电工程师卡尔·杨斯基首次探测到来自银河系中心的射电信号，打开了可见光之后观测宇宙的一个新的窗口，射电天文学就此诞生。射电天文学为天文学提供了全新的探测手段，从而催生了20世纪60年的“天文学四大发现”：脉冲星、宇宙微波背景辐射、类星体和星际有机分子。而在这四大发现中，脉冲星和宇宙微波背景的研究都获得了诺贝尔物理学奖。

现在，关于宇宙起源和演化最主流的理论就是宇宙大爆炸理论。不过，20世纪40年代，在美籍俄裔物理学家乔治·伽莫夫提出这个理论的时候，曾经饱受质疑。宇宙大爆炸理论从一个猜想变成目前的主流理论，得益于后来一系列观测证据的支持，其中最重要也最具有戏剧性的就是1964年阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现的宇宙微波背景。

20世纪60年代，彭齐亚斯和威尔逊在美国贝尔实验室工作，他们的实验设备是位于美国新泽西州霍姆德的喇叭天线。这是一台极其灵敏的设备，最初是用来接收从回声1号卫星反射回来的无线电信号，后来又被用于接收世界上第一颗投入实际使用的通信卫星“电视星”发出的无线电信号。这些信号非常微弱，因此研究人员要想方设法消除所有可能的干扰，才能探测得到。

▲阿诺·彭齐亚斯、罗伯特·威尔逊和喇叭天线

但是，即使采用了所有想得到的办法去消除噪声，彭齐亚斯和威尔逊仍然能够探测到一种奇怪的嗡嗡声，这种噪声全天候地来自天空中的各个方向。他们曾经把天线对准纽约市，看看是否是人类活动带来的影响。到了1964年，在进行各种检查后，二人确认这种噪声不是来自地球、太阳或者银河系，而是来自我们的星系之外。

此后不久，他俩了解到普林斯顿大学的天体物理学家罗伯特·迪克、詹姆斯·皮布尔斯和大卫·威尔金森正在寻找一种探测起源于宇宙大爆炸的残存辐射的方法。但是由于没有现成的设备，迪克等人要先建设探测器，然后才能进行观测。彭齐亚斯给迪克打电话，说明了他和威尔逊的发现。迪克很快意识到，彭齐亚斯和威尔逊探测到的辐射与自己的理论的预测完全吻合。迪克给彭齐亚斯和威尔逊寄去了尚未发表的相关论文的副本，而他也应邀去霍姆德亲自听了一下期待已久的信号。在这期间，他和彭齐亚斯及威尔逊确认这个噪声就是大爆炸理论预言的宇宙微波背景。

1978年，诺贝尔物理学奖授予三位物理学家，彭齐亚斯和威尔逊因为“发现宇宙微波背景辐射”分享了一半的奖金（各自获得1/4的奖金）。宇宙微波背景的发现是20世纪人类最重要的天文发现之一，也是宇宙学发展过程中一个具有里程碑意义的事件，开启了全新的时代。在此之前，宇宙学更多的是进行理论研究；而在此之后，宇宙学开始可以进行直接的观测。

截至目前，科学家已经先后研制和发射了COBE卫星、威尔金森微波各向异性探测器以及普朗克卫星等探测器对宇宙微波背景辐射进行进一步研究。美国天体物理学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特因为对宇宙微波背景的研究获得了2006年诺贝尔物理学奖。

同样是在20世纪60年代，乔瑟琳·贝尔在天体物理学家安东尼·休伊什的指导下于剑桥大学攻读博士学位。休伊什带领一个包括贝尔在内的研究团队建设了新的射电望远镜——行星际闪烁阵列，以研究刚被发现不久的一类新的奇异天体——类星体。1967年，贝尔在进行观测时，发现了无法被归类到已知信号的神秘无线电波，并把这一结果告诉了休伊什。在排除了地球上的其他设备的干扰、仪器影响等所有其他可能的因素后，他们确认这个信号来自太空中，信号源是在太阳系外银河系内。

