作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2015/9/28 11:30:48
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凝望宇宙的“考古学家”
访澳大利亚诺贝尔物理学奖得主布莱恩·施密特

 布莱恩·施密特

编者按:北京大学“大学堂”顶尖学者讲学计划始终致力于打造国际一流的高端学者讲学平台。该计划自2012年启动以来,以严格标准邀请代表学科最高水准的顶尖学者开展讲学交流。目前已有21位学者入选该计划,其中包括10位诺贝尔奖获得者。“走进‘大学堂’”系列报道将聚焦这些学者及他们身后的科学故事。

■本报记者 冯丽妃

已经泛白的蓬松金发、像暴风雨过后的天空一样湛蓝的眼睛,让这位宇宙学家看起来依然有些“孩子气”—— 一种对未知世界依然充满好奇并跃跃欲试的孩子气。“现在,我和团队在做的事情是继续寻找宇宙形成时期的最早恒星,因此我们要寻找宇宙中最早恒星的化石记录。”布莱恩·施密特(Brian Schmidt)日前在北京大学接受《中国科学报》记者采访时说,“这项研究属于宇宙学的研究范畴,但它也像考古学。”

这位天文物理学家被很多人称为恒星凝望者。1998年,施密特领导高红移超新星搜索团队,追踪了宇宙在8万亿光年范围内的膨胀。2011年,他与亚当·里斯和索尔·珀尔马特通过观测遥远超新星发现宇宙加速膨胀的证据而获得了当年的诺奖。此外,他还获得过澳大利亚政府颁发的马尔科姆·麦金托什奖、美国哈佛大学博克奖、印度天文学社Vainu Bappu奖章……

现在,他仍在继续凝望并思考着宇宙演化这部历史古卷。“我仍然在暗物质和暗能量研究领域继续工作,我关注的领域还包括行星研究,希望发现更多近地行星,并研发出有用的技术,探索近地行星上是否有生命的迹象。”施密特说。

争分夺秒探索超新星

科学家认为,自从约140亿年前一个致密炽热的奇点发生大爆炸后,从中诞生的宇宙一直处于分崩离析的状态。在上世纪后半叶,天体物理学领域最大的问题是,引力作用最终是否会导致宇宙停止膨胀,并且开始收缩,最终坍塌。

“也就是说,宇宙的最终命运是否会走向大爆炸的反面:大塌陷?”在北京大学“大学堂”顶尖学者讲学计划报告中,施密特一边在报告台上用抑扬顿挫的音调作讲述,一边来回走动着,讲到关键处他不时停下来,然后用双手加双臂比划着宇宙演化的过程,以帮助听众理解。

1987年,由加州大学伯克利分校教授珀尔马特带领的研究团队开始利用遥远的爆发恒星——即超新星——发出的光作为标准,计算宇宙膨胀在以多快的速率放缓。此后7年,即1994年,施密特在哈佛大学完成了超新星的博士论文。随后,他和另外一名美国天文学同行Nick Suntzeff开始把目光锁定在超新星上。“超新星之所以难以跟踪,是因为它们出现的时间非常短暂,而且光线非常微弱。”施密特说。

在信心驱动下,施密特和Suntzeff召集了一群能干的年轻天文学研究者——包括来自4大洲的20名研究人员,并把这支团队命名为“高红移超新星搜索队”。数月后,迁至澳大利亚工作的施密特成了该团队领导人。

“尽管总体上说他(施密特)是个好小伙,但这并不意味着他容易相处。他总是在给队友施加压力,但会通过建议的方式,让你很难察觉到这一点。”Suntzeff在接受一家澳大利亚媒体采访时曾说。不过,他表示,施密特给自己施加的压力往往更大,因为他们知道珀尔马特比他们早7年开始研究。而且,让他们更为紧张的是,超新星只有在一些很短的时间窗和很小地理区域才能做到最佳观测。“那时,我们在争夺资源,力图确保我们没有落后。”施密特说,“如果我们不加紧时间,就可能永远落在其他团队后面。”

宇宙将变得“越来越枯燥”

真正的戏剧性时刻是从分析完收集的太空数据开始。施密特期望看到的是,宇宙膨胀在以多快的速率降低;然而,出乎预料的是,他发现眼前的数据却表明宇宙在加速膨胀。“这种现象就像朝着空中投了一个球,然后眼睁睁看着它飞向蓝天,而不是落向地面。”施密特说,“那时,我在想‘引力作用到底发生了什么?’”“当时,我没有想到我们已经发现了惊人的结果。”他说,“我说的是:‘哦,大家伙,我们一定犯了个错误!’”

