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。右侧的曲线指示背景辐射

　　新浪科技讯 北京时间10月8日晚间消息，瑞典皇家科学院刚刚宣布，2019年度诺贝尔物理学奖将奖励“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”。

　　第一部分：物理宇宙学

Peebles和Jer Yu论文中给出的平坦宇宙的功率谱，显示了声波峰值

　　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。

　　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。

普朗克卫星测量的CMB温度分布的各向异性情况。声学峰值清晰可见；

　　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。在图1中，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。

CMB中“点”的张角大小是由宇宙的几何形状决定的

　　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1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。

　　物理宇宙学的诞生

　　20世纪40年代末，拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher）、罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）和乔治·伽莫夫（George Gamow）建立了一个大爆炸的粗略模型。他们工作的一个主要目的是解释元素的起源。叶夫根尼·利夫希茨（Evgeny Lifshitz）和伽莫夫也在早期尝试了解星系的形成。伽莫夫使用了由英国物理学家詹姆斯·金斯（James Jeans）提出的“金斯长度”，这个长度决定了一个物体需要多大的半径才会在引力作用下坍缩。1948年，伽莫夫提出，只有当辐射的密度大致等于物质的密度时，宇宙结构才会开始形成，并发现这种情况应该在几千度的温度下才会发生。同年，阿尔菲和赫尔曼提出，目前的宇宙温度应该在5K左右。当时只有少数物理学家认为由此产生的辐射可以被观测到，安德烈·多罗什克维奇（Andrei Doroshkevich）和伊戈尔·诺维科夫（Igor Novikov）便是其中之二。

　　1965年春天，宇宙学发生了翻天覆地的变化。阿诺德·彭齐亚斯（Arnold Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在5月13日发表于《天体物理学快报》（Astrophysical Journal Letters）上的一篇论文中，描述了他们发现的宇宙背景辐射，后来他们因此获得了1978年诺贝尔物理学奖。这一发现出乎很多人的意料。在与普林斯顿大学的团队（由Robert Dicke、Peebles、Peter Roll和David Wilkinson组成）联系之后，彭齐亚斯和威尔逊才明白了其中的宇宙学解释，并在同一卷杂志的另一篇论文（日期是5月7日）进行了描述。史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）在《最初的三分钟》（The First Three Minutes）一书中讲述了彭齐亚斯和威尔逊在偶然间接触到年轻的天体物理学家Peebles的过程。

　　虽然Robert Dicke的团队没有第一个提出宇宙微波背景辐射的存在，但他们的论文更进一步，讨论了宇宙初始高温状态的原因，这可以解释宇宙背景辐射。其中的关键在于温度和物质密度之间的联系，这决定了氦的产量。物质密度很重要，尤其是在温度下降到足以破坏产生的氘时，并防止其变成氦的时候。宇宙密度越大，氦就越多。Peebles对这些观点进行了详细阐述，并由其他作者跟进。这种原始核合成理论与过去几十年的工作有很大不同，当时人们认为大爆炸也可能产生较重的元素。

　　早在1965年发表的里程碑论文中，Peebles 等人就基于观测到的宇宙温度，讨论了宇宙中重子物质（即由能参与元素形成的核子组成的物质）数量的限制。这是大爆炸模型的支柱之一。作者们还指出，天文学家观测到的实际物质量要比预测的大得多，需要大量的外来物质来填补这一空白。

　　其中一项重要贡献是Peebles在同一年（1965）发表的另一篇论文。他于1965年3月8日将其提交给《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal），于6月1日进行了修改，并于11月15日发表。论文摘要的第一句话写道：“星系形成的一个关键因素可能是宇宙中黑体辐射的存在。”这项工作，连同已故俄罗斯宇宙学家雅可夫·泽尔多维奇（Yakov Zeldovich）所做的贡献，可以被视为物理宇宙学的起点。在这个新领域中，物理学定律适用于整个宇宙。从这一时刻开始，宇宙学成为了一门精确科学，而且是发现新物理学的工具。

