2019诺贝尔物理学奖回顾：皮布尔斯和物理宇宙学
图1. 诺贝尔奖网站上皮布尔斯（左）、马约尔（中）、奎洛兹（右）的素描像，图片来源：Ill. Niklas Elmehed. © Nobel Media
编者按：
每年10月，科学界都期待着新的诺贝尔奖的公布。在此作为预热，我们一起来回顾一下去年的诺贝尔物理学奖。2019年的诺贝尔奖授予了三位天文学家，以表彰他们“使我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置方面”的贡献。其中，美国普林斯顿大学的宇宙学家皮布尔斯（P. J. E. Peebles）获得一半奖金，以奖励他在物理宇宙学中的理论发现；瑞士日内瓦大学的马约尔（Michel Mayor）和瑞士日内瓦大学及剑桥大学的奎洛兹（Didier Queloz）分享了另一半奖金，以奖励他们发现一颗环绕类似太阳恒星的行星。
本文将详细介绍这三位学者的贡献。今天推送的上半部分，将为您解读皮布尔斯和物理宇宙学。（PS：每年诺奖我们都会在第一时间推送解读文章，今年也不例外，敬请期待！当然，上一年的诺奖结果也为我们排除了一个可能的选项……）
撰文 | 陈学雷（中国科学院国家天文台）
责编 | 韩越扬 吕浩然
皮布尔斯的贡献在于物理宇宙学。宇宙学曾经主要是一些简单的哲学思辨、高度简化和抽象的数学理论，加上一点经验性的天文测量。而在皮布尔斯等人的努力下，它逐渐发展成了一个有大量实验相互验证的物理理论。
1935年，皮布尔斯出生于加拿大的曼尼托巴省，他的父亲经营农产品生意，母亲是位家庭妇女。少年时代的皮布尔斯只是个普通的男孩，和父亲一样，他喜欢动手做木匠活、修理机械和园艺，也喜欢滑冰、跳舞。他所在的地区学校没什么学业压力，课上学习的内容也很少，甚至皮布尔斯直到进入大学之后才知道世界上还有三角函数这种东西！
中学毕业后，皮布尔斯进入当地的曼尼托巴大学学习，一开始在工学院学习，准备毕业后当一名工程师。他的工程课程学得不错，不过在学习过程中他逐渐对物理学产生了浓厚的兴趣，因此后来转为主修物理。这时他已开始展现出了自己的才华，曼大的老师们也注意到了他，有的劝他去普林斯顿大学深造，有的劝他去牛津大学。1958年，他从曼尼托巴大学毕业后，最终选择了去普林斯顿大学物理系读研究生。此后，他的一生都在普林斯顿大学渡过[1,2]。
50年代末期，粒子物理的研究正突飞猛进，皮布尔斯最初也想研究粒子物理，不过系里的粒子物理学家们对当时只是个普通学生的皮布尔斯反应平淡。恰在此时，他遇到了一位对他很热情的老师——罗伯特·迪克（Robert Dicke，1916-1997）。迪克二战期间从事雷达研究，发明了应用广泛的迪克辐射计、迪克微波开关等。战后迪克在脉泽和激光的发明过程中也有许多贡献。迪克成为皮布尔斯的导师，也是对他一生影响最大的学者。
图2. 皮布尔斯的导师迪克，图片来源：Wikipedia
也正是在那个时期，迪克对检验引力理论产生了很大兴趣。那时距爱因斯坦提出广义相对论已经过了四十年，但这期间的广义相对论研究主要还是一些抽象的数学理论，其实验证据仍然局限于当年的三大经典检验：引力红移、光线偏折、水星进动，而且测量精度都不高。广义相对论基础等效原理的检验也并不比19世纪厄缶（Baron Roland von Eötvös, 1848-1919）的实验结果好多少。
迪克提出要设计更多富有创意的、更精密的实验，检验相对论的基本原理。对于三大经典检验，迪克也没有放过。水星进动是当时对广义相对论最精密的检验，但是迪克指出，如果考虑到太阳不是完美的球形，而是一个旋转的椭球，可能也能引起水星的进动，因此他开始着手测量太阳椭率。
同时，他也尝试着提出与广义相对论竞争的理论，比如一种引力常数可以变化的理论，即所谓Brans-Dicke理论，这个理论直到今天也还被人们作为典型的修改引力理论进行研究。每周五晚上迪克和他的博士后、研究生开组会，讨论五花八门的各种巧妙检验，从精细的实验室测量，到太阳和行星的结构，从陨石的同位素成分、到月球激光测距，其思路之广阔令人耳目一新。皮布尔斯也被这些组会的活跃气氛所感染，虽然组会在周五晚上，他却从不缺席。
