从空间天文观测到诺贝尔物理学奖

2021-5-26 21:45| 发布者: xxxxxxxxx| 查看: 5591| 评论: 0

摘要: １１１１１１１１　编者按　可　我们听说过很多历史上与重大科学成果“擦肩而过”的遗憾故事，也有人明明做出了重大发现自己却浑然不知或没有胆量公布，这都是缺乏科学发现三要素，尤其是第三要素的后果。这些要素 ...

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　编者按　
可　我们听说过很多历史上与重大科学成果“擦肩而过”的遗憾故事，也有人明明做出了重大发现自己却浑然不知或没有胆量公布，这都是缺乏科学发现三要素，尤其是第三要素的后果。这些要素包含哪些内容？需要科学家怎样的素质支撑？文章将从经典的空间天文领域诺贝尔奖故事讲起，探讨重大科学发现的偶然性和必然性问题。

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种豆得瓜：第一个空间天文观测诺贝尔物理学奖

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　　1946年美国海军研究实验室的科学家利用V-2火箭在80km高空进行了第一次空间探测，两年后，伯尼特（Burnight）在96km高空对太阳X射线辐射进行了测量。这些测量揭开了空间天文学的序幕。自那以后，广泛应用飞机、探空火箭和气球进行了很多空间天文观测。

　　从用V-2火箭首次探测到20世纪60年代初期，空间天文学处在探索试验阶段。这时，观测对象主要是离地球最近的太阳和地球大气中的高能辐射本底，主要工作是发展空间科学工程技术。

　　经过10多年的探索试验，到了60年代，空间天文学的潜力已经显露出来，其最突破性的成就来自于美国MIT的贾克尼率领的团队于1962年在第三次火箭飞行观测实验中成功地发现宇宙X射线源和X射线弥漫背景，开创了人类认识宇宙的一个新窗口，建立了天文学观测历史的第三个里程碑，贾克尼也因此在40年后的2002年获得了诺贝尔物理学奖。

　　锲而不舍的追求和科学探索的精神是贾克尼取得这个重大成果的关键。他们之前的两次火箭飞行实验都以失败告终，但资助部门对科学实验失败的宽容和这个团队的执着，使他们进行了第三次实验并且终于取得了成功。

　　但观测结果则完全出乎科学家当时的预料。因为当时已经知道太阳会产生X射线，贾克尼团队的X射线探测器根本不可能探测到来自其他恒星的X射线，顶多看到月亮反射的太阳的X射线的辐射。但是正是科学探索的精神促使他们没有被已有知识和理论束缚，终于在这个未知领域开辟出一个全新的学科，发现了前所未知新的天体和现象。

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瞄前打后：未知的暗能量主导今天宇宙的加速膨胀

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　　1998年，三位年轻的天文学家普尔穆特、施密特和赖斯通过观测一类特殊（Ia型）超新星光度随宇宙红移的变化，发现了目前的宇宙正在加速膨胀，从而确定了宇宙由未知的暗能量主导，并于2011年获得了诺贝尔物理学奖。

　　把他们的结果和其他天文观测结果结合起来，可以得到宇宙从大爆炸开始（约140亿年之前）到今天的演化过程以及在不同时期宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量的比例演化。今天宇宙中的普通物质、暗物质和暗能量分别占宇宙的总物质-能量比例为4%、23%和73%，但是物理学中最成功的粒子物理标准模型只能接受其中仅占宇宙组成5%的普通物质，也就是说我们目前对宇宙成分的95%几乎毫无所知。这是物理学和天文学共同面临的巨大挑战。

　　尽管获奖者的项目团队所使用的观测数据主要来自于多个地面大型可见光（包括近红外）望远镜，但是哈勃空间望远镜的观测数据也对这项重大成果的获得做出了重要贡献。由于躲开了大气湍流对于天文图像的扭曲，正在天上的口径2.4米的哈勃空间望远镜可以探测到红移超过1的原始星系，这些能力都超过了地面10米甚至更大口径的光学望远镜。因此哈勃空间望远镜能够以更高的精度通过对造父变星距离的测量来测定哈勃常数，而这与宇宙在今天的膨胀速度有关。此外，只有哈勃空间望远镜才能够对最高红移的超新星的光变进行精确的测定，从而确定超新星的亮度，进一步限制宇宙早期膨胀的属性，为宇宙加速膨胀和暗能量模型提供强有力的限制。

