物理群星
索尔·珀尔马特 肖像

图:Christopher Michel 摄,2024 年于劳伦斯伯克利国家实验室 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0

索尔·珀尔马特

Saul Perlmutter

1959–今 · 生于美国伊利诺伊州香槟-厄巴纳 · 美国

天体与宇宙学

他本来打算兼修哲学,最后用一台宽视场相机和一堆图像处理代码,把「宇宙会怎样结束」变成了一个能测出数值的问题

诺贝尔物理学奖 2011 通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀

「项目开始时我们以为,不管测出哪个答案都足够让人兴奋。我们没敢指望真正的结果——一个给基础物理留下新谜题的意外。」

—— 2019 年提交的诺贝尔奖官方自传,据英文原文译

珀尔马特进哈佛时想清楚了两件事:世界上最大的两个谜是「世界怎么运转」和「心灵怎么运转」,而他想两个都弄明白。

所以他打算兼修哲学与物理。算了算课表,发现这样一来人文与社会科学的课就一门都上不成了,于是决定先读物理——理由是「以后从物理回头去读哲学,比反过来容易」。四十多年后他还在惦记这件事:得奖之后,他在伯克利开了一门给所有专业学生的课,叫「理智、情感与科学」,讲的是怎么在证据不足时判断该信什么。

一个什么都做的实验室

1981 年他到伯克利读研究生。他要找的是「有真数据、又能回答一个哲学级别问题」的题目,本以为答案会是加速器实验。

第二年他撞进了理查德·穆勒的组。穆勒的老师是路易斯·阿尔瓦雷茨,那个组把这个传统发挥到了极致:什么有意思做什么,同时对一切说法保持苛刻的怀疑。他第一次去开组会,听到的报告包括——用木星偏折星光做引力实验、用机器人望远镜搜超新星测哈勃常数、用拉曼散射测大气碳循环、桌面回旋加速器做同位素测年、宇宙微波背景的各向异性,以及阿尔瓦雷茨父子刚提出的小行星撞击导致恐龙灭绝。

他选了机器人望远镜那一支,写出了能在图像里自动认出超新星、并排除小行星与宇宙线的软件。博士论文做的却是另一件事:用同一台望远镜去找太阳假想中的伴星——当时有人用它来解释每 2600 万年一次的生物大灭绝。

这段经历给了他两样后来最要紧的东西:CCD 相机,以及处理海量图像的代码。

把「找超新星」变成能预约的事

用超新星去量宇宙的膨胀史,这个念头本身很老:1930 年代兹威基与巴德刚提出「超新星」这个词时就想过,只是那时既没有足够一致的烛光,也没有能看那么远的探测器。

1980 年代末,Ia 型超新星的价值开始显现:它们比其他类型亮得多,因此能在更远的地方看见;如果亮度足够一致,就能当标准烛光用。1987 年底,他与组里资深一些的彭尼帕克提出一个方案:造一台 4 米级望远镜上视场最宽的 CCD 相机,一夜之间搜过几万个星系。

1988 年项目启动,起步狼狈:在澳大利亚安排的十几个观测夜里,两年只碰上两个半晚好天气。

但真正卡住所有人的不是天气,是时间表。超新星爆发不能预约,而八米级望远镜与哈勃的观测时间要提前几个月申请。如果你说「我可能会发现一颗超新星,到时候请给我时间」,没有时间分配委员会会批。

1994 年他们把这件事解决了:把搜寻安排在两次相隔约三周的观测之间,第一次拍底图,第二次拍出新增的亮点——因为 Ia 型超新星从无到峰值大约要二十天,这样挑出来的都还在变亮。于是他们可以承诺:某月某日,我们会交出一整批还在变亮的高红移超新星。凭这个承诺,大望远镜的时间才排得上。

这个看似只是排期技巧的东西,是整件事在工程上的关键一步。

两年之内,同一批人给出相反的结论

1997 年,他们用最早的七颗高红移超新星发表了第一篇结果,倾向于物质密度很高、宇宙学常数接近零——也就是一个减速的、可能会塌回去的宇宙。

到 1997 年底,样本涨到 42 颗,结论翻了过来:宇宙的膨胀由一个类似宇宙学常数的东西主导,正在加速。

这中间没有什么戏剧性的顿悟,是数据量与改正方法一起变好之后,点自己挪到了另一边。他后来在《今日物理》上写这件事时的用词很克制:这个结果「与已知的物理学模型对不上」。

1998 年 1 月 8 日,美国天文学会年会,两支互相竞争的队伍在同一场会上报告了同一个方向的结果。到年底,大多数人接受了它。

他更愿意谈的是下一步

得奖后他没有转去做科普明星。他领着超新星宇宙学计划继续做暗能量的测量,推动把这件事搬到太空——今天的南希·罗曼太空望远镜就是那条线的结果;同时他做了一件在物理学家里少见的事:去管数据科学。2013 年伯克利数据科学研究所成立时他当了创所主任,一直做到 2023 年,理由是他这一行早就不是「一个人守着望远镜」,而是几十人协作处理海量数据,而这套本事别的学科同样需要。

他自传的最后一段是这么写的:也许等我和妻子送八岁的女儿去上大学时,科学已经给出了下一批答案——或者更好,给出了新的、让人意外的问题。

代表方程

标准烛光的全部原理

m−M=5log⁡10dL10 pcm - M = 5\log_{10}\frac{d_L}{10\ \mathrm{pc}}

左边是视星等减绝对星等——看上去多亮,减去本来多亮。只要知道一类天体「本来多亮」,测出它看上去多亮,就得到了光度距离 dLd_L。整个超新星宇宙学都压在这一条上,而它的全部难处在于确定那个 MM:Ia 型超新星的峰值亮度约四十亿个太阳,但彼此并不完全相同,要靠光变曲线的衰减快慢逐颗改正。

距离与红移的关系里藏着宇宙的成分

dL(z)=c (1+z)H0∫0zdz′ΩM(1+z′)3+ΩΛd_L(z) = \frac{c\,(1+z)}{H_0}\int_0^z \frac{\mathrm{d}z'}{\sqrt{\Omega_M (1+z')^3 + \Omega_\Lambda}}

同一个红移 zz 对应多远,取决于这段时间里宇宙是怎么膨胀的。物质那一项随体积稀释(带 (1+z)3(1+z)^3),宇宙学常数那一项不随膨胀改变。所以把几十颗超新星的「距离-红移」点画出来,再拿这条曲线去拟合,ΩM\Omega_M 与 ΩΛ\Omega_\Lambda 就被读了出来。1998 年这批点落在了比只有物质的宇宙更暗的位置上,意思是同一个红移对应着更远的距离——膨胀在加速。

伟大发现