对话2019年诺贝尔物理学奖得主詹姆斯·皮布尔斯

从爱因斯坦的广义相对论到宇宙的起源、组成和演化

詹姆斯·皮布尔斯(1977-78)、访问学者(1990-91、1998-99)bob苹果下载他被授予2019年诺贝尔物理学奖(见上面的演讲),因为他“对我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出了贡献”。

瑞典皇家科学院将一半奖金授予皮布尔斯,另一半则授予米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹,以表彰他们“发现了一颗围绕太阳型恒星运行的系外行星”。瑞典皇家科学院进一步赞扬了皮布尔斯对物理宇宙学的深刻见解,这些见解“丰富了整个研究领域,并为过去50年从推测到科学的宇宙学转变奠定了基础”。他的理论框架自20世纪60年代中期发展起来,是我们当代宇宙思想的基础。”

“在我们对宇宙起源、组成和演化的理论理解方面,没有人比吉姆·皮布尔斯做得更多,”国际天文学会主任、莱昂·列维教授罗伯特·迪克格拉夫说。“以爱因斯坦的理论为基础广义相对论吉姆的工作使我们能够从大爆炸后最早发出的信号重建宇宙的历史。”

皮布尔斯目前是普林斯顿大学的阿尔伯特·爱因斯坦科学荣誉教授,曾在组委会任职。广义相对论在100,纪念爱因斯坦诞辰100周年广义相对论由该研究所和普林斯顿大学于2015年举办。会议包括由皮布尔斯主持的关于普林斯顿物理学家开创性作用的讨论约翰-惠勒(成员,1937年)和鲍勃•迪克(成员,1970-71)和他们的学生,在推进广义相对论的检查。

在会议期间,皮布尔斯与研究所的信为人们重新对爱因斯坦的广义相对论(又称引力理论)产生兴趣提供一些背景。以下是经过编辑的谈话记录。

IL:你能谈谈爱因斯坦的广义相对论不是一个活跃的研究领域的时期吗?

摩根大通:人们在20世纪30年代和40年代研究广义相对论。普林斯顿大学的霍华德·珀西·罗伯逊在做有趣的事情。但它相当低调,确实是在中期50年代,或者说是58年当我到普林斯顿读研究生时,通常的感觉是广义相对论是一个很优雅的理论,但兴趣有限。当然,当时最重要的是粒子物理学和量子物理学。凝聚态物质开始升温,但广义相对论——嗯,一个死胡同。

大约在那个时候,世界上有一些人认为我们应该更仔细地研究引力物理学和广义相对论。我认为公平地说,普林斯顿大学的两位主要领导者——理论方面的约翰·阿奇博尔德·惠勒,实验方面的罗伯特·亨利·迪克——都是在1957年左右开始的。

1958年,我作为一名研究生来到普林斯顿大学,当时鲍勃·迪克(Bob Dicke)正在组织一个小组做实验,以检验广义相对论和其他引力理论。我是鲍勃的两个理论学生之一。这对我来说很棒,因为他所做的正是让我着迷的事情。他决定了我的事业。

很明显,在引力物理学中有很多事情要做,包括理论和观测。正如我所说,在20世纪60年代,只有少数人同时研究引力理论和实验。这是一段令人兴奋的时光,为我探索新思想提供了很多空间。当然,我们无法预料这项工作会发展成今天的大科学。

伊尔为什么在那之前广义相对论没有什么意思?

摩根大通:它并不有趣,因为没有人想过要看,因为使实验部分有趣所需的技术在战前是不存在的。第二次世界大战的研究具有巨大的变革性。其中很大一部分原因是战争期间发展起来的技术对实验室的研究产生了巨大的影响。

有人说原子弹是革命性的,但雷达可能更具有变革性,许多发展都发生在麻省理工学院校园的辐射实验室,鲍勃·迪克在那里工作,发明了电子设备,尤其是迪克辐射计。二十年后,我们又回到了迪克辐射计。他的重力研究小组用它来发现和探索宇宙微波背景辐射的特性。

IL:你当时在研究什么问题?

