2019諾貝爾物理學獎回顧：皮布爾斯和物理宇宙學

圖1. 諾貝爾獎網站上皮布爾斯（左）、馬約爾（中）、奎洛茲（右）的素描像，圖片來源：Ill. Niklas Elmehed. © Nobel Media

編者按：每年10月，科學界都期待著新的諾貝爾獎的公布。在此作為預熱，我們一起來回顧一下去年的諾貝爾物理學獎。2019年的諾貝爾獎授予了三位天文學家，以表彰他們「使我們理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置方面」的貢獻。其中，美國普林斯頓大學的宇宙學家皮布爾斯（P. J. E. Peebles）獲得一半獎金，以獎勵他在物理宇宙學中的理論發現；瑞士日內瓦大學的馬約爾（Michel Mayor）和瑞士日內瓦大學及劍橋大學的奎洛茲（Didier Queloz）分享了另一半獎金，以獎勵他們發現一顆環繞類似太陽恆星的行星。本文將詳細介紹這三位學者的貢獻。今天推送的上半部分，將為您解讀皮布爾斯和物理宇宙學。（PS：每年諾獎我們都會在第一時間推送解讀文章，今年也不例外，敬請期待！當然，上一年的諾獎結果也為我們排除了一個可能的選項……）

撰文 | 陳學雷（中國科學院國家天文臺）

責編 | 韓越揚 呂浩然

早年經歷

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。

1935年，皮布爾斯出生於加拿大的曼尼託巴省，他的父親經營農產品生意，母親是位家庭婦女。少年時代的皮布爾斯只是個普通的男孩，和父親一樣，他喜歡動手做木匠活、修理機械和園藝，也喜歡滑冰、跳舞。他所在的地區學校沒什麼學業壓力，課上學習的內容也很少，甚至皮布爾斯直到進入大學之後才知道世界上還有三角函數這種東西！

中學畢業後，皮布爾斯進入當地的曼尼託巴大學學習，一開始在工學院學習，準備畢業後當一名工程師。他的工程課程學得不錯，不過在學習過程中他逐漸對物理學產生了濃厚的興趣，因此後來轉為主修物理。這時他已開始展現出了自己的才華，曼大的老師們也注意到了他，有的勸他去普林斯頓大學深造，有的勸他去牛津大學。1958年，他從曼尼託巴大學畢業後，最終選擇了去普林斯頓大學物理系讀研究生。此後，他的一生都在普林斯頓大學渡過[1,2]。

50年代末期，粒子物理的研究正突飛猛進，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。恰在此時，他遇到了一位對他很熱情的老師——羅伯特·迪克（Robert Dicke，1916-1997）。迪克二戰期間從事雷達研究，發明了應用廣泛的迪克輻射計、迪克微波開關等。戰後迪克在脈澤和雷射的發明過程中也有許多貢獻。迪克成為皮布爾斯的導師，也是對他一生影響最大的學者。

圖2. 皮布爾斯的導師迪克，圖片來源：Wikipedia

也正是在那個時期，迪克對檢驗引力理論產生了很大興趣。那時距愛因斯坦提出廣義相對論已經過了四十年，但這期間的廣義相對論研究主要還是一些抽象的數學理論，其實驗證據仍然局限於當年的三大經典檢驗：引力紅移、光線偏折、水星進動，而且測量精度都不高。廣義相對論基礎等效原理的檢驗也並不比19世紀厄缶（Baron Roland von Eötvös, 1848-1919）的實驗結果好多少。

迪克提出要設計更多富有創意的、更精密的實驗，檢驗相對論的基本原理。對於三大經典檢驗，迪克也沒有放過。水星進動是當時對廣義相對論最精密的檢驗，但是迪克指出，如果考慮到太陽不是完美的球形，而是一個旋轉的橢球，可能也能引起水星的進動，因此他開始著手測量太陽橢率。

同時，他也嘗試著提出與廣義相對論競爭的理論，比如一種引力常數可以變化的理論，即所謂Brans-Dicke理論，這個理論直到今天也還被人們作為典型的修改引力理論進行研究。每周五晚上迪克和他的博士後、研究生開組會，討論五花八門的各種巧妙檢驗，從精細的實驗室測量，到太陽和行星的結構，從隕石的同位素成分、到月球雷射測距，其思路之廣闊令人耳目一新。皮布爾斯也被這些組會的活躍氣氛所感染，雖然組會在周五晚上，他卻從不缺席。

此時，普林斯頓物理系還有另一位廣義相對論大家，就是命名了「黑洞&888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 888888; --tt-darkmode-color: 39;dovich）學派也獨立地做出了許多重要發現。不過，皮布爾斯確實是對物理宇宙學的發展貢獻最大的人。