　　这项重大发现的最有趣之处还在于研究者取得的成果和项目最初的科学目标背道而驰。因为现有科学理论告诉我们，主导宇宙结构和演化的长程作用力是引力，在引力的作用下，宇宙的膨胀只能逐步减速。因此他们研究的最初目标是精确测量宇宙是如何减速膨胀的，也就是精确测量哈勃常数。但是实际观测结果表明，宇宙晚期（也就是最近）的膨胀是加速进行的，需要引进一种目前未知的在大尺度上产生排斥力的所谓暗能量才能理解他们的观测结果，而这种暗能量的空间密度在今天的宇宙不但远远超过了已知的发光物质的密度，甚至还比不发光的暗物质的密度大了很多。

　　可以说他们的发现动摇了现有物理和天文理论的基础，最终解决暗能量问题有可能带来一次新的科学革命。

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重大科学发现：偶然还是必然？

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　　从1962年发现第一个宇宙X射线源至今半个世纪以来，已经有约70个携带天文仪器的空间飞行器（以专用卫星为主）发射运行，极大地促进了人类对于宇宙和基本物理规律的认识。

　　回顾那些光彩夺目的科学成就，就有必要问一个问题：这些成果是计划的、规划的还是从事这些研究的科学家个体在开展这些研究之前就预期的？

　　事实上，除2006年授予发现宇宙微波背景辐射的各向异性的诺贝尔物理学奖之外，其他的天文学研究获得的诺贝尔物理学奖的最初研究目的和最后获奖的天文发现明显不一样，不但“不是”预期结果，而且大部分的成果是和预期结果“没有关系”或“完全相反”。

　　而在论证一些重大科学项目的时候，必须回答项目的预期科学成果，越大规模的项目，越需要明确说明预期成果的重要性。这当然很有道理，因为重大项目需要投入的资金和人力很大，如果不能说清楚预期的成果，自然就难以得到资助来实施，任何政府或者其他资助方都会有这样的要求。因此探索重大天文发现的偶然性和必然性对于处于快速发展初期的中国空间天文具有重要意义。

　　从以往获诺贝尔奖的空间天文研究的类型看，理论研究获奖的成果数量远远少于观测研究，表明天文学研究的重大而且是开创性的突破主要来自于观测研究，而这些突破大部分都不是项目的预期科学成果，也就是大部分重大天文观测成果的获得看起来都是偶然的。

　　既然大部分重大天文观测成果的获得看起来都是偶然的，那么是否重大科学发现都是“瞎猫碰到死耗子”？其实这些看似偶然的成果背后有三个要素构成了科学发现的必然性。第一“项目提出（确保成功的好目标）”，第二“仪器设计（确保具有新科学发现能力）”，这两个要素是对项目本身的要求，也就是必须有“保底”的科学目标，同时应该具备做出新的科学发现的能力。而第三“获取结果（严谨求实、开放创新）”则是对项目科学团队的研究水平的要求。

　　一个科学项目在满足了上述三大要素（科学发现三要素）的情况下，必然会做出新的科学发现，这是必然性。但是到底做出什么科学发现、尤其是在新的发现空间里面的预料之外的发现，则很有可能是偶然的，至少在天文学领域是这样的。这正是偶然性和必然性之间的辩证统一。

　　为什么重大的开创性天文发现大部分都是事先没有预料或者计划的？这是由于宇宙和自然界太复杂，人的认识的渐进性，科学家能够预料或者计划的成果一般都是普通的成果，也就上述三要素中前两个“保底”的科学成果。

　　爱因斯坦或许是人类历史上最聪明、最有远见和洞察力最深刻的学者，但是他坚信宇宙中没有黑洞（而这恰恰是爱因斯坦的广义相对论的最重要预言之一）、没有暗能量（当时被称为宇宙学常数，而这恰恰是爱因斯坦本人首先提出的），同时认为量子力学有基本错误（而他本人获得诺贝尔物理学奖的光电效应理论证明了量子力学是正确的）。

　　因此在宇宙和自然面前我们只能谦卑，人类能够理解宇宙和自然已经非常了不起，试图预言宇宙和自然会发生什么则是可望而不可及的。但预料之外的成果往往是重大成果，这是科学研究尤其是天文学研究最引人入胜和激动人心的地方。要“碰上”这样的成果，固然需要一点运气，但上述三要素保证了该项目有取得预料之外重大发现的机会，虽然这并不能保证获得重大科学成果。

　　我们听说过很多历史上与重大科学成果“擦肩而过”的故事，也有人明明做出了重大发现但自己却浑然不知或没有胆量公布，这都是缺乏科学发现三要素，尤其是第三要素“获取结果（严谨求实、开放创新）”，的后果。而第三要素的内容就是要“做好事后诸葛亮”，能够发现有价值的结果并敢于公布；这种能力要求科学家具有对研究领域全面理解以及突破常规思想的素质，这是能够最终兑现重大科学发现的保证。

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摘选自《中国科学院院刊》2014年第5期

《空间时代的天文学研究》

原文作者：张双南（中科院高能物理所粒子天体物理中心主任）

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