[天文大事]诺贝尔物理学奖中的天体物理学课题

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根据化学家诺贝尔的遗嘱,从1901年开始颁发多项诺贝尔奖金,其中之一是诺贝尔物理学奖。从1901到2001的一百年里,有八项天体物理学研究成果获得了六个年份的诺贝尔物理学奖:1936年、1967年、1974年、1978年、1983年、1993年。其中1974年和1983年各有两项。

(选自天文爱好者2001年第六期。作者宣焕灿)

根据化学家诺贝尔的遗嘱,从1901年开始颁发多项诺贝尔奖金,其中之一是诺贝尔物理学奖。从1901到2001的一百年里,有八项天体物理学研究成果获得了六个年份的诺贝尔物理学奖:1936年、1967年、1974年、1978年、1983年、1993年。其中1974年和1983年各有两项。

1936年

奥地利学者V·F·赫斯(1883~1964年)因发现宇宙射线而成为涉足天体物理学的第一位诺贝尔物理学奖得主。他曾在奥地利格拉茨大学任教二十多年,1938年因被纳粹当局迫害而移居美国,1944年加入美国国籍。

在赫斯之前,已有人发现,金箔验电器不论如何良好绝缘,每隔一定时间就会自动放电,但其原因一直不得而知。1911年,赫斯携带金箔验电器,乘坐气球上升到近五千米的高空,发现验电器的放电率比海平面处快4倍,而且没有昼夜差别。1912年,他又在日全食的时候做了一次气球飞行,发现太阳被完全遮掩时,验电器的放电率并未受到任何影响,所以他大胆地提出,导致验电器放电的原因是来自太阳之外的宇宙空间的带电粒子和射线。他的发现后来被美国著名的物理学家密立根所证实,并命名为宇宙射线。因率先发现宇宙射线,赫斯被授予1936年诺贝尔物理学奖。与他一同获奖的还有美国物理学家卡尔·戴维·安德森,后者通过拍摄宇宙射线穿过云层的径迹,发现了正电子,这虽然可以被认为是纯物理学上的成就,但其发现过程也与研究宇宙射线这一天体物理学课题有关。

1967年

1967年的诺贝尔物理学奖颁发给研究恒星能源的H·A·贝特(1906~2005年)。贝特是出生于德国的犹太人,他在德国慕尼黑大学获得博士学位,20世纪30年代相继在英国、意大利和美国工作,最后定居美国,并加入美国国籍。

恒星的能源问题长期以来一直是个未解之谜。1938年,贝特提出了由四个氢原子核聚变为一个氦原子核的质子-质子链反应来解释恒星的能源,聚变中有大概百分之7的质量损耗掉了,按照爱因斯坦的质能关系式变成了巨大的能量。1939年,他又提出了“碳氮循环”的原子核反应,在这种反应中,碳和氮并未减少,它们起到了促进四个氢原子核聚变为一个氦原子核的催化作用。后来别人的研究表明,质子-质子链反应是较小质量恒星的能源的主要来源,而超过10个太阳质量的大质量恒星,其能源则来自于碳氮循环。由于贝特的上述理论贡献,他独揽了1967年的诺贝尔物理学奖。

1974年

1974年的诺贝尔物理学奖被两位研究不同天体物理学课题的英国射电天文学家所分享:M·赖尔(1918~1984)和A·休伊什(1924年~)。赖尔1945年到英国剑桥大学卡文迪什实验室工作,1959年任该校射电天文学教授。早期射电探测的一个重大缺陷,是无法像光学观测那样可使观测对象成像。赖尔为克服这一缺陷做出了重大贡献。20世纪50年代末,他提出了综合孔径射电望远镜的设计思想,其原理是利用固定天线和移动天线观测同一射电源来获得射电干涉信号,当移动天线在一个以固定天线为中心的巨大圆面上不断改变位置时,可获得一系列信号,将这些信号输入电子计算机进行傅里叶变换的数学处理,便可获得射电源的图像。1963年以后,他研制成功了多台综合孔径射电望远镜,其中最著名的是由四面固定天线和四面移动天线组成的剑桥大学马拉德射电天文台的“五千米阵列”,它可以绘出与光学照片相媲美的射电天图。这项研究开辟了射电天文学的新纪元,他也因此荣获1974年的诺贝尔物理学奖。

休伊什从20世纪50年代初起,一直在英国剑桥大学任教,1971年提升为射电天文学教授。为了研究射电源的行星际闪烁(一种因太阳风在行星际空间的作用而造成的射电源闪烁)现象,他主持建造了一台拥有巨大天线阵的高时间分辨率射电望远镜,从而为后来的重要发现准备了仪器条件。在他的指导下,他的女研究生乔瑟琳·贝尔操作它进行巡天观测,以便搜寻具有“行星际闪烁”现象的射电源。1967年十月,细心的贝尔发现记录纸带上有一个与行星际闪烁和人为干涉信号都稍有不同的奇怪脉冲信号,后来她与休伊什通过进一步研究终于发现了第一颗射电脉冲星,这是20世纪60年代的四大天文发现(星际有机分子、宇宙微波背景辐射、类星体和脉冲星)之一。因这一重大发现,休伊什荣获1974年诺贝尔物理学奖。但遗憾的是,本应分享这一奖项的脉冲星第一发现者乔瑟琳·贝尔小姐却未能同时获奖。

1978年

两位美国射电天文学家A·A·彭齐亚斯(1933年~)和R·W·威尔逊(1936年~)因一项重大的偶然发现荣获1978年的诺贝尔物理学奖。彭齐亚斯四岁时随父母从德国移居美国,后来加入美国国籍。1962年他在美国哥伦比亚大学获得博士学位,随即到著名的贝尔电话实验室工作。威尔逊1962年获得美国加州理工学院博士学位,次年也到贝尔电话实验室工作。

