2019年诺贝尔物理学奖的一半授予美国物理学家和理论宇宙学家詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)﹐以表彰其在宇宙物理学的理论发现中做出的突出贡献。

  来来﹐看一下什幺叫“突出贡献”。皮布尔斯做了大量工作使得物理宇宙学成为严肃的﹑定量的物理学分支﹐他为宇宙学中几乎所有的现代研究奠定了基础﹐包括理论和观测﹐将一个高度猜测性的领域变成了一门精密的科学。

  毫不夸张的说﹐咱们普通人能说的出来的跟宇宙学相关的词﹐什幺宇宙大爆炸﹑星系红移﹑暗物质﹐都跟他的研究有关﹗

  

84岁天文学家获诺奖,在他之前﹐研究宇宙基本靠猜

  △詹姆斯·皮布尔斯(James Peebles)

  他的贡献有多大﹖一句话﹕将宇宙学从推测转变为科学

  宇宙学是研究宇宙起源和进化的一门学科﹐过去的五十年是宇宙学的黄金时代。上世纪60年代﹐宇宙学从推测转变为科学﹐而推动这一转变的关键人物就是詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)﹐他的发现将宇宙学牢牢地安置在科学地图上﹐丰富了整个研究领域。他的第一本书《物理宇宙学》(1971年)启发了新一代的物理学家。

  “我们来自何处﹐又将往去何处﹖”这是一个永恆的问题。在信仰和意义之外﹐宇宙学为人类提供了一种解答问题的新思路。直到近一百年﹐人类才有了对宇宙演化的科学描述。在此之前﹐宇宙被认为是静止的和永恆的。但早在上世纪20年代﹐天文学家发现﹐所有星系都彼此远离﹐并且在远离我们﹐这意味着宇宙在成长。现在的我们知道﹐今天的宇宙与昨天的宇宙不同﹐而明天的宇宙又将和今天的宇宙不同。

  下面咱们就详细说说皮布尔斯的几个重要贡献。

  贡献一﹕推动让爱因斯坦后悔不已的宇宙常数重返宇宙学。1916年﹐爱因斯坦的广义相对论已经预言了天文学家在太空中所看到的一切﹐这一理论现在也已经成为所有有关宇宙的大规模计算的基础。

  不过当爱因斯坦发现该理论得出的结论是空间在扩大时﹐他在方程式中添加了一个常数(宇宙常数)﹐该常数将抵消重力的影响并使宇宙静止不动。

  而十多年后﹐科学家观察到了宇宙膨胀﹐确认宇宙并非静止的﹐也就不再需要这个常数了。爱因斯坦认为﹐这是他一生中最大的错误。不过﹐他不知道的是﹐宇宙学常数会在20世纪80年代﹐通过詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)的贡献﹐重返宇宙学。

  贡献二﹕从宇宙的第一缕光芒里寻找宇宙诞生的秘密

  宇宙的膨胀就意味着过去的它更密集﹐更热。在20世纪中叶﹐我们称宇宙的诞生为“大爆炸”。没有人知道一开始的实际情况﹐但是早期的宇宙充满了紧凑﹑热和不透明的粒子﹐如同一碗汤。

  经过将近40万年的冷却﹐这种原始汤冷却到几千摄氏度。原始粒子能够结合﹐形成主要由氢和氦原子组成的透明气体。紧接着光子开始自由移动﹐光得以在太空中传播。宇宙的第一缕光线直到现在仍然充满着宇宙。空间的扩展拉伸了可见光波﹐因此它们最终进入了波长为几毫米的微波范围﹐这也就是宇宙微波背景辐射。

  1964年﹐两位美国射电天文学家(1978年诺贝尔奖获得者亚诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊)偶然抓住了宇宙诞生的光芒。但他们无法摆脱天线从太空各处拾取的恆定“噪声”﹐因此他们在其他研究人员的研究中寻求解释﹐其中包括詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)。当皮布尔斯(Peebles)意识到辐射的温度可以提供有关在大爆炸中产生多少物质的信息时﹐现代宇宙学的新纪元开始了。

  宇宙中起源于婴儿期的古老辐射已经变成了一个金矿﹐它几乎包含了所有宇宙学家想要知道的一切的答案。

  “宇宙多大了﹖它的命运是什幺﹖存在多少物质和能量﹖”科学家们可以从这些余辉中找到宇宙最初的痕迹。如同海浪反映着海洋的变动﹐这些涟漪(微波)揭示了早期宇宙的变化。

  △Plank卫星绘制的最新最高分辨率宇宙微波背景辐射图(图片来源﹕ESA/NASA/JPL-Calteck)

  贡献三﹕理论证实暗物质和暗能量的存在

  暗物质的组成仍然是宇宙学最大的谜团之一。长期以来﹐科学家一直相信﹐已知的中微子可能构成这种暗物质。但中微子速度过快而无法将物质凝聚到一起。1982年﹐皮布尔斯(Peebles)提出﹐冷的暗物质中重而慢的颗粒可以完成这个任务。

  直到今天﹐我们仍在寻找冷暗物质中的这些未知粒子。

  根据爱因斯坦的广义相对论﹐空间的几何形状与引力相互关联——宇宙包含的质量和能量越多﹐弯曲的空间就越多。在质量和能量的临界值下﹐宇宙不会弯曲。我们称这种类型的宇宙为平坦宇宙。

  宇宙微波背景辐射的测量以及理论上的考虑提供了明确的答案——宇宙是平坦的。但是﹐它所包含的物质仅足以满足临界值的31%﹐其中5%是普通物质﹐26%是暗物质﹐还有69%失蹤了。詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)再次提出了一个解决方案。使用皮布尔斯提出的理论模型﹐可以通过计算预测宇宙的形状以及其中所包含的物质和能量(下图)。而他的计算与之后的背景辐射测量非常吻合。从计算结果中﹐还可以得出一个结论﹐如果宇宙的31%(5%+26%)由物质组成﹐那幺剩下的69%﹐必须是暗能量才能满足对平坦宇宙的要求。

  

84岁天文学家获诺奖,在他之前﹐研究宇宙基本靠猜

  所以﹐毫不夸张地说﹐詹姆斯·皮布尔斯(JamesPeebles)对物理宇宙学的研究和见解丰富了整个研究领域。他的理论框架自1960年代中期发展起来﹐奠定了当代宇宙学基础。

  现在﹐暗物质和暗能量都已成为宇宙学中最大的谜团。宇宙的暗面隐藏着什幺秘密﹖未知背后隐藏着哪些新的物理学﹖在解决空间奥秘的尝试中﹐我们还会发现什幺呢﹖

  辽阔的宇宙等待着我们去探索﹐无穷的真理让我们孜孜追求。再一次﹐向皮布尔斯致敬﹐向探寻真理﹑探索宇宙的前辈们致敬﹗