此时，普林斯顿物理系还有另一位广义相对论大家，就是命名了“黑洞"、培养出众多广义相对论学者的惠勒（J. A. Wheeler,1911-2008），他的研究主要在理论方面。迪克和惠勒的学生们也常常互相参加对方的组会。在迪克的指导下，皮布尔斯完成了他的博士论文，题目是“检验精细结构常数是否真的是常数，还是有可能随时间改变”。接着，皮布尔斯受到迪克研究太阳椭率的启发，根据对行星自转速度和椭率的观测数据，得出了土星和木星等气体巨行星有固体核心的结论。获得博士学位后，皮布尔斯仍留在普林斯顿迪克的组里继续开展研究。
上世纪60年代初，迪克的小组开始研究宇宙学。皮布尔斯阅读了苏联物理学家朗道（L.D.Landau）和栗弗席兹（E.M.Lifshitz）《经典场论》（The Classical Theory of Field）中关于宇宙学的内容。尽管相对论宇宙学已经过了几十年发展，但在当时其理论仍是高度抽象的。朗道-栗弗席兹的书给出了广义相对论方程的解，但对于现实的宇宙是怎样的、物质的具体成分和性质、观测检验等则几乎完全没有涉及。
之前勒梅特、伽莫夫提出了宇宙大爆炸理论，而英国的戈尔德、邦迪、霍伊尔等人基于哲学考虑提出了稳恒态宇宙理论（ 出格者弗雷德·霍伊尔 | 赛先生天文 ）。不过，对于许多科学家来说，这些理论所做的简单假设并不让人信服，很多人对这两个理论都不相信。另一方面，从天文观测的角度来说，当时的研究也非常有限，桑德奇（Alan Sandage）成为哈勃观测工作的继承人，他把（观测）宇宙学简单地归结为两个数的测量：哈勃常数H0和宇宙加速度参数q0，而当时能进行这方面测量的设备也寥寥无几。
迪克此时考虑了循环宇宙模型，即宇宙可能处在不断膨胀 → 收缩 → 再膨胀 → 再收缩的循环中。他意识到在这种循环中当宇宙处在高度收缩的状态时，将会产生高温，此时也会产生大量的光子，在宇宙膨胀中这些光子将遗留下来，红移到微波波段。根据一些粗略的物理分析，可以推论这些辐射的能谱类似热力学中的理想黑体辐射，而特征温度随着宇宙膨胀降低。
其实，二十年前迪克本人用他自己发明的迪克辐射计测量过天空的辐射背景，得出了背景温度小于20K的结论。此时，迪克让组里本来研究月球激光测距的威尔金森（Wilkinson）和研究厄缶等效原理实验的柔尔（Roll）研制测量天空温度的设备，而让皮布尔斯研究其理论。
皮布尔斯估计应有一个10K左右的宇宙微波背景辐射。不过那时的他并不知道，早在1948年，伽莫夫的学生阿尔弗（Alpher）和赫尔曼（Herman）就预测应该存在5K的辐射，而伽莫夫本人后来又给出了一些数值略有不同的估计。他应邀去约翰霍普金斯大学做报告，行前他询问同事是否可以公开他们正在做的这个实验，他的同事们都觉得可以：他们的实验已进展到这样一个阶段，别人就算听了报告后想要做这个实验，也不可能比他们更快了。
然而他并不知道的是，就在与他们同处新泽西州的贝尔实验室，想做射电天文学研究的彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）正在为他们遇到的一件怪事发愁：贝尔实验室有一台天线，原来是用于做卫星通讯实验的，不过此时卫星通讯实验已结束。于是他们打算安装上迪克辐射计，把它改造成射电望远镜用于天文研究。但是，在进行测试时他们发现无论把天线指向何方，总是有一个不变的多余噪声，远高于他们预期的仪器噪声，这令他们困惑不已。
其实这正是迪克想要寻找的宇宙微波背景辐射！一次，彭齐亚斯给一位射电天文学家伯克（Bernard Burke）打电话时提起这个问题，伯克想起他之前在坐飞机时恰与另一位射电天文学家、约翰霍普金斯大学的特纳（Ken Turner）的聊天。而特纳是皮布尔斯的老朋友，在听了之前皮布尔斯的报告后，留下了深刻印象并在聊天时告诉了伯克。于是，彭齐亚斯打电话给迪克，告诉了他这个消息。据说迪克那时正与小组成员们坐在一起，放下电话，迪克说，我们被人抢先了。
后来，彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年度的诺贝尓物理学奖，而预测了宇宙微波背景辐射的伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼以及迪克都未能获奖。这令人颇为遗憾，但鉴于诺贝尔奖最多授予三人的规定，恐怕诺奖委员会也很难决定在直接发现了宇宙微波背景辐射的彭齐亚斯和威尔逊之外该如何再挑选一位。不过，皮布尔斯后来评论说，他认为应该把迪克也列入获奖名单，毕竟他不仅首先想到了要做这个实验，而且实验用到的关键技术迪克辐射计也是他发明的！
