现代宇宙学的奠基人—James Peebles

2019 年 10 月 11 日 中国物理学会期刊网

2019年10月8日，瑞典诺贝尔评审委员会将今年的物理学奖颁发给三位天体物理学家James Peebles, Michel Mayor和Didier Queloz。其中James Peebles的获奖理由是他对物理宇宙学理论建立的贡献；而后两位科学家是由于发现首个绕类日恒星运行的系外行星而获奖。相比于后两位获奖者，Peebles获得的更像是一个终身成就奖。鉴于笔者的研究方向同为理论宇宙学，在这里谨结合自身的研究经历谈一谈Peebles对于现代宇宙学的贡献。

James Peebles，1935年生于加拿大温尼伯，现为美国普林斯顿大学教授。主要研究领域是宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构。按照其研究课题的时间脉络，我们要先从他1958年在家乡获得学士学位，来到普林斯顿大学师从著名的Robert Dicke（图1）说起。他的这位导师正是第一个修改引力理论的“Brans-Dicke引力理论“的创立者。除此之外，Dicke同时也是一位出色的实验家/观测家。他在1946年发明了射电观测中常用的辐射计—Dicke radiometer。这也为后面宇宙微波背景辐射的发现打下了基础。

图1. Robert Dicke一家

1965年贝尔实验室的两位年轻的天文学家Arno Penzias和Robert Wilson利用液氦冷却技术研制了当时最先进的射电信号接收器。在调试天线的过程中，他们发现存在一个全天各向同性的、稳态的“噪音”。这个“噪音”的大小远在天线接收机的系统噪音之上。根据计算，这个“噪音”对应于一个温度为3.5开尔文的黑体谱辐射。

一位在MIT的朋友得知此事后，跟Penzias打了一通电话，并给后者送来一份Peebles尚未发布的预言微波背景辐射的文章。【注：Gamow早在1953年就预言了宇宙微波背景辐射的存在，当时的估计是温度为7开尔文。据声称，由于当时宇宙大爆炸的思想太过超前，不久就被人们遗忘。以至于Peebles在1965年又重新推导了“宇宙微波背景辐射的存在”的结论，计算结果是“温度为3开尔文”。】看到文章后，Penzias给同在新泽西的Dicke打电话，告诉了后者他们发现“残存的射电辐射也是3开尔文”。于是，Dicke就和Wilkinson等人一起到了贝尔实验室，看了他们的数据和实验细节。【注：这里的Wilkinson正是WMAP卫星项目的打头字母W，为了纪念为项目作出巨大贡献但不幸在项目刚开始就辞世的Wilkinson。】

图2: Wilkinson（左）和Peebles (右)

当Dicke等人确认Penzias和Wilson的数据无误的情况下，他们商量同时发表两篇文章。第一篇是Dicke, Peebles, Roll和Wilkinson的题目为 ”Cosmic Black- Body Radiation”的文章；第二篇Penzias和Wilson的文章题目则起的相当的内敛，名叫”A Measurement Of Excess Antenna Temperature At 4080 Mc/s”。结果如大家所知，后者赢得了1978年的诺贝尔物理学奖。

Peebles对于宇宙微波背景辐射领域的贡献不止于此。70年代，他同他的学生又发展了“重子声学震荡”理论（图3），为后来的宇宙微波背景辐射的各向异性测量打下了坚实的理论基础。之后，经过二三十年的发展，随着COBE、WMAP、Planck一系列的卫星、气球、地面项目的进行，宇宙微波背景辐射的各向异性测量已经成为宇宙学领域中最为重要、最为精确的测量手段。可以毫不夸张地说，正是宇宙微波背景辐射测量将宇宙学带入了“精确”宇宙学的黄金时期。值得一提的是，我国目前也在西藏阿里进行我国首个地面微波背景偏振测量观测——阿里原初引力波项目。

图3: Peebles和Yu（1970年）第一次计算了微波背景辐射的角功率谱

Peebles在80年代的研究兴趣转入到星系、暗物质在时间长时标和空间大尺度上的“结构形成和演化”的题目上来。在笔者看来，其最大贡献在于“将宇宙极早期的高能物理过程与星系形成和结团的天体物理过程联系起来”，这对于现在所为人们熟知的宇宙学标准模型（LCDM）的建立起到了关键作用。举一个例子：就笔者所知，现在宇宙学研究当中所常用的术语Sigma8，最早就是由Peebles在80年代引入的，其表示物质线性扰动在8百万秒差距的空间尺度上的平均值。其实这个平滑尺度（如：8百万秒差距）是可以在一定范围内任意选取的。而事实是，自从Peebles在83年的论文中第一次选取这个数值之后，30多年间宇宙学领域都在沿用这个惯例，直至现在。

Peebles对于大尺度结构形成的另外一个贡献在于"将统计方法引入到大尺度结构形成领域中来"。这里，以Bertschinger在1998年发表在Annu. Rev. Astron. Astrophys.为例，他总结了“星系/（暗）物质结构形成的统计分析方法”，如图4。像物质功率谱、双谱、多点相关函数等统