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2019年诺贝尔物理学奖揭晓：加拿大裔美国科学家James Peebles、瑞士科学家Michel Mayor、瑞士科学家Didier Queloz获奖。奖励他们“在增进我们对宇宙演化，以及地球在宇宙中地位的理解方面所做出的贡献”。其中一半奖金授予美国普林斯顿大学的James Peebles，获奖理由是“对于物理宇宙学方面的理论发现。”另一半奖金授予瑞士日内瓦大学的Michel Mayor，以及瑞士日内瓦大学/英国剑桥大学的Didier Queloz，获奖理由是“发现了围绕其他类太阳恒星运行的系外行星”。
今年的诺贝尔物理学奖奖励人类对于宇宙结构与历史方面的崭新理解，以及围绕类太阳恒星运行的系外行星。James Peebles关于物理宇宙学的洞察丰富了整个研究领域并为过去50年间宇宙学领域所发生的深刻变革奠定了基础，将猜想变为了科学。他在上世纪1960年代中期以来所建立的理论框架，已经成为我们理解宇宙的基础。 大爆炸模型描述了宇宙从大约140亿年前诞生开始的历史，当时的宇宙极端高温，密度极大。自那以后，宇宙经历了不断的膨胀，体积变大，不断降温。大约在宇宙大爆炸之后40万年，宇宙开始变得透明，光第一次得以在宇宙间传播。即使在今天，这一古老的辐射仍旧弥漫在我们的周围，并在其中隐藏着许许多多关于宇宙的秘密。借助他所开创的理论工具和计算方法，James Peebles得以解码这些来自宇宙婴儿时期的线索，并发现了全新的物理学过程。 他的研究结果显示，我们所知的宇宙只占到宇宙的5%，它包括了所有的恒星，行星，树木，以及我们。剩余的95%都是未知领域，包括暗物质以及暗能量。这是当代物理学所面临的重大谜团和挑战。 今年的获奖者改变了我们对宇宙的看法。James Peebles的理论发现有助于我们理解宇宙在大爆炸后是如何演化的，而Michel Mayor和Didier Queloz则在寻找未知行星的过程中探索了我们的宇宙邻居。他们的发现永远改变了我们对地球和宇宙的看法。 现代宇宙学揭示了宇宙的历史，以及宇宙中令人意想不到的物质和能量组成部分。与此同时，人们发现太阳远不是银河系中唯一具有行星的恒星。新的发现显示，行星系统具有广泛的多样性。在过去的几十年里，我们对宇宙的理解发生了深刻的变化，也改变了我们对地球在宇宙中所处地位的看法。今年的诺贝尔物理学奖关注的正是这些突破性的发现。 物理宇宙学 天文学家对宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background，CMB）中温度各向异性的测量越来越精确，对宇宙膨胀历史的研究也更加深入，同时对宇宙大型结构的天文观测也越来越详细，这一切都使宇宙学发展成为一门以精确性为标志的科学。 如此令人兴奋的发展之所以成为可能，要感谢过去半个世纪以来，物理学家们在宇宙学理论框架中的突破性发现。今年的诺贝尔奖得主James Peebles在这个领域做出了开创性的贡献。他通过详细的建模，并利用分析和数值方法，对宇宙的基本属性进行了探索，发现了意想不到的新物理学。现在，我们有了一个统一的模型，能够描述宇宙从最初的几分之一秒到现在以及遥远未来的状态变化。
左侧是宇宙未知的起源点，逐渐向右侧扩展，形成一个不断变暗的宇宙。右侧的曲线 1965年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯（Arno Penzias，1933-）（左一）和威尔逊（R.W.Wilson）（左二）无意中发现了大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。他们本想要使用一根大型通信天线进行射电天文学的实验研究，但因不断受到一个连续不断本底噪声的干扰，使得实验无法进行下去。那个噪声的波长为7.35厘米，相当于3.5k温度的黑体辐射，其各向同性的程度极高，而且与季节变化无关。几乎一年，他们想尽办法跟踪和除去这个噪声但丝毫不起作用，便打电话给普林斯顿大学的罗伯特·迪克（Robert Henry Dick, 1916～），向他描述遇到的问题，希望他能作出一种解释。迪克马上意识到两位年轻人想要除去的东西正是迪克研究组正在设法寻找的东西——宇宙大爆炸残留下来的某种宇宙背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖
2006年诺贝尔物理学奖授予了天体物理学中的宇宙学分支。主要表彰约翰·马瑟和乔治·斯穆特在两个方面做出的工作：一是利用cobe卫星精确测量出宇宙微波背景辐射的波长分布的黑体谱形；二是发现宇宙微波背景辐射在不同方向上有着极其微小的温度差异，也就是所谓的各向异性。” 宇宙学红移、微波背景辐射和氦丰度是“宇宙大爆炸”学说的三大支柱。按照大爆炸宇宙论的主要观点，宇宙有过一段由热到冷、由密到稀不断膨胀的演化过程。在大爆炸开始后0.01秒，宇宙的温度约为1000亿度，主要物质成分为处于热平衡状态的轻粒子。随着宇宙的膨胀，温度就不断下降。当宇宙年龄约为38万年，宇宙温度降到3000度左右时，其中带正电的原子核将俘获带负电的电子而成为中性原子，光子因不能与中性原子发生作用而遗留下来，成为保持黑体谱形的背景辐射。此后，中性原子因引力作用而集聚起来，形成恒星、星系，并逐渐演化成我们今天的宇宙。由于宇宙一直在膨胀，遗留下来的背景辐射的波长也随着增长，波长增长相当于等效的温度下降。到了今天，当时3000度的温度就降为今天的2.7度，背景辐射的波长就增长到了微波的范围，因而成为了今天的微波背景辐射。马瑟等直接测出了微波背景辐射的黑体谱形，与大爆炸宇宙学所预言的精确一致。马瑟和斯穆特的研究对象是今天的宇宙微波背景辐射，它反映了宇宙年龄大约为38万年的早期状态。 现代宇宙学建立在爱因斯坦广义相对论的基础上，假设了最初的“大爆炸”时期，当时宇宙极其高温和稠密。大爆炸后不到40万年，宇宙温度下降到3000K左右，电子与原子核得以结合成原子。由于没有留下任何能轻易与光子相互作用的带电粒子，当时的宇宙对光是透明的。这种辐射现在以宇宙微波背景（CMB）的形式出现。由于宇宙学上的红移，CMB的温度目前只有2.7K——自物质和辐射去耦（decoupling）以来，这一系数降低了约1100倍。CMB的来源可以看成一个屏幕，使我们无法轻易地回溯到大爆炸后几百万年以前的时间。 美国恐怖小说作家埃德加·爱伦·坡是最早提出宇宙始于大爆炸这类观点的人之一，他在他的散文诗《尤里卡》（Eureka）中描述称，宇宙是有开端的，以此来解释为什么夜晚的天空是黑暗的。这一问题后来被称为奥伯斯佯谬，由德国天文学家海因里希·威廉·奥伯斯（Heinrich Wilhelm Olbers）于1823年提出，指出若宇宙是稳恒态且无限的话，那晚上应该是光亮而不是黑暗的。在《尤里卡》中，爱伦·坡甚至提出宇宙最初是一个“原始粒子”，然后爆炸了。 1922年，俄罗斯数学家、宇宙学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedman）利用爱因斯坦新提出的广义相对论，首次提出了宇宙膨胀的数学理论。他在1924年进一步发展了自己的理论。1927年，这些观点被比利时天主教神父和天文学家乔治·勒梅特（Georges Lemaitre）重新发现，他后来提出了“原始原子”的概念。勒梅特还认为，星系之间正在相互远离，这一点可以用宇宙膨胀来解释。1924年，瑞典天文学家克努特·伦德马克（Knut Lundmark）获得了类似的观测结果，尽管严密性和精确性有所不足。随着美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在1929年的观测，人们普遍接受了宇宙实际上在膨胀的观点。 通过天文观测，我们了解到以核子形式存在于恒星、气体云等结构中的常规重子物质的数量，不超过目前总能量密度的5%。此外，暗物质占宇宙临界密度的26%。我们也可以称暗物质为看不见的物质，因为它既不发光也不吸收光。到目前为止，天文学家只能通过暗物质的引力效应来了解它。 宇宙中最重要的组成部分是宇宙学常数，它代表了不受膨胀影响的恒定能量密度。宇宙学常数是暗能量的两种模型之一，“暗能量”一词也说明了它随时间和空间变化的可能性。也就是说，暗能量不一定是量子场论中引入的常数，也不一定与真空能量有关。观测结果表明，暗能量约占宇宙临界密度的69%。随着物质的其他成分被膨胀稀释，暗能量将随着时间变得越来越重要（除非它的能量密度开始下降）。 暗能量可以迫使星系加速远离彼此，这一点似乎并不直观，但却是暗能量不寻常属性的直接后果。图2的右半部分显示了宇宙加速膨胀的阶段，星系的数量逐渐稀疏。在图1中，图中间橘红色的“火焰”显示的是大爆炸时期，这暗示着在大爆炸之前，可能还存在一个准备阶段，如膨胀阶段。天文学家假设存在一个快速加速的膨胀时期，这可以解释宇宙的几个特性，比如平坦性。 宇宙的基本组成部分，以及它们之间如何相互作用和演变的方程，构成了大爆炸宇宙学中的索引模型，有时称为ΛCDM（Λ-冷暗物质模型）。其中Λ为宇宙学常数，是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项；CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模型是物理宇宙学的一次胜利，它系统地将物理定律应用于宇宙的演化。该模型最重要的创始人之一便是James Peebles，他出版的三本教科书《物理宇宙学》（1971）、《宇宙的大尺度结构》（1980）和《物理宇宙学原理》（1993）已经成为该领域重要的参考文献。 获奖者简介 James Peebles，1935年出生于加拿大温尼伯。1962年获美国普林斯顿大学博士，现在是美国普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦荣誉科学教授。 Michel Mayor，1942年出生于瑞士洛桑。1971年获得瑞士日内瓦大学博士，现在是瑞士日内瓦大学教授。 Didier Queloz，1966年出生。1995年获得瑞士日内瓦大学博士，现在是瑞士日内瓦大学和英国剑桥大学教授。 |
