84岁天文学家终获诺奖，在他之前，研究宇宙基本靠猜

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　　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（James Peebles），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，看一下什么叫“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，什么宇宙大爆炸、星系红移、暗物质，都跟他的研究有关！

　　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（James Peebles），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？”这是一个永恒的问题。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恒的。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（James Peebles）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恒定“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（James Peebles）。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？它的命运是什么？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。

　　詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)引领了对这些最早的宇宙时代的化石遗迹的解释。宇宙学家能够以惊人的准确性预测背景辐射的变化，并展示它们如何影响宇宙中的物质和能量。第一个重大的观测突破发生在1992年4月，当时美国COBE卫星项目的主要研究人员展示了宇宙中第一束光线的图像，欧洲planck逐渐完善了这一图像。

　　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％失踪了。 詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）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，那么剩下的69％，必须是暗能量才能满足对平坦宇宙的要求。

　　背景辐射（图片来源：）

　　所以，毫不夸张地说，詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles）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么秘密？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，我们还会发现什么呢？

　　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！