諾貝爾物理學獎獲得者如何用“千里眼”觀測宇宙？
天文學是一門古老的科學。古人有祭祀、農業生產、制定曆法等方面的需要，因此開展長期的天文學觀測。在數千年的時間裡，人們只能用肉眼進行觀測。丹麥天文學家第谷·布拉赫編纂的星表已經接近人類肉眼分辨率的極限。
▲第谷·布拉赫
1609年，伽利略首先使用望遠鏡觀測星空，天文學研究進入了一個新的時代。伽利略使用望遠鏡發現了木星的4顆衛星，此後被命名爲“伽利略衛星”，同時還對土星環、太陽黑子、金星、水星進行了觀測。隨着望遠鏡的功能不斷強大，人類的視野也不斷擴展。1781年，英國天文學家威廉·赫歇爾使用望遠鏡發現了天王星，這是近代以來人類首次發現一顆全新的行星。
▲伽利略和他的望遠鏡
▲威廉·赫歇爾和他的望遠鏡
從19實際中葉開始，隨着一系列物理學方法被引入天文學研究，天文學逐漸改變了此前以天體測量和軌道計算爲主的研究模式，與物理學進行了深度融合，天體物理學就此誕生。進入20世紀後，物理學更是成爲天文學研究的支柱。伴隨着物理學的發展，我們能夠以前所未有的方法和手段對宇宙進行研究。
諾貝爾物理學獎自1901年開始頒發以來，對天文學研究的關注逐漸增加。截至2024年，一共有12次諾貝爾物理學獎授予從事天文學和天體物理學研究的科學家，佔比不到總數的10%，不過授獎的時間分佈很不均勻。在這12次裡，整個20世紀的100年裡有6次，而21世紀到現在的24年裡就已經有6次；20世紀上半葉只有1次，而下半葉增加到5次。
▲20世紀獲得諾貝爾物理學獎的天文學和天體物理學研究
1912年，維克托·赫斯在高空氣球實驗中發現“有來自外部空間的高能宇宙射線不斷降落到地球上”，標誌着宇宙線的發現。1936年，赫斯因爲這一發現獲得諾貝爾物理學獎。這是諾貝爾物理學獎歷史上第一次頒發給天文學和天體物理學研究。
1931年，美國貝爾實驗室的年輕無線電工程師卡爾·楊斯基首次探測到來自銀河系中心的射電信號，打開了可見光之後觀測宇宙的一個新的窗口，射電天文學就此誕生。射電天文學爲天文學提供了全新的探測手段，從而催生了20世紀60年的“天文學四大發現”：脈衝星、宇宙微波背景輻射、類星體和星際有機分子。而在這四大發現中，脈衝星和宇宙微波背景的研究都獲得了諾貝爾物理學獎。
現在，關於宇宙起源和演化最主流的理論就是宇宙大爆炸理論。不過，20世紀40年代，在美籍俄裔物理學家喬治·伽莫夫提出這個理論的時候，曾經飽受質疑。宇宙大爆炸理論從一個猜想變成目前的主流理論，得益於後來一系列觀測證據的支持，其中最重要也最具有戲劇性的就是1964年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現的宇宙微波背景。
20世紀60年代，彭齊亞斯和威爾遜在美國貝爾實驗室工作，他們的實驗設備是位於美國新澤西州霍姆德的喇叭天線。這是一臺極其靈敏的設備，最初是用來接收從回聲1號衛星反射回來的無線電信號，後來又被用於接收世界上第一顆投入實際使用的通信衛星“電視星”發出的無線電信號。這些信號非常微弱，因此研究人員要想方設法消除所有可能的干擾，才能探測得到。
▲阿諾·彭齊亞斯、羅伯特·威爾遜和喇叭天線
但是，即使採用了所有想得到的辦法去消除噪聲，彭齊亞斯和威爾遜仍然能夠探測到一種奇怪的嗡嗡聲，這種噪聲全天候地來自天空中的各個方向。他們曾經把天線對準紐約市，看看是否是人類活動帶來的影響。到了1964年，在進行各種檢查後，二人確認這種噪聲不是來自地球、太陽或者銀河系，而是來自我們的星系之外。