宇宙微波背景辐射被发现后，皮布尔斯开始进一步研究宇宙大爆炸中的物理过程。首先是大爆炸核合成的理论，即氢、氘、氦等原子核在大爆炸中形成的理论。这其中有一些结果伽莫夫、阿尔弗等人之前已经得到过，但一方面当年各种元素的宇宙丰度值并不完全清楚，另一方面伽莫夫等人曾希望在大爆炸中合成所有的元素，但这是无法做到的。
经过这些年的研究，人们已建立了恒星核反应形成较重元素的理论，并认识到大爆炸中合成的是轻元素，同时也获得了轻元素如氦的丰度测量值，以及宇宙微波背景辐射的温度。于是皮布尔斯讨论了用氦、氘等元素的丰度与宇宙学参数（比如重子密度）的关系，与瓦格纳（Robert Wagoner）一起开创了用轻元素丰度限制宇宙学模型的研究。用这些丰度，人们可以对宇宙学模型和参数给出有力的限制，从而成为宇宙学研究的一个重要工具。
图4. 普朗克卫星2018年发布的宇宙微波背景辐射温度天图（上）和角功率谱（下），图片来源：ESA–Planck Collaboration
在宇宙微波背景辐射方面，皮布尔斯首先指出，早期宇宙中这些光子的存在会影响星系的形成。当时人们已经猜测，早期宇宙可能处在比较均匀的状态，而后在引力作用下，微小扰动被放大，逐渐形成星系。引力在小尺度上可以被气体的压强所平衡，但在比较大的尺度上引力终究会占主导，这个转换尺度被称为金斯（Jeans）尺度。
皮布尔斯指出，尽管在今天，宇宙微波背景辐射光子的密度几乎可以忽略，但它们的密度正比于膨胀因子的负4次方，而普通物质则是负三次方，因此当我们上溯到足够早的时期，宇宙的密度将被辐射所主宰，这时引力扰动无法增长。另一方面，即使在此之后，气体的温度、电离度的演化也与这些光子的相互作用有关，而气体温度和电离度也会影响金斯尺度。皮布尔斯也进一步发展了大爆炸后等离子体如何复合为中性气体、宇宙大爆炸结束后演化为黑暗时代的理论。
皮布尔斯和其他一些学者也开始研究，当物质密度分布不完全均匀时，这些密度扰动如何演化，以及它们所导致的宇宙微波背景辐射温度各向异性。皮布尔斯和他的一个来自香港的留学生Jer-Tsang Yu（虞哲奘，后来回到香港城市大学工作，未再做宇宙学研究）首次编制了定量计算宇宙微波背景辐射各向异性的程序。他也预测了宇宙大爆炸时随机的密度扰动将激发声波振荡，那些在大爆炸结束时刻正振荡到最大值的扰动将会在特定尺度的宇宙微波背景辐射中留下印记。尽管在当年这些效应看上去都非常微小，但经过多年的发展后，现在精密测量的宇宙微波背景辐射角功率谱（图4）中可以清晰地看到这些振荡峰。皮布尔斯当年的理论研究成为今日精密宇宙学的基础。
皮布尔斯喜爱给学生上课，此时他也开设了宇宙学课程，并在课程中讲授了宇宙学方面的最新研究成果。惠勒鼓励皮布尔斯把他的讲义写成书，为此作为年长一辈的教授，惠勒专门来旁听皮布尔斯的课程，并仔细地写下笔记，一学期课程结束后把他记下的字迹工整的笔记送给皮布尔斯。在惠勒的鼓励下，皮布尔斯写出了他影响巨大的《物理宇宙学》（Principles of Physical Cosmology）一书，并于1971年出版（1993年扩充为《物理宇宙学原理》）。与早期仅仅从广义相对论角度讨论宇宙学的著作（比如朗道-栗弗席兹）不同，在《物理宇宙学》讨论了物质、辐射等具体物理演化过程，以及元素丰度、宇宙微波背景辐射、大尺度结构等可观测量，宇宙学的骨架上现在有了血肉。
应该指出，这一时期一些其他研究者对于发展物理宇宙学的原理也有贡献，特别是苏联的泽多维奇（Zel'dovich）学派也独立地做出了许多重要发现。不过，皮布尔斯确实是对物理宇宙学的发展贡献最大的人。
皮布尔斯除了从理论上分析了宇宙扰动的演化外，也开始研究实际的宇宙大尺度结构。在皮布尔斯之前，其实也有一些学者做过大尺度结构的统计分析研究，不过皮布尔斯当时并不了解。他从理论上研究了结构是如何增长演化的，发展出了方格计数、相关函数、功率谱、高阶相关函数等许多分析大尺度结构的统计量的计算和测量方法。
他带着学生，使用里克天文台完成了当时最大的星系巡天，并用计算机进行了数据分析。分形理论的创始人曼德布劳特（Benoit Mandelbrot）曾主张星系分布是一种分形。皮布尔斯根据统计分析，表明分形只在一定的尺度上存在，在更大的尺度上宇宙的星系分布趋于均匀。一部分研究成果收集在他另一本著作：《宇宙大尺度结构》（The large scale structure of the Universe）一书中。
