「物理宇宙學的理論研究」到底說了啥?

2020-12-06 騰訊網

文章來自「科學大院」公眾號

作者：陳學雷

2019年的諾貝爾物理學獎揭曉了，三位獲獎者分別是詹姆斯·皮伯斯（James Peebles）、米歇爾·梅厄（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）。皮伯斯獲獎的理由是物理宇宙學的理論研究，而另外兩位因發現第一個圍繞類日恆星運行的系外行星而獲獎。

（圖片來源：www.nobelprize.org）

「系外行星我似乎知道，但是『物理宇宙學的理論研究』到底說了啥？「帶著這樣的疑問，大院er採訪了中國科學院國家天文臺的陳學雷研究員。（以下根據採訪錄音整理）

1. 皮伯斯做了哪些重要工作？

他提出了宇宙微波背景輻射和宇宙大尺度結構形成的理論。

宇宙大爆炸理論是伽莫夫和勒梅特提出的。大爆炸模型描述了宇宙的原初時刻，大約140億年前，當時宇宙非常熾熱、密度非常高。從那以後，宇宙一直在膨脹，變得越來越大，越來越冷。但是，其中的物理過程究竟是什麼樣子沒人知道。

上世紀60年代，Peebles進入這個領域，在普林斯頓大學研究小組裡做了相關的理論計算，預測在宇宙大爆炸時會產生一種光子，遺留到今天就是宇宙的微波背景輻射。雖然他並不是第一個提出這一理論的人（伽莫夫等人之前已經提出類似觀點），但是皮伯斯把計算方法、具體的結果進行了深入研究。

同時，皮伯斯發展了一整套理論來描述宇宙的演化過程，這有助於解釋宇宙大尺度結構的形成，比如星系怎麼形成、星系的分布疏密等問題。

使用他的理論模型，可以預測宇宙的形狀以及其中所包含的物質和能量（下圖）。他的計算與之後的背景輻射測量非常吻合。從三個峰中可以得出結論，如果宇宙的31％（5％+ 26％）由物質組成，那麼69％必須是暗能量才能滿足對平坦宇宙的要求。

宇宙微波背景輻射（圖片來源：https://www.nobelprize.org）

2. 您覺得皮伯斯的貢獻是什麼？

他在物理宇宙學領域裡做了很多基礎性甚至是創始性的研究，幾乎相當於開山祖師。

我們可以打一個比方，比如描述炸彈爆炸的過程，我們需要弄清楚發生了怎樣的化學反應、氣壓怎麼增高、如何驅動內容物產生衝擊波……，而宇宙大爆炸理論也是類似，雖然沒有衝擊波，但是也同樣有輻射的演化、物質在輻射的作用下運動。

（圖片來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences）

皮伯斯的貢獻是提出了大爆炸的具體物理過程，找到了錯綜複雜物理過程中的關鍵因素，推演了宇宙演化的物理過程。也就是說，他的研究告訴我們宇宙為什麼會是今天這個樣子，也能夠幫助我們預測宇宙將會走向何方。

作者單位：中國科學院國家天文臺

文章首發於科學大院，轉載請聯繫cas@cnic.cn

科學大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力於最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學發聲。

