2019年諾貝爾物理學(xué)獎給了三位科學(xué)家，分別是詹姆斯-皮布爾斯、米歇爾-馬約爾和迪迪爾-奎洛茲。本期筆者就帶你解讀下獨(dú)占獎金一半的科學(xué)家詹姆斯-皮布爾斯，同時也深度分析一下詹姆斯-皮布爾斯為何能夠獲得諾獎，他的成就對物理宇宙學(xué)有哪些突出的貢獻(xiàn)，以及物理宇宙學(xué)到底是個什么東西。這里簡單介紹下背景，詹姆斯-皮布爾斯的主攻方向是物理宇宙學(xué)，他是加拿大裔美國天體物理學(xué)家，現(xiàn)在是普林斯頓大學(xué)愛因斯坦科學(xué)名譽(yù)教授，生于1935年，從1970年代開始，致力于研究物理宇宙學(xué)，已經(jīng)84歲，50年如一日重現(xiàn)宇宙誕生，今年諾獎實(shí)至名歸。
物理宇宙學(xué)這個學(xué)科是個二級學(xué)科，最大的一個類別叫做天文學(xué)，天文學(xué)是研究天體和現(xiàn)象的自然學(xué)科，凡是地球之外的東西都?xì)w天文學(xué)。天文學(xué)的一個分支叫做宇宙學(xué)，專門研究宇宙起源、演化等問題，因此這個科學(xué)容易出現(xiàn)一些哲學(xué)家，從哲學(xué)的角度看宇宙，帶入了一些宗教色彩，起源于哥白尼時代。宇宙學(xué)的一個分支叫做物理宇宙學(xué)，專門從物理學(xué)理論角度解釋宇宙起源、結(jié)構(gòu)、動力學(xué)等問題，愛因斯坦提出的廣義相對論是物理宇宙學(xué)的開端。
由此看出，物理宇宙學(xué)覆蓋的范圍很大，從宇宙起源到加速膨脹，演化、暗物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)模型等等，都是物理宇宙學(xué)的研究范圍。詹姆斯-皮布爾斯就是這個領(lǐng)域的一員，因此論詹姆斯-皮布爾斯生涯的研究，也是非常廣泛的，因?yàn)槲锢碛钪鎸W(xué)本身就覆蓋了很多的領(lǐng)域。具體來說，物理宇宙學(xué)主要側(cè)重宇宙誕生之后的30至40萬年時期，大爆炸發(fā)現(xiàn)
理論及其標(biāo)準(zhǔn)模型、微波背景輻射、大尺度結(jié)構(gòu)及其演化、暗物質(zhì)暗能量的問題、引力波等，都是物理宇宙學(xué)的研究方向。
在愛因斯坦提出廣義相對論之后，科學(xué)家就在這個基礎(chǔ)之上進(jìn)行補(bǔ)充，1920年代，弗里德曼發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦的宇宙學(xué)解法，描述了弗里德曼宇宙，暗示我們的宇宙可以膨脹和收縮，其幾何形狀可以是開放的，也可能是封閉的。弗里德曼是個俄羅斯宇宙學(xué)家，也是最早深挖愛因斯坦廣義相對論的人，在該理論中建立了數(shù)學(xué)模型。
弗里德曼的方程就是對宇宙加速膨脹的數(shù)學(xué)解釋，那么為什么宇宙會進(jìn)入加速膨脹呢？通過觀測，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)我們的宇宙中有暗物質(zhì)和暗能量，暗物質(zhì)占宇宙質(zhì)能的26%，暗能量占69%，剩下5%是我們可以看到的物質(zhì)，比如星系、恒星、行星等等可見天體。顯然我們的宇宙只展示出5%給人類看，剩余的95%被隱藏起來了。暗能量的存在會迫使星系加速遠(yuǎn)離，這是對愛因斯坦靜態(tài)宇宙的致命一擊。
在愛因斯坦的廣義相對論方程中，有一個宇宙學(xué)常數(shù)λ，這個參數(shù)可讓愛因斯坦的宇宙變成靜態(tài)，符合愛因斯坦的哲學(xué)觀，因?yàn)閻垡蛩固拐J(rèn)為宇宙是靜態(tài)的。但是哈勃在發(fā)現(xiàn)紅移之后，直接槍斃了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙，愛因斯坦也撤回了宇宙學(xué)常數(shù)，認(rèn)為宇宙是動態(tài)的。
但隨著我們對微波背景輻射、宇宙加速膨脹的深入研究，霍金、羅杰-彭羅斯等人發(fā)現(xiàn)，宇宙學(xué)常數(shù)不可能為零，因此愛因斯坦當(dāng)初加入宇宙學(xué)常數(shù)是對的，因?yàn)橛钪嬷羞€有暗能量這個因素在作祟。而基于暗能量表述的宇宙學(xué)常數(shù)的創(chuàng)始者之一正是詹姆斯-皮布爾斯，這就是ΛCDM標(biāo)準(zhǔn)模型。這個英文單詞有兩個意思，第一個Λ，代表宇宙學(xué)常數(shù)，約為0.74，代表宇宙中74%的能量是暗能量，CDM是冷暗物質(zhì)縮寫。1984年，詹姆斯-皮布爾斯將ΛCDM標(biāo)準(zhǔn)模型框架下的宇宙學(xué)常數(shù)重新引入，讓愛因斯坦的廣義相對論平穩(wěn)過渡，與大爆炸理論相吻合，也符合我們對微波背景輻射的觀測結(jié)果，這是詹姆斯-皮布爾斯在物理宇宙學(xué)中最大的貢獻(xiàn)。
根據(jù)物理宇宙學(xué)的描述，我們不難看出這個學(xué)科仍然會出現(xiàn)諾獎得主，ΛCDM標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的宇宙還有暗能量、暗物質(zhì)的介入，這兩個謎團(tuán)仍然人類的知識盲區(qū)。可以認(rèn)為誰要是發(fā)現(xiàn)了暗能量、暗物質(zhì)粒子之謎，獲得諾獎是妥妥的，100%板上釘釘?shù)氖?。綜上，物理宇宙學(xué)從愛因斯坦廣義相對論開始，終極目標(biāo)就是解釋宇宙的誕生、演化以及未來的命運(yùn)，在這條路上的任何一個發(fā)現(xiàn)都有實(shí)力競爭諾貝爾獎。
