诺奖快评 | “物理宇宙学的理论研究”到底说了啥？
2019年的诺贝尔物理学奖揭晓了，三位获奖者分别是詹姆斯·皮伯斯（James Peebles）、米歇尔·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）。皮伯斯获奖的理由是物理宇宙学的理论研究，而另外两位因发现第一个围绕类日恒星运行的系外行星而获奖。
（图片来源：www.nobelprize.org）
“系外行星我似乎知道，但是‘物理宇宙学的理论研究’到底说了啥？“带着这样的疑问，大院er采访了中国科学院国家天文台的陈学雷研究员。（以下根据采访录音整理）
1. 皮伯斯做了哪些重要工作？
他提出了宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构形成的理论。
宇宙大爆炸理论是伽莫夫和勒梅特提出的。大爆炸模型描述了宇宙的原初时刻，大约140亿年前，当时宇宙非常炽热、密度非常高。从那以后，宇宙一直在膨胀，变得越来越大，越来越冷。但是，其中的物理过程究竟是什么样子没人知道。
上世纪60年代，Peebles进入这个领域，在普林斯顿大学研究小组里做了相关的理论计算，预测在宇宙大爆炸时会产生一种光子，遗留到今天就是宇宙的微波背景辐射。虽然他并不是第一个提出这一理论的人（伽莫夫等人之前已经提出类似观点），但是皮伯斯把计算方法、具体的结果进行了深入研究。
同时，皮伯斯发展了一整套理论来描述宇宙的演化过程，这有助于解释宇宙大尺度结构的形成，比如星系怎么形成、星系的分布疏密等问题。
使用他的理论模型，可以预测宇宙的形状以及其中所包含的物质和能量（下图）。他的计算与之后的背景辐射测量非常吻合。从三个峰中可以得出结论，如果宇宙的31％（5％+ 26％）由物质组成，那么69％必须是暗能量才能满足对平坦宇宙的要求。
宇宙微波背景辐射（图片来源：https://www.nobelprize.org）
2. 您觉得皮伯斯的贡献是什么？
他在物理宇宙学领域里做了很多基础性甚至是创始性的研究，几乎相当于开山祖师。
我们可以打一个比方，比如描述炸弹爆炸的过程，我们需要弄清楚发生了怎样的化学反应、气压怎么增高、如何驱动内容物产生冲击波……，而宇宙大爆炸理论也是类似，虽然没有冲击波，但是也同样有辐射的演化、物质在辐射的作用下运动。
（图片来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）
皮伯斯的贡献是提出了大爆炸的具体物理过程，找到了错综复杂物理过程中的关键因素，推演了宇宙演化的物理过程。也就是说，他的研究告诉我们宇宙为什么会是今天这个样子，也能够帮助我们预测宇宙将会走向何方。
作者单位：中国科学院国家天文台
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