相關焦點

  • 2019諾貝爾物理學獎回顧：皮布爾斯和物理宇宙學
    宇宙學曾經主要是一些簡單的哲學思辨、高度簡化和抽象的數學理論，加上一點經驗性的天文測量。而在皮布爾斯等人的努力下，它逐漸發展成了一個有大量實驗相互驗證的物理理論。，皮布爾斯最初也想研究粒子物理，不過系裡的粒子物理學家們對當時只是個普通學生的皮布爾斯反應平淡。
  • 理論物理專業是個啥?
    可以看得到，隨著我國國民實力的增強，社會經濟的發展，科學技術的進步，造原子彈不如賣茶葉蛋的時代一去不復返，從事科學研究職業的價值與社會地位已今非昔比，科學家作為能夠影響未來的潛力股，在當今社會越來越佔有舉足輕重的地位。在這裡，咱就初步介紹一下物理學中最具獨特魅力的分支——理論物理學。 理論物理學是個啥？
  • 梅曉春:愛因斯坦時空引力和宇宙學理論基礎存在嚴重缺陷
    這種對愛因斯坦理論不容置疑的態度已經嚴重地影響了科學的正常發展，言路堵塞的結果已經對物理學自身造成傷害。當前理論物理學的發展出現嚴重的方向性偏差，引力與宇宙學前沿研究中充斥著各種各樣的奇談怪論，物理學家們正以科學的名義談論非科學的問題。數學的繁複掩蓋了物理的空虛，形式的抽象粉飾了本底的醜陋，匿造的東西到處流行，探索的美名之下進行著無聊的遊戲。怪誕與悖理成為常態，神秘與玄學成為時髦。
  • 2019諾貝爾物理學獎回顧：皮布爾斯和物理宇宙學 | 賽先生
    皮布爾斯的貢獻在於物理宇宙學。宇宙學曾經主要是一些簡單的哲學思辨、高度簡化和抽象的數學理論，加上一點經驗性的天文測量。而在皮布爾斯等人的努力下，它逐漸發展成了一個有大量實驗相互驗證的物理理論。宇宙學曾經主要是一些簡單的哲學思辨、高度簡化和抽象的數學理論，加上一點經驗性的天文測量。而在皮布爾斯等人的努力下，它逐漸發展成了一個有大量實驗相互驗證的物理理論。
  • 2019物理諾獎現新穎組合,Peebles奠基現代宇宙學實至名歸
    今年的物理諾貝爾獎是一個非常新穎的組合。James Peebles的研究領域是理論物理宇宙學。而兩位天文學家Michel Mayor和 Didier Queloz通過恆星光譜分析，首次探測到太陽系外行星的存在，從而開創了一個全新的研究領域，即大規模的太陽系外行星搜尋。
  • 宇宙學中的超光速
    物理宇宙學是一門年輕的科學。儘管從遠古時代開始，人們就對茫茫宇宙充滿了猜測和幻想，但是將我們這個浩瀚宏大獨一無二（？）的宇宙作為一個物理系統來研究，繼而形成了一門現代科學，卻只是近100年左右的事情。這個推動力來自理論和實驗兩個方面：愛因斯坦的廣義相對論和哈勃的天文觀測結果。
  • 系外行星和宇宙學研究先驅共享諾貝爾物理學獎
    」斯德哥爾摩大學的分子物理學家、2019年諾貝爾物理學獎委員會主席Mats Larsson在揭曉獲獎者時說。「這是早就應當頒發的獎項。」巴黎天體物理研究所的天體物理學家François Bouchet如此評論Peebles的獲獎。他說Peebles幾乎在宇宙學的所有分支上都留下了印記，他使用基於物理學的計算，幫助為這一學科打下了堅實的基礎。
  • 宇宙學基本理論之一出現問題,如被推翻,宇宙學的很多理論將落空
    波恩和哈佛大學的研究引起了人們對宇宙學基本理論的懷疑。無論我們在哪裡看，相同的規則都適用於太空中的每一個地方，無數天體物理學計算都基於此基本原理。但是，波恩和哈佛大學最近的一項研究使這一原則受到質疑。如果測量值得到確認，這將使有關宇宙性質的許多假設落空。
  • 現代宇宙學的開端
    愛因斯坦認為雖然牛頓的引力理論在大多數情況下是成立的，但是卻存在概念上的錯誤，即引力並非如牛頓所說的物質間產生的吸引性質，而是物質與時空相互作用的結果。講真，愛因斯坦本人就是這麼做的，當愛神把廣義相對論應用到整個宇宙的時候，他便遇到了讓他困惑的問題，這也就是開頭提到的那篇奠定現代理論宇宙學根基的論文。