　　物理宇宙学逐渐完整

　　第一个预测背景辐射各向异性的研究人员是赖纳·萨克斯（Rainer Sachs）和阿瑟·沃尔夫（Arthur Wolfe）。他们的概念很简单：引力势的变化会影响观测到的宇宙微波背景辐射的温度。首先，当光子爬出其引力势时，密度过高的区域会使其降温，从而导致温度的相对下降。其次，当我们回溯一个更早、更热的宇宙时，光子在最后一个散射表面去耦时，发生了时间膨胀，导致了温度升高。萨克斯和沃尔夫未能提出一个关于这些温度波动如何产生的理论，但他们的工作启发了后来者开发出了新的观测技术，发现了这些变化——称为萨克斯-沃尔夫效应。

　　萨克斯-沃尔夫效应决定了大尺度宇宙微波背景中各向异性的数量。在小尺度上，物理学变得更加复杂。密度的初始波动将导致“声波”（重子物质的规则周期性密度涨落）在耦合光子和重子的热等离子体中传播，从而在CMB中留下印记。Andrei Sakharov第一个讨论了声波的重要性，但只是在没有光子的冷模型中。早期有类似想法的人还有Peebles和Zeldovich。Joseph Silk在1968年提出了一个重要的大概结果，当时他意识到，CMB各向异性的振幅由于散射而在小尺度上受到了抑制。

　　通过Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich，以及Peebles和Jer Yu的研究，人们对声波及其在微波背景辐射功率谱中产生的峰值有了突破性的认识。Sunyaev和Zeldovich解释了声波峰值背后的物理现象及其周期性。Peebles和Jer Yu则有不同的关注点，他们使用数值方法来计算和预测可测量的参数。他们在论文中计算出了不同宇宙学参数下密度波动的功率谱。特别是，他们提出的声波峰值曲线（图3）与普朗克卫星40多年后的实际测量（图4）结果非常相似。

　　物理宇宙学渐趋成熟

　　研究人员很早就意识到宇宙中可能存在某种未知组成成分。最早的证据来自Lundmark对于星系中恒星运动的研究。基于他的观测，他意识到有必要引入相当数量的“Dunkle Materie”，这是德文，意思是“暗物质”。数年后，Fritz Zwicky在研究后发座星系团的运动时，也得到了相同的结论。

　　之后，Vera Rubin和Kent Ford以及其他人获得了星系自转运动曲线。对于这一领域的一项重要贡献是由Jeremiah Ostriker 和 Peebles取得的，他们的研究发现，我们银河系的银晕内必须含有大量暗物质，才有可能确保扁平的银盘能够稳定存在。这项发现对于后来的研究是一项重要启迪。以中微子，或者其他弱相互作用粒子构成的暗物质帮助促进了物质的形成，使后者得以在连辐射都还没有完全解耦的使其便开始聚集。

　　以光和快速移动中微子形式组成的热暗物质使得结构最先在大尺度上开始形成。不幸的是，这一点与观测结果并不吻合，这就导致物理学家们开始寻求探索其他更加奇异的可能性，并最终被归类为“温暗物质”。在上世纪1980年代，宇宙学出现一次危机。基于开放宇宙假说，宇宙密度按照低于临界密度计算，得到的各向异性数据与观测不符。如果宇宙的确是开放的，那么各向异性应该已经被发现了。但是却并未看到任何这样的迹象。另一方面，如果普通物质的密度接近临界密度，那么我们根本不可能观测到我们今天所看到的那些星系，因为它们根本不可能形成。

　　除此之外，为了让理论得到的轻元素预测值准确，现存的普通物质的量不可以超过已经被发现的数量。Peebles在冷暗物质方面的开创性工作就在于，他最早设想了非相对论性，也因此是冷的暗物质，以及他在结构形成方面的作用。通过引入非相对论性粒子构成的冷暗物质模型，他成功将CMB中的各向异性应用于解释宇宙中的大尺度结构。尤其，在他1982年发表的文章里，Peebles对温度各向异性做了预测，并在数年后得到了COBE卫星的观测证实。在1980年代中期，这一理论由其他科学家做了进一步的发展和丰富。

　　1984年，Peebles采取了下一个关键步骤，他重新引入了此前已经被抛弃的宇宙常数。在过去的半个世纪里，大多数理论学家都认为这个参数是多余的，但Peebles认为它在宇宙结构形成方面是有意义的。当时Peebles是受到了宇宙暴涨理论，以及该理论导出的宇宙临界密度，以及平直性等相关思想的启发。