大尺度結構和暗物質

皮布爾斯除了從理論上分析了宇宙擾動的演化外，也開始研究實際的宇宙大尺度結構。在皮布爾斯之前，其實也有一些學者做過大尺度結構的統計分析研究，不過皮布爾斯當時並不了解。他從理論上研究了結構是如何增長演化的，發展出了方格計數、相關函數、功率譜、高階相關函數等許多分析大尺度結構的統計量的計算和測量方法。

他帶著學生，使用裡克天文臺完成了當時最大的星系巡天，並用計算機進行了數據分析。分形理論的創始人曼德布勞特（Benoit Mandelbrot）曾主張星系分布是一種分形。皮布爾斯根據統計分析，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趨於均勻。一部分研究成果收集在他另一本著作：《宇宙大尺度結構》（The large scale structure of the Universe）一書中。

在1970年代初，天文學家們開始認識到，在可被觀測的普通物質之外，宇宙中還存在著大量的暗物質。實際上，早在1930年代，弗裡茨·茲威基（Fritz Zwicky, 1898-1974）已經發現星系團的引力遠大於根據其亮度所做的估計，表明星系團中可能存在暗物質。而在70年代，對星系的觀測表明，星系可見邊緣部分的旋轉速度並不像預期的那樣會降低，而是基本保持不變，暗示在星系可見的部分之外還有不可見的暗物質。

皮布爾斯與耶利米·奧斯特裡克（Jeremiah P. Ostriker）的一項研究對於暗物質也起了非常重要的作用。他們使用計算機，進行了N-體模擬：用一些粒子代表物質，假定它們之間僅存在引力相互作用，看看如何演化。他們發現，按照觀測到的銀河系參數設置的盤狀星系並不穩定，很快就會從盤狀演化成棒狀。要使星系盤具有穩定性（不產生棒），必須假定在盤之外還存在著呈球狀分布的暗物質，也就是所謂暗物質暈。但天文學家現在發現棒旋星系幾乎無處不在，所以從盤穩定性出發得到暗物質存在的證據就顯得有些牽強（屬於歪打正著），但無疑他們的工作在暗物質發現的歷史上起到了推動作用。

圖5. 根據裡克巡天數據繪製的星系分布圖（上）和現代的SDSS-CMASS巡天得到的星系分布圖

圖6. 銀河系想像圖（上）；Peebles & Ostriker (1973）星系N-體模擬，演示了在沒有暗物質暈的情況下盤狀星系是不穩定的（下）

暗物質的概念被接受後，人們開始研究暗物質情況下的星系形成模型。澤多維奇提出了中微子作為暗物質的候選者。但是，由於中微子質量很輕，在宇宙早期它們運動速度很快，這樣它們會把小尺度的原初擾動抹平。因此，在這種所謂熱暗物質模型裡，首先形成的是一些非常巨大的結構，然後這些再分裂成星系。

但是，這種星系演化圖景與觀測差別太大。皮布爾斯則提出了一種基於緩慢運動粒子的冷暗物質模型。在這種模型裡，小的結構首先形成，進而逐漸併合成大的結構，與觀測到的星系形成過程比較一致。如果選取合適的參數，甚至在定量上也和觀測符合得比較好。根據大尺度結構的觀測數據，可以反推宇宙大爆炸時不均勻的程度，皮布爾斯預測宇宙微波背景輻射應該有十萬分之一量級的大尺度不均勻性，這果然被實驗證實了。

到了1990年代，更精密的測量逐漸開始揭示宇宙學中仍存在著巨大的矛盾：暴脹理論預測宇宙是平直的，然而暗物質的密度只有臨界密度的0.3倍左右。最終，暗能量的發現解釋了這個謎。不過，皮布爾斯並沒有完全滿足，他仍在孜孜不倦地繼續研究宇宙學，提出了低紅移重子物質缺失、空洞環境中的星系性質、本星系群中矮星系的運動等一系列可能挑戰現有模型的問題，直到現在仍在繼續進行科學研究。

皮布爾斯對於物理宇宙學的貢獻就介紹到這裡。下半部分，我們再來看看馬約爾和奎洛茲的發現。

作者簡介：1991年復旦大學物理系本科畢業，1994年北京大學物理系碩士畢業，1999年哥倫比亞大學博士。現為中國科學院國家天文臺宇宙暗物質與暗能量研究團組首席研究員，中國科學院大學天文與空間學院崗位特聘教授。主要研究領域為宇宙學、射電天文學。

作者註：本文原發表於《自然雜誌》41卷第6期，391-400（2019），本次的《賽先生》版本除修改了一些筆誤外，還根據維基百科更新了TESS. Kepler 等太空飛行器發現的系外行星數量和所有已發現系外行星總數，並附上了參考文獻。

參考文獻：

[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)