摩根大通:我的论文是关于电磁相互作用强度是否随时间变化的测试。电磁相互作用的量度称为精细结构常数。它是标准物理学中的一个常数,但鲍勃·迪克感兴趣的是这个数字是否会随着时间而变化。

我可以找到很多数据来限制它可能发生的变化。我还可以提出一个关于它如何变化的小理论,一个可以解释我们所拥有的所有约束的理论,以及可以做什么新的测量来进一步约束和测试理论。这是对一种可能性的探索。“这个精细结构常数会进化吗?”这个问题仍然有很多兴趣。

IL:你认为重力在物理学中的地位如何?

摩根大通:我喜欢物理学的所有表现形式,我认为引力是物理学的一部分。我并不认为它或宇宙学有什么特别之处;材料物理学和引力物理学一样令人着迷。当我还是一个研究生的时候,有人说粒子物理是科学的女王,其他的都是工程学。一位受人尊敬的资深物理学家对我说过。我很震惊。

粒子理论确实很伟大,但我不认为它是物理学的女王,也不认为有这样一个物理学的核心和基本核心。物理学有很多方面,每个方面都很迷人,每个方面的研究都是根据人们必须生活的条件进行的。

狄拉克大概写道:“化学的物理定律是完全已知的。”这在原则上可能是正确的,但在实践中,化学并没有得到解决。当然,今天的化学使用的是量子力学,但它遵循的是自己的近似层次,这与将你引向希格斯玻色子的层次完全不同。我确信化学和粒子是紧密相关的,但我不知道它们的关系是否完全是单向的,如果你理解了粒子物理,你就能理解化学。我很确定,如果你很好地理解化学,你不一定能理解粒子物理。当两者都被更好地理解时,它们可能会在连续近似的层次结构的更深层次上合并。但那是未来的事。

当我们了解大脑是如何工作的,我们将会有一个全新的理论层次,某一天,以某种方式,可能会在更深的层面上与粒子和化学联系起来。我认为重力物理学在某种程度上也是这个游戏的一部分。

IL:当你想到广义相对论的时候当你开始测试它的时候,现在它对你来说有什么变化?

摩根大通:当我来普林斯顿读研究生时,我对重力不感兴趣。当时,有一个引力理论,广义相对论,但它几乎没有经验支持。我第一次学习广义相对论是因为它是在研究生考试中,但我认为我接触到的方面有点像米老鼠。但我受到了鲍勃·迪克的影响,我喜欢他对数据的分析,这表明我最好理解广义相对论。以前对我来说,它似乎是空的。我更喜欢涉及测量的理论,现在的广义相对论就是这样。

观看“广义相对论100”的视频,包括皮布尔斯主持的关于普林斯顿物理学家在推进广义相对论检验方面的开创性作用的讨论,在这里

考虑到这一理论已经得到了如此多的验证,我感到非常吃惊。让我印象深刻的是,爱因斯坦100年前的愿景依然存在。当然,巨大的挑战依然存在。两个挑战是理解如何调和量子和相对性原理,以及世界如何在这个理论中运行。

我们在理解暗物质和暗能量方面有更直接和更深刻的问题。我特别着迷于暗物质在被称为星系的质量集中的特性的表现。尽管星系形成的理论有了很大的进步,但星系的一些迷人的特性仍然知之甚少。部分原因是星系很复杂,但我忍不住想,部分原因可能是我们对暗物质的本质没有足够的了解。所以这些天,当我不是历史学家的时候,我的很多努力都在思考星系的特性,以及它们可能为我们提供的关于引力物理学和暗物质的教训。我喜欢这个,因为星系有很多可以测量和编译的属性,对我来说,这似乎是一个筛选所有这些数据的好时机——寻找规律,寻找谜题,并思考它们能教给我们什么。

我很乐意把量子原理和相对性原理的统一留给别人去做。当我还是博士后的时候,我确实写过一篇关于统一的论文,我记得鲍勃·迪克笑着说:“好吧,去做吧,拿诺贝尔奖,然后回来做一些物理学。凯利·迪瓦恩·托马斯编辑总监