2019年諾貝爾物理學獎得主成就貢獻和故事簡介

2019年諾貝爾物理學獎揭曉

北京時間10月8日17時50分許，2019年諾貝爾物理學獎揭曉。

瑞典斯德哥爾摩當地時間8日中午，瑞典皇家科學院將2019年諾貝爾物理學獎一半授予美國科學家詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)，以表彰其對宇宙演化過程的理論發現，另一半授予瑞士科學家米歇爾·馬約爾(Michel Mayor)和瑞士科學家迪迪埃·奎洛茲 (Didier Queloz)。表彰他們對地球在宇宙中的地位的發現。

2019年諾貝爾物理學獎得主

他們將獲得金質獎章、證書，並分享900萬瑞典克朗(約合人民幣654萬元人民幣)的獎金。其中詹姆斯·皮布爾斯獲得450萬瑞典克朗，米歇爾·馬約爾和迪迪埃·奎洛茲共享450萬瑞典克朗。

頒獎詞

2019年諾貝爾獎得主詹姆斯·皮布爾斯(James Peebles)研究了擁有數十億個星系和星系團的宇宙。他的理論框架發展了20多年，是我們現代理解從大爆炸到現在的宇宙歷史的基礎。

本文筆者想為各位讀者科普一下這位偉大的新晉諾貝爾物理學獎得主——詹姆斯·皮布爾斯的貢獻及故事，以饗讀者。

詹姆斯·皮布爾斯

生平經歷簡介

詹姆斯．皮布爾斯於1935年在加拿大出生，1958年獲曼尼託巴大學理學士學位，其後到普林斯頓大學深造物理學，並一直留在該校，現為愛因斯坦榮譽科學教授。

詹姆斯皮布爾斯在上個世紀60年代就已經預言了宇宙微波背景輻射的一些重要性質。自從1970年以來，他被廣泛認為是世界領先的理論宇宙學家。在這期間，他主要對原始核合成，暗物質，宇宙微波背景和結構形成等領域做出了理論貢獻。他的三本教科書(物理宇宙學，1971年；宇宙的大尺度結構，1980年；物理宇宙學原理，1993年)已經成為這些領域標準的參考文獻。

獲獎經歷

2004年邵逸夫天文學獎授予詹姆斯．皮布爾斯(P. James E. Peebles)， 以表彰他一生對宇宙學和天體物理學的開創性貢獻。現今宇宙學的理論與觀測基礎，差不多全部由他建立，本來純為理論推測的學科亦因此脫胎成一門精確科學。

現如今，2019年諾貝爾物理學獎的揭曉，再次為這位偉大的物理學家加冕。

主要貢獻及成就

1、宇宙微波背景輻射的預言

皮布爾斯在1963至1985年間，為該領域幾乎所有現代的理論和觀測研究奠下基石。獨立於他人早期的研究，皮布爾斯認識到觀察到的輕元素同位素，特別是氫、氘及氦-4的化學豐富度需要熱大爆炸，這個大爆炸產生了今天可觀察到的宇宙微波背景。當時普林斯頓 (Princeton)大學正在設計實驗探測這種輻射，僅稍稍晚了一步，讓貝爾實驗室(Bell Laboratories)的彭齊亞斯和威爾遜發現捷足先登。

微波背景輻射，不僅被看作是60 年代天文學四大發現之一，而且被認為是20 世紀天文學的一項重大成果，對宇宙學的研究具有深遠影響。彭齊亞斯和威爾遜為此獲得1978 年諾貝爾物理學獎金。這個預言的極大成功，鼓舞了粒子物理學家和宇宙學家，去推測更早期的宇宙歷史，對宇宙起源本質提出了不少令人興奮而富啟發性的新概念。

宇宙微波背景輻射

2、物理宇宙學和宇宙大尺度結構的奠基

皮布爾斯也是第一位準確計算出宇宙由電離態轉至中性態這個關鍵轉變的科學家，他提出計算複合時印留在宇宙微波背景上的結構的理論體系。他推廣了漩渦星系被大量暗物質暈包圍的概念，也是首位詳細地推斷宇宙物質大尺度成團現象的天文學家。這是基於假設這種暗物質是由無規速度較低、與正常物質的相互作用微弱、與光之間除引力作用外無反應的基本粒子組成。「冷暗物質」的名稱就是源於這些特徵。

不少皮布爾斯最先提出的重要概念，數十年後被高紅移宇宙的觀測所證實，特別是被近年來宇宙微波背景擾動的角功率譜和偏振的測量所驗證。他的兩本有關物理宇宙學和宇宙大尺度結構的著作，基本上規範了今天這一領域的科學語言，並且指出了，除暴脹概念外，差不多所有該領域的研究方向。皮布爾斯的遠見和領導的關鍵作用使宇宙學由天馬行空的純理論研究，轉變成為二十一世紀初非常精確的科學。

物理宇宙學

3、原初核合成方面的研究

今天，關於宇宙學的共識是，我們生存在一個藍姆達冷暗物質(Lambda Cold Dark Matter)宇宙，或稱ΛCDM的宇宙中，其平坦的空間幾何所需密度，大概有四分之一由普通物質和暗物質組成，其餘的四分之三則由暗能量組成。這個答案在理論上的主要引人之處就在於空間的平坦性是暴脹宇宙的最直截了當的預言，而看上去恰好達到閉合度值的這種精確組合，成了過去十多年來科學上的一大驚奇。

暗物質

皮布爾斯本人關於原初核合成方面的研究，成為以下結論的支柱，能夠發射、散射及吸收光的重子物質，其密度只佔閉合密度值的百分之四或五。由他開始的或促成的對星系、星系群和星系團的動力學方面的先驅性研究，導致今天一致認同的結論，即冷暗物質只約佔宇宙閉合密度的另外百分之二十。

總密度正好等於宇宙閉合密度值的結論，則主要來自近年對閉合密度貢獻微不足道的宇宙微波背景的各向異性小振幅擾動的角功率的測量。這個發現，結合上述其他兩項結論，就得到剩餘的密度值約為總數的四分之三，因為真空儘管沒有物質和輻射，但仍然具有非零能量(暗能量或宇宙學常數)。這種有悖常理的結果相信是因為正負量子真空漲落不能完全抵消所造成的。宇宙學常數Λ(愛因斯坦用語)帶有正能量密度和負壓力，逐漸地導致隨時間加速的宇宙膨脹。正是這種加速，而不是減速膨脹，被獨立的兩天文小組對遙遠超新星的亮度測量所斷言。這項證據，再結合宇宙大尺度結構形成的數值模擬，使藍姆達冷暗物質模型主導了當代宇宙學研究。

未來待解決問題

皮布爾斯在過去十幾年不斷唿籲，提醒大家不要急著就斷言現在已精確地知道了重要的宇宙學參量。他指出，來自現時天文學的限制還尚不足以就接受流行的藍姆達冷暗物質宇宙模型及其相關理論。他認為這些理論也未能圓滿解決星系形成的問題， 也解釋不了為何在宇宙巨洞中沒有矮星系。

實至名歸的盛譽

粒子物理學家也加入辯論，有些人宣稱非零宇宙學常數違反了當代基礎物理學的主要概念。且不管這場辯論的結果如何，歷史將記載過去四十多年所確立的現代天體物理學的重要成果，這包括：宇宙從一個現稱為熱大爆炸的極熱和極高密度的狀態不斷膨脹。該膨脹基本上可用相對論性的弗裡德·勒梅特公式 (Friedmann-Lematre equation)描述。

內容包括：

1、只有最輕的元素才會由熱大爆炸產生；

2、物理學家、化學家和生物學家平常在地球上的實驗室研究的物質只佔宇宙總質能極少部分；

3、熱大爆炸釋放的殘餘輻射現已充斥整個宇宙；

4、該輻射的小擾動反映了宇宙由電離態演變為中性態，以及由光學不透明變為光學透明時物質擾動的分布以及當物質和輻射分離後，微小的物質密度增高因引力而增長，形成今天遍布宇宙的星系和星團。

這是按現代科學的認識描繪宇宙起源和演化的一幅精彩非凡的畫作，每一筆都可以見到詹姆斯·皮布爾斯的神妙功夫。皮布爾斯的遠見和領導的關鍵作用使宇宙學由天馬行空的純理論研究，轉變成為二十一世紀初非常精確的科學。以這成就接受2019年諾貝爾物理學獎的褒獎， 實至名歸，當之無愧!

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