此後不久，他倆瞭解到普林斯頓大學的天體物理學家羅伯特·迪克、詹姆斯·皮布爾斯和大衛·威爾金森正在尋找一種探測起源於宇宙大爆炸的殘存輻射的方法。但是由於沒有現成的設備，迪克等人要先建設探測器，然後才能進行觀測。彭齊亞斯給迪克打電話，說明了他和威爾遜的發現。迪克很快意識到，彭齊亞斯和威爾遜探測到的輻射與自己的理論的預測完全吻合。迪克給彭齊亞斯和威爾遜寄去了尚未發表的相關論文的副本，而他也應邀去霍姆德親自聽了一下期待已久的信號。在這期間，他和彭齊亞斯及威爾遜確認這個噪聲就是大爆炸理論預言的宇宙微波背景。
1978年，諾貝爾物理學獎授予三位物理學家，彭齊亞斯和威爾遜因爲“發現宇宙微波背景輻射”分享了一半的獎金（各自獲得1/4的獎金）。宇宙微波背景的發現是20世紀人類最重要的天文發現之一，也是宇宙學發展過程中一個具有里程碑意義的事件，開啓了全新的時代。在此之前，宇宙學更多的是進行理論研究；而在此之後，宇宙學開始可以進行直接的觀測。
截至目前，科學家已經先後研製和發射了COBE衛星、威爾金森微波各向異性探測器以及普朗克衛星等探測器對宇宙微波背景輻射進行進一步研究。美國天體物理學家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特因爲對宇宙微波背景的研究獲得了2006年諾貝爾物理學獎。
同樣是在20世紀60年代，喬瑟琳·貝爾在天體物理學家安東尼·休伊什的指導下於劍橋大學攻讀博士學位。休伊什帶領一個包括貝爾在內的研究團隊建設了新的射電望遠鏡——行星際閃爍陣列，以研究剛被發現不久的一類新的奇異天體——類星體。1967年，貝爾在進行觀測時，發現了無法被歸類到已知信號的神秘無線電波，並把這一結果告訴了休伊什。在排除了地球上的其他設備的干擾、儀器影響等所有其他可能的因素後，他們確認這個信號來自太空中，信號源是在太陽系外銀河系內。
▲喬瑟琳·貝爾
▲安東尼·休伊什
1968年1月，休伊什和貝爾等人在《自然》上發表了論文，報告了他們的發現。由於只是初步的觀測和分析，因此他們在論文中只是對發出信號的天體進行了描述，稱之爲“快速脈衝射電源”，而並未確定這種天體究竟是什麼，但在摘要中提到“可能與白矮星或者中子星的振盪有關”。論文發表後，迅速引起了天文學界的關注。很快，天文學家確認貝爾發現的脈衝射電源就是旋轉的中子星。1968年3月，休伊什根據“脈衝恆星”（pulsating stars）的組合創造了脈衝星（plusar）這個單詞，爲新發現的天體命名。
1974年，諾貝爾物理學獎授予英國天體物理學獎馬丁·萊爾和休伊什，以表彰他們在射電天體物理學的開創性研究，其中萊爾的主要貢獻是發明了綜合孔徑射電望遠鏡，而休伊什的獲獎理由是發現脈衝星。
在伽利略之後300多年的時間裡，人們用口徑越來越大、性能越來越強的光學望遠鏡觀測宇宙，但也只是在使用電磁波中的可見光這樣一個很小的窗口。20世紀60年代成爲天文學發展的黃金時代，正是得益於射電天文學的發展。
進入21世紀以來，在已經頒發的24次諾貝爾物理學獎中，天文學和天體物理學研究已經6次獲獎，佔比達到25%。特別是從2017年至2020年的4年裡，天文學和天體物理學研究3次獲得諾貝爾物理學獎，成爲各個領域中的最大贏家。
▲2002年至2011年，天體物理學研究3次獲得諾貝爾物理學獎
▲2017年至2020年，天文學和天體物理學研究3次獲得諾貝爾物理學獎