　　由于实际测量到的物质密度远小于宇宙达到平直性所需的门槛，宇宙常数的引入或许可以些许弥补这一赤字。尽管也有其他一些研究简单提到了宇宙常数问题，但是只有当该理论与Peebles在1984年引入的冷暗物质理论相结合时，结构形成问题才能得到很好的解释。宇宙常数的引入将起到帮助作用的问题还有其他，比如说所谓的“年龄问题”，简单说就是宇宙中一些恒星的年龄估算值超过宇宙年龄的现象。如果宇宙是平直的，那么它将会逐渐减速，几乎是爱因斯坦静态宇宙论的苍白重复。

　　因此，假定将暗能量的问题忽略，那么宇宙的估算年龄将会更大。到1984年时，宇宙标准模型中所需的所有组成部分都已经到齐了，其背后正是Peebles所发表的两篇关键性论文的结合。他所取得的这些突破，比观测宇宙学决定性地确认宇宙存在加速膨胀现象早了10年以上，也比温伯格基于人择原理阐述的相关论述要早5年左右。

　　利用星系的存在这一事实作为约束条件，温伯格认为，宇宙常数的值最有可能和接近或小于来自其他物质成分的贡献。在1990年代中期，有必要引入宇宙常数的证据变得越来越强烈。1995年，Jeremiah Ostriker 和Paul Steinhardt引入了“一致宇宙学”的概念，用于总结如何将宇宙学各部分的“拼版”组合到一起。当时，在观测宇宙学领域取得了两项重要发现。

　　1992年，CMB中难以察觉的各向异性终于被COBE卫星首次观测到，也因此，John Mather 和George Smoot两人被授予了2006年诺贝尔物理学奖。1998年，宇宙加速膨胀现象被发现，当时用的方法是利用亮热核超新星作为距离测量标定，也因此，Saul Perlmutter， Brian Schmidt 和 Adam Riess被授予了2011年的诺贝尔物理学奖。

　　更多观测证据

　　大约是本世纪初，观测宇宙学经历了一场深刻变革。地基和搭载在气球上实施的实验，比如TOCO，以及BOOMERanG，以及Maxima等实验，在角分辨率上实现了大的提升，从而在CMB能谱中辨认出首个声学峰值，从而提供了宇宙平直性的首个观测证据。

　　这些实验观测的仅仅是天空中的一小部分，直到2001年威尔金森各向异性探测器（WMAP）的发射，开始进行对全天CMB各向异性的观测。这项为期9年的观测任务革命性的提升了对于早期宇宙的测量精度，也让宇宙学标准模型经受了一次严苛的检验。温度强度分布图和偏振测量被用于精确测算重子物质，暗物质以及暗能量各自所占的比重，以及宇宙的整体几何学形状。

　　除此之外，这些数据对于限定中微子总质量，并且验证了暴涨理论给出的，除了平直性之外的一项关键性预测，即大尺度上温度震荡要比小尺度上的相应震荡要稍稍更明显一些。2009年升空的普朗克卫星在太空持续运行了4.5年，它将观测宇宙学的精度再次提升到了一个崭新高度。普朗克卫星有9个工作频率，其角分辨率可以达到10角分，而温度分辨率更是可以高达100万分之一。这颗卫星对宇宙标准模型中的所有参数都进行了精度前所未有的测定。

　　这些精准的数值是从图4所示的能谱中提取出来的。比如说，我们现在知道宇宙的年龄大约是138亿年，误差小于1%。对于宇宙的成分密度，也进行了精度相近的测量。当将这些测量数据与超新星，以及大尺度结构观测结果相互结合相互印证时，暗能量随时间演变的估算误差将会被大大限定，也因此，宇宙常数Λ的测定是具有非常坚实的观测基础的。相似的，暗物质的统计证据超过了100个标准差，这是物理宇宙学的一项重要胜利。