他和团队成员讨论了应该如何对待这一结果。一些人怀疑这个结果不正确,所以坚决反对公开。施密特明白伙伴们的担心,于是他和团队成员、首席数值计算分析师里斯对这些数据进行了一次又一次的推演,最终他们打算公开研究成果。此后的1998年年初,珀尔马特在一次天文学会议中公布了他们的研究成果,表示发现了与传统观点相反的现象。“那时,我和团队成员都说,‘天哪,这看起来和我们的数据结论一模一样。’”施密特回忆说。

但珀尔马特不知道的是,施密特和团队已经开始写作论文,最终施密特团队的成果首先发表于《天文学期刊》。在相关文章发表后,施密特表示,自己感觉到的与其说是胜利感,不如说是放松感。“因为我们一直以来处于不利地位,更多的是在追赶他们。”施密特说。

然而,尽管天文学界都认为两个研究团队同时发现上述结果,然而事情背后依然暗流涌动。在1998年发表于《纽约时报》的一篇文章中,珀尔马特团队的研究者认为施密特团队是后来者,他们利用了珀尔马特团队的先驱成果。

无论如何,两个团队最终都获得了当年的物理学奖。他们的研究认为:宇宙中最强大的力量是暗能量,这种神秘的力量抵制了引力作用,并且推动着星系相互分离。

阿尔伯特·爱因斯坦在1917年曾在理论上推断过这种未知力量的存在,但是后来他却推翻了这一观点,并表示这是他一生中所犯的最大错误。但是施密特和珀尔马特的团队却证明了这种力量的存在,并计算得出这种能量占宇宙空间的73%以上,另外23%的能量是同样知之甚少的暗物质。“那么,剩余的4%由什么构成呢?”施密特说,“那就是你、我以及包括树木、房屋和遥远的恒星、行星等在内的各种物体。”

未来,宇宙的命运将取决于暗物质和暗能量的战争,而且暗能量或许是赢家。施密特告诉《中国科学报》记者,“在暗能量的驱动下,未来宇宙将会变得越来越大、越来越大……各个天体离得越来越远、相互割裂,我们也会变得越来越孤独。”他说,“最终,它会变成一个非常无聊的地方,那时所有的恒星都会死亡、星系会蒸发、原子会分解、黑洞会消失……我们也会变成像电子一样的基本粒子。”

然而,这个过程要花费相当长的时间,而且比宇宙形成的时间早得多。“宇宙大致形成于140亿年前,而星系大致会在数千亿年后消失,恒星大致会在100万亿年后消失,而原子分裂可能要到万亿万亿年之后——1的后面至少有20个零。”施密特说,“这是很长的时间,但是宇宙永远在这个道路上前进。”

科学的魅力在于探索未知

然而,在宇宙消失之前,人们能做的事情显然还有很多。去年年初,通过赛丁泉天文台的“星图家”(Skymapper)望远镜,施密特团队发现了一颗距今约137亿年的已知最古老恒星,这颗恒星距离地球大约6000光年,这一发现有助于增强人们对大爆炸之后早期宇宙和远古恒星的了解。“现在我们希望搜寻更多的类似恒星,接下来我们还要寻找宇宙中最早恒星形成的化石记录,寻找银河系如何汇聚在一起的化石记录。”施密特告诉记者。

同时,地外行星也是施密特的探索目标之一。今年7月底,英国理论物理学家霍金、俄罗斯亿万富翁兼慈善家尤里·米尔纳联合宣布启动一项1亿美元的探寻地外生命计划——即突破倾听计划。该计划打算于2016年启动,旨在借助世界上最强大的天文望远镜,执行最先进的射电和光学扫描,打造迄今为止最庞大的外星生命寻找项目。

对此,施密特表示,这个项目很让人激动。“一个原因是搞清是否有其他文明在试图联系我们。同时,在探索这个问题的过程中,我们也可以研发出对天文学有价值的各种新技术。”施密特说,“另外,类似探索对象很难受到政府的资助,纳税人也会说‘我们不愿意在这个问题上耗费金钱。’但是要知道,孩子们会问,‘地外生命究竟存在吗?’因此,这项投入非常有意义,他们在做很多人关心的事情。”

事实上,施密特也是该计划的顾问之一。在该计划公布之前,米尔纳曾问施密特是否有兴趣给他们寻找地外生命提供指导意见。他回答说:“当然了,这是个有趣的问题。”但是在施密特看来,最有可能发现的生命迹象不是有智慧的生命,而是在行星及其大气层中寻找生命的痕迹,如细菌或是类似的生命。那么,究竟有没有地外生命呢?“我不知道,我怀疑应该有。”他说,“这正是科学的魅力所在,我们可以提出各种问题。”

天文学研究正在向国际合作迈进,施密特说,比如美国的30米望远镜(TMT)项目、中国的500米口径球面射电望远镜(FAST)项目、澳大利亚的星图家项目等都是国际合作项目。“中国参与的TMT项目主要扫描的是北部星空,而我们的项目(星图家)主要扫描南部天空。”他表示,未来双方的合作将能够看到整个星空。

“而且,未来中澳天文学的合作将会越来越多。”施密特说。2016年,施密特将出任他所在的澳大利亚国立大学校长。他表示,那时该校将与北京大学共同进行博士生交换项目,开展更多合作。

谈及未来梦想,施密特表示,他觉得最棒的事情就是可以一边作研究,一边教书,后者可以让人保持年轻活力。“恭喜,您马上就要出任校长了!”“我的同事会对我说‘同情’!”对于记者的恭喜,施密特回应说,“因为那也意味着责任。所以,我的梦想还有一个:那就是让我的大学成为世界上最优秀的大学之一。”

《中国科学报》 (2015-09-28 第3版 国际)
 
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