黑洞研究近年來格外受到諾貝爾物理學獎委員會的青睞。2017年諾貝爾物理學獎頒發給雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，他們利用激光干涉引力波天文臺（LIGO）首次發現的引力波來自兩個黑洞合併的事件。而2020年諾貝爾物理學獎授予羅傑·彭羅斯、萊茵哈德·根澤爾和安德里亞·吉茲，以表彰他們在黑洞理論和觀測研究領域內的傑出貢獻。
▲引力波示意圖
黑洞是廣義相對論的重要預言，但是愛因斯坦卻並不相信黑洞真的存在，他曾在1939年的一篇論文中試圖論證恆星不可能在自身的引力作用下塌縮。到了1965年1月，彭羅斯卻用巧妙的數學方法證明了黑洞可以形成，並且給出了詳細的描述。他還提出在黑洞的中心隱藏着一個奇點，所有已知的自然規律在奇點都會失效。他的革命性的文章被認爲是在愛因斯坦之後對廣義相對論的發展作出了最重要的貢獻。
從20世紀90年代開始，根澤爾和吉茲分別帶來各自的研究團隊，關注銀河系中心一個叫作人馬座A*（Sagittarius A*，簡寫爲Sgr A*）的區域，證明在那裡存在一個質量爲400萬倍太陽質量的超大質量黑洞。2022年5月12日，事件視界望遠鏡（EHT）合作組織發佈了這個黑洞的首張照片，這是這個黑洞真實存在的首個直接視覺證據。
▲人馬座A*的首張照片
詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·馬約爾和迪迪埃·克羅茲因爲“對人類理解宇宙演化和地球在宇宙中所處位置的貢獻”而獲得2019年諾貝爾物理學獎。其中，皮布爾斯因爲“在物理宇宙學中的理論發現”獲得了一半獎金，而馬約爾與克羅茲因爲“發現環繞類太陽恆星的系外行星”分享了另外一半獎金。
人類所知行星的數量，有時可以作爲衡量人類認識宇宙程度的一把尺子。20世紀90年代以前，我們已知的行星都在太陽系內，但天文學家相信行星在宇宙中普遍存在，只是苦於觀測手段和能力的限制，在行星本身不發光因此太過暗淡的情況下，一直沒有發現位於太陽系外的行星。
1995年，馬約爾和克羅茲發表了一篇論文，宣佈他們在太陽系外另一顆與太陽類似的恆星飛馬座51周圍發現了一顆行星飛馬座51b，這是人類發現的第一顆繞主序星（即與太陽類似的恆星）旋轉的系外行星。二人的發現對我們認識地球在宇宙中的位置產生了巨大的影響，他們的發現證明類似太陽系這樣的系統在宇宙中並非獨一無二，而是可能普遍存在。
▲飛馬座51b的藝術想象圖
在電磁波之外，天文學家有了更多探索宇宙的方式。2002年，雷蒙德·戴維斯和小柴昌俊獲得諾貝爾物理學獎，獲獎理由是在天體物理學領域作出的先驅性貢獻，特別是探測宇宙中微子。他們的工作開創了中微子天文學這個新的領域。
人類首次觀測到的引力波來自兩個黑洞的合併，此後，科學家又觀測到兩顆中子星合併產生的引力波以及中子星和黑洞合併產生的引力波。因此，引力波爲我們提供了一個研究遙遠天體的全新途徑，引力波天文學也就此誕生。
從射電天文學、中微子天文學再到引力波天文學，諾貝爾物理學獎的獎勵見證了天文學的蓬勃發展，也展示了天文學的百年之路。隨着更多更強大的望遠鏡和探測器投入使用，我們有望揭示宇宙的更多秘密，也會在諾貝爾物理學獎的榮譽簿上看到更多天文學和天體物理學研究的身影。
（本文根據筆者在首都圖書館的講座內容整理而成）
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