▲乔瑟琳·贝尔

▲安东尼·休伊什

1968年1月，休伊什和贝尔等人在《自然》上发表了论文，报告了他们的发现。由于只是初步的观测和分析，因此他们在论文中只是对发出信号的天体进行了描述，称之为“快速脉冲射电源”，而并未确定这种天体究竟是什么，但在摘要中提到“可能与白矮星或者中子星的振荡有关”。论文发表后，迅速引起了天文学界的关注。很快，天文学家确认贝尔发现的脉冲射电源就是旋转的中子星。1968年3月，休伊什根据“脉冲恒星”（pulsating stars）的组合创造了脉冲星（plusar）这个单词，为新发现的天体命名。

1974年，诺贝尔物理学奖授予英国天体物理学奖马丁·莱尔和休伊什，以表彰他们在射电天体物理学的开创性研究，其中莱尔的主要贡献是发明了综合孔径射电望远镜，而休伊什的获奖理由是发现脉冲星。

在伽利略之后300多年的时间里，人们用口径越来越大、性能越来越强的光学望远镜观测宇宙，但也只是在使用电磁波中的可见光这样一个很小的窗口。20世纪60年代成为天文学发展的黄金时代，正是得益于射电天文学的发展。

进入21世纪以来，在已经颁发的24次诺贝尔物理学奖中，天文学和天体物理学研究已经6次获奖，占比达到25%。特别是从2017年至2020年的4年里，天文学和天体物理学研究3次获得诺贝尔物理学奖，成为各个领域中的最大赢家。

▲2002年至2011年，天体物理学研究3次获得诺贝尔物理学奖

▲2017年至2020年，天文学和天体物理学研究3次获得诺贝尔物理学奖

黑洞研究近年来格外受到诺贝尔物理学奖委员会的青睐。2017年诺贝尔物理学奖颁发给雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他们利用激光干涉引力波天文台（LIGO）首次发现的引力波来自两个黑洞合并的事件。而2020年诺贝尔物理学奖授予罗杰·彭罗斯、莱茵哈德·根泽尔和安德里亚·吉兹，以表彰他们在黑洞理论和观测研究领域内的杰出贡献。

▲引力波示意图

黑洞是广义相对论的重要预言，但是爱因斯坦却并不相信黑洞真的存在，他曾在1939年的一篇论文中试图论证恒星不可能在自身的引力作用下塌缩。到了1965年1月，彭罗斯却用巧妙的数学方法证明了黑洞可以形成，并且给出了详细的描述。他还提出在黑洞的中心隐藏着一个奇点，所有已知的自然规律在奇点都会失效。他的革命性的文章被认为是在爱因斯坦之后对广义相对论的发展作出了最重要的贡献。

从20世纪90年代开始，根泽尔和吉兹分别带来各自的研究团队，关注银河系中心一个叫作人马座A*（Sagittarius A*，简写为Sgr A*）的区域，证明在那里存在一个质量为400万倍太阳质量的超大质量黑洞。2022年5月12日，事件视界望远镜（EHT）合作组织发布了这个黑洞的首张照片，这是这个黑洞真实存在的首个直接视觉证据。

▲人马座A*的首张照片

詹姆斯·皮布尔斯、米歇尔·马约尔和迪迪埃·克罗兹因为“对人类理解宇宙演化和地球在宇宙中所处位置的贡献”而获得2019年诺贝尔物理学奖。其中，皮布尔斯因为“在物理宇宙学中的理论发现”获得了一半奖金，而马约尔与克罗兹因为“发现环绕类太阳恒星的系外行星”分享了另外一半奖金。

人类所知行星的数量，有时可以作为衡量人类认识宇宙程度的一把尺子。20世纪90年代以前，我们已知的行星都在太阳系内，但天文学家相信行星在宇宙中普遍存在，只是苦于观测手段和能力的限制，在行星本身不发光因此太过暗淡的情况下，一直没有发现位于太阳系外的行星。

1995年，马约尔和克罗兹发表了一篇论文，宣布他们在太阳系外另一颗与太阳类似的恒星飞马座51周围发现了一颗行星飞马座51b，这是人类发现的第一颗绕主序星（即与太阳类似的恒星）旋转的系外行星。二人的发现对我们认识地球在宇宙中的位置产生了巨大的影响，他们的发现证明类似太阳系这样的系统在宇宙中并非独一无二，而是可能普遍存在。