在1970年代初，天文学家们开始认识到，在可被观测的普通物质之外，宇宙中还存在着大量的暗物质。实际上，早在1930年代，弗里茨·兹威基（Fritz Zwicky, 1898-1974）已经发现星系团的引力远大于根据其亮度所做的估计，表明星系团中可能存在暗物质。而在70年代，对星系的观测表明，星系可见边缘部分的旋转速度并不像预期的那样会降低，而是基本保持不变，暗示在星系可见的部分之外还有不可见的暗物质。
皮布尔斯与耶利米·奥斯特里克（Jeremiah P. Ostriker）的一项研究对于暗物质也起了非常重要的作用。他们使用计算机，进行了N-体模拟：用一些粒子代表物质，假定它们之间仅存在引力相互作用，看看如何演化。他们发现，按照观测到的银河系参数设置的盘状星系并不稳定，很快就会从盘状演化成棒状。要使星系盘具有稳定性（不产生棒），必须假定在盘之外还存在着呈球状分布的暗物质，也就是所谓暗物质晕。但天文学家现在发现棒旋星系几乎无处不在，所以从盘稳定性出发得到暗物质存在的证据就显得有些牵强（属于歪打正着），但无疑他们的工作在暗物质发现的历史上起到了推动作用。
图5. 根据里克巡天数据绘制的星系分布图（上）和现代的SDSS-CMASS巡天得到的星系分布图
图6. 银河系想象图（上）；Peebles & Ostriker (1973）星系N-体模拟，演示了在没有暗物质晕的情况下盘状星系是不稳定的（下）
暗物质的概念被接受后，人们开始研究暗物质情况下的星系形成模型。泽多维奇提出了中微子作为暗物质的候选者。但是，由于中微子质量很轻，在宇宙早期它们运动速度很快，这样它们会把小尺度的原初扰动抹平。因此，在这种所谓热暗物质模型里，首先形成的是一些非常巨大的结构，然后这些再分裂成星系。
但是，这种星系演化图景与观测差别太大。皮布尔斯则提出了一种基于缓慢运动粒子的冷暗物质模型。在这种模型里，小的结构首先形成，进而逐渐并合成大的结构，与观测到的星系形成过程比较一致。如果选取合适的参数，甚至在定量上也和观测符合得比较好。根据大尺度结构的观测数据，可以反推宇宙大爆炸时不均匀的程度，皮布尔斯预测宇宙微波背景辐射应该有十万分之一量级的大尺度不均匀性，这果然被实验证实了。
到了1990年代，更精密的测量逐渐开始揭示宇宙学中仍存在着巨大的矛盾：暴胀理论预测宇宙是平直的，然而暗物质的密度只有临界密度的0.3倍左右。最终，暗能量的发现解释了这个谜。不过，皮布尔斯并没有完全满足，他仍在孜孜不倦地继续研究宇宙学，提出了低红移重子物质缺失、空洞环境中的星系性质、本星系群中矮星系的运动等一系列可能挑战现有模型的问题，直到现在仍在继续进行科学研究。
皮布尔斯对于物理宇宙学的贡献就介绍到这里。下半部分，我们再来看看马约尔和奎洛兹的发现。
作者简介：1991年复旦大学物理系本科毕业，1994年北京大学物理系硕士毕业，1999年哥伦比亚大学博士。现为中国科学院国家天文台宇宙暗物质与暗能量研究团组首席研究员，中国科学院大学天文与空间学院岗位特聘教授。主要研究领域为宇宙学、射电天文学。
作者注：本文原发表于《自然杂志》41卷第6期，391-400（2019），本次的《赛先生》版本除修改了一些笔误外，还根据维基百科更新了TESS. Kepler 等航天器发现的系外行星数量和所有已发现系外行星总数，并附上了参考文献。
参考文献：
[1] American Institute of Physics Oral History, OH 25507, interview with Jim Peebles on April 4-5, 2002, by Chris Smeenk, https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/25507-1
[2] P. J. E. Peebles, Seeing Cosmology Grow, Annual Review of Astronomy and Astrophysics, 50:1 (2012)
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