1964年七月至1965年四月,他们俩用一台6米“号角”式天线,以工作波长7.35厘米测量围绕银河系银晕气体的射电强度,发现了无法排除的相当于3.5K(后人更精确的测量为2.7K)的背景噪声,这种噪声是各向同性、无偏振、无季节性变化的。正当他们无法解释其原因时,他们读到了美国普林斯顿大学R·H·迪克研究小组的一位成员即将发表的一篇论文清样,该文章用宇宙大爆炸理论预言存在微波背景辐射。半年后,迪克研究小组研制的射电辐射计制成后,也测到了这种背景噪声。它后来被命名为“宇宙微波背景辐射”(CMBR),被认为是20世纪60年代四大天文发现之一。因这项重大成就,他们俩分享了1978年诺贝尔物理学奖金的一半,另一半则由在低温物理学中做出重大贡献的苏联科学家П·Л·卡皮察获得。

1983年

1983年的诺贝尔物理学奖被两位研究不同天体物理学课题的美国科学家所分享,他们是W·A·福勒(1911~1995年)和S·钱德拉塞卡(1910~1995年)。福勒1936年获加州理工学院博士学位,后来长期在该校担任物理学教授。他一生中最出色的工作是研究重元素如何在大质量恒星中形成的问题。他认为,比氦重的元素是不可能在宇宙大爆炸的初期形成的。1957年,他与美国的伯比奇夫妇以及英国的F·霍伊尔共同发表了一篇重要论文,提出了阐明重元素如何在大质量恒星中逐步产生的理论,该理论以他们四人姓氏的头一个字母的组合表示,即称为BBFH理论。1965年,福勒又与霍伊尔合著了《巨星和超巨星中的核合成》一书,更加深入地阐述了这一理论。由于他在这项研究中所起的重要作用,他幸运地作为这项工作的代表被授予1983年的诺贝尔物理学奖。

钱德拉塞卡是印度人,他从印度马德拉斯大学毕业后去英国深造,1933年获剑桥大学博士学位。同年去美国芝加哥大学任教,1944年提升为教授,1953年加入美国国籍。20世纪30年代初,他在剑桥大学攻读博士学位时,就致力于恒星结构和演化的研究。他指出,恒星在耗尽其核燃料时会发生引力坍缩,对大多数恒星而言,这种坍缩过程在简并电子气体(原子核外的电子完全电离,并且高度压缩的气体)的向外作用下会停下来,最后形成白矮星。他提出,白矮星的质量极限是1.44个太阳质量。若超过这一极限,简并电子气体将无法抗衡这种引力坍缩,恒星便不会形成白矮星(已形成的白矮星则会爆炸)。这就是著名的“钱德拉塞卡极限”。1939年,他出版了专著《恒星结构研究导论》,进一步阐述了上述理论。此后几十年里,对白矮星质量的实测,以及20世纪60年代中子星的发现有力地证实了钱德拉塞卡的理论。于是他被授予1983年的诺贝尔物理学奖。

1993年

1993年的诺贝尔物理学奖由用天文探测手段间接证实引力波存在的两位美国天体物理学家共享,他们是J·H·泰勒(1941年~)和R·A·赫尔斯(1950年~)。泰勒1968年获哈佛大学博士学位,次年到马萨诸塞大学任教,1977年提升为天文学教授。爱因斯坦在1915年创立广义相对论时就曾预言,当一个大质量物体加速运动或受到某种干扰时,将会产生一种极端微弱的波态扰动,称为引力波,它以涟漪的微弱波动形式时,在很宽的频率范围内以光速传播,同时“运走”产生它的源物体的能量。由于引力波极其微弱,这个预言一直没有得到实验的证实。1973年,纽约青年学者R·A·赫尔斯来到泰勒的门下攻读博士研究生。次年,师生二人用阿雷西博的305米口径射电望远镜在天鹰座天区发现了射电脉冲星,因其位于赤经19时13分、赤纬+16°处,故命名为PSR 1913+16,后来进一步测得该天体实际上是一对脉冲双星,两颗子星互相绕转的周期为0.32日,其中作为射电脉冲星的那颗子星又以0.059秒的周期高速自转着。他们认为,如果脉冲星因自转而发出引力波,它将损失能量而使这对脉冲星互相绕转的轨道向内旋,于是它们的轨道周期变短。经过数年的精密测量,他们在1978年宣布,PSR 1913+16的轨道周期以每年75微秒的速率变短。经计算,这与广义相对论的理论预言相符合。这就首次用间接方法证明了广义相对论所预言的引力波的存在。因这项成就,他们俩分享了1993年的诺贝尔物理学奖。

结束语

以上列出的仅仅是纯天体物理学课题的获奖,因与天文学有密切关系的物理课题而获奖的则尚未包括在内。例如,1970年的诺贝尔物理学奖的一半颁发给在磁流体力学的基础研究和应用方面作出卓越贡献的瑞典学者H·阿尔文(1908~1995),他的研究实际上与宇宙磁流体力学以及等离子体天体物理学密切相关,所以这项获奖在本文中未有列出。

综上所述,可以看出20世纪天体物理学课题的诺贝尔物理学奖得主,呈现出明显的随着时间的推移而增加的趋势:20世纪上半叶,只有一个课题、一人获奖;而到了20世纪下半叶,则有七个课题、九人获奖,而且越是在下半叶的中期和后期,获奖的课题和人数越多。这表明,天体物理学越来越成为“大物理学科”(包括天文学在内)中新兴的生长点,越来越受到广大物理学家和天文学家的重视和关注。

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