　　关于声学峰值的物理学总结

　　在仔细审阅图4中的声学峰，尤其是前三个峰值之后，现代宇宙学的所有关键元素都将显现。正如我们所见的那样，这些峰值的结构细节取决于组成宇宙的物理成分。这一结构的张角大小，尤其是第一个峰值出现的位置，是由宇宙的几何形状决定的。正如图5中所显示的那样，如果宇宙拥有正曲率，则CMB中的“点”看上去将会更大一些，类似一个球体，而如果曲率为负，那么看上去则会显得小一些，类似一个马鞍。而实际的观测结果显示，我们所处的宇宙似乎相当平直，其密度参数接近临界值。

　　第一个出现的峰值，以及所有异常峰值，都是重子物质向引力势井中跌落所产生的。偶数数量的峰值对应于辐射被反弹回来时所产生的减压效应。重子物质越多，其坠入引力势井的深度就越深，相应的，第一个峰值相较于第二个也就要愈发明显得多。而第一个和第二个峰值之间差异程度暗示，重子物质大约只占到宇宙密度的5%左右。较高的峰值对应于更多的震荡，也相当于回溯到更早的时间，那时候辐射占据有更加关键的作用。

　　尤其是，第三个峰值对应的是减压之后的再次压缩，紧随其后的是另一次由光子-重子流体所导致的压缩。暗物质在第一次压缩之后不会反弹回来，因为辐射不会对它产生影响。因此它可以为重子物质的第二次坠落提供引力势井。这就意味着暗物质加强了第三个峰值。对其测量结果显示，暗物质大约占到宇宙的26%。

　　我们现在可以进行一项简单的计算来确定宇宙中暗能量的比重。第一个峰值告诉我们宇宙是接近平直的，因此计算的总和应该是1。因此：ΩΛ = 1 − 0.05 − 0.26 = 0.69，这就是说，宇宙中有69%的成分是暗能量，这与经由对宇宙膨胀的直接测量结果相吻合。

　　展望

　　除了在解释宇宙结构和演化方面所取得的巨大成功，精确的宇宙学同时也是发现新的物理学的一种工具。我们仍然尚未理解宇宙常数背后的物理学。或许这一数值并非常数，也或许随着时间而改变的暗能量在宇宙的演化过程中起到了关键性作用。Peebles已经考虑到了这种可能性。

　　除此之外，我们对于暗物质的本质也同样是一无所知。比较流行的理论包括认为它是由一种全新粒子所构成，比如某种已知粒子的超对称粒子，或者干脆是某种此前完全未知的，理论上存在的粒子，比如所谓“轴子”（axion），这种设想中的粒子可以用来很好的解释强核力现象。但是直到这样一种粒子真的被找到之前，我们还无法确认目前并存的几种关于冷暗物质本质的理论中，究竟哪一种才是正确的。

　　他的理论与观测的吻合程度令人震惊，并且其所用到的参数数量非常少。但是，到目前为止，仍然存在难以得到圆满解释的现象。比如对晚近宇宙中哈勃参数的测量结果，与根据宇宙微波背景辐射（CMB）理论给出的预测值之间并不完全吻合。这其中究竟存在什么问题？目前我们并不知晓。或许这是测量中产生的系统性误差，但也可能新的物理学中仍然有隐藏着的，我们目前尚未可知的部分。物理宇宙学，游走于理论与观测之间，构成了一个极为成功的故事框架，在过去的50年间改变了我们对于宇宙的认识。

　　曾几何时，宇宙学是一门充斥着没有坚实依据的猜想，数据也少得可怜。但今天，宇宙学已经成长为一门精确的数学科学，愈发精确的观测数据正发挥关键性作用。发现的时代并未终结。随着测量精度越来越高，我们将有可能发现全新的，此前未能预料到的现象。物理宇宙学将为我们带来更多惊喜，而Peebles正是那个将我们引向发现的领路人。

　　利用多普勒效应测量径向速度的原理。恒星和绕轨道运行的行星围绕其共同的质量中心移动，由于恒星摆动导致多普勒频移。当来自内部的辐射经过恒星大气层时产生的恒星吸收线将会红移和蓝移，这取决于恒星是离开还是朝向地球。这些多普勒频移提供了行星围绕恒星的轨道周期的信息，也设置了一个较低的质量极限。