  • 俄新研究顛覆宇宙學理論
    這項研究的論文作者，俄羅斯康德大學物理、數學與信息拓撲學研究所的研究人員Artyam Yurov和Valerian Yurov認為，宇宙中的所有事物，包括宇宙本身，都應被視為量子的。觀點得出這個驚人結論的：基於麥可和霍爾提出的量子模型，我們提出了關於宇宙學的新觀點。
  • 狄拉克談理論物理研究方法
    「理論物理研究方法」節譯自科學出版社1989年出版的《From a life of physics》。為不失原文風格，下文仍採用狄拉克的第一人稱表述。我試圖給你們一個概念，即理論物理學家如何工作-如何努力著手去研究，以便更好地了解自然規律。
  • 理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展
    理論物理所在原初黑洞暗物質研究中取得進展 2020-06-23 理論物理研究所 【字體：　　宇宙學和天文學觀測表明，宇宙中存在大量的暗物質，約佔宇宙全部物質的85%。不同於其他約佔15%的普通物質，暗物質的本質依然是當前基礎物理中最大的謎團之一。儘管弱相互作用大質量粒子（WIMP）被認為是暗物質的一個重要的候選者，但是大量的實驗觀測都沒有發現它們存在的證據。相反地，它們賴以存在的理論參數空間正在被迅速壓縮。原初黑洞最早由霍金以及卡爾在上世紀七十年代初提出。
  • 新晉諾獎物理和化學獎得主在研究啥？他們的科普書透露了
    《新物理狂想曲》作者：[英]羅傑·彭羅斯著名物理學家兼暢銷作家羅傑·彭羅斯指出，時尚、信仰和想像儘管有時能在物理學中開花結果甚至缺一不可，卻正在三個最重要的領域——弦論、量子力學和宇宙學中將今天的研究者引向歧路。
  • 20世紀:宇宙學的一個世紀
    宇宙學並不是從某些人大腦中憑空誕生的一門玄之又玄的學問，而是一門有著堅實的觀測數據和可靠的物理理論作為基礎的觀測科學。現代宇宙學是在現代物理學的兩大支柱——相對論和量子力學的支持下誕生的，隨即得到天文望遠鏡製造技術與天文觀測技術的發展帶來的數據支持。
  • 中國科學家提出宇宙學新模型—新聞—科學網
    中國科學家提出宇宙學新模型
  • 理論物理考研之可行性報告
    目前，各個院校的理論物理的研究方向及名稱不盡相同，但總體而言，理論物理研究範圍主要包括粒子物理和量子場理論、超弦理論和場論、引力理論和宇宙學、統計物理和理論生命科學、生物物理學、原子核理論、量子光學、等離子體理論等。 粒子物理和量子場理論：粒子物理學是研究物質微觀結構及基本相互作用規律的物理學前沿學科。
  • 2016考研專業:理論物理專業
    本文為大家介紹理論物理專業。它既是物理學的理論基礎, 又與物理學乃至自然科學其它領域的很多重大基礎和前沿研究密切相關。其研究領域涉及粒子物理與原子核物理、統計物理、凝聚態物理、宇宙學等，幾乎包括物理學所有分支的基本理論問題，它將推動整個物理學乃至自然科學向前發展。
  • 高能物理粒子對撞機是個啥
    一部數萬字的網文，充滿了學術名詞，跨越了近兩百年的物理、高能物理發展進程，可以說是一篇經典的、深入淺出的入門級的高能物理教科書了，毫無疑問是位專業人士和團隊的嘔心瀝血之作。那麼到底文中所爭論的核心的粒子加速器到底是個啥呢，高能物理到底研究什麼呢。這個的確很高深莫測。簡單的說，我們想知道物質是由什麼組成的？比如，分子是有什麼組成的，原子內部是什麼？
  • 科學到底在玩啥？
    打個比方，人類研究實物粒子，在研究到電子，中子，質子的時候，人們歡欣鼓舞，太好了，就這三種小球，就可以構造整個世界了，符合科學的簡單性。但再往下研究，完了，打開了潘多拉的魔盒，什麼介子，中微子，超子，共振態，一大堆，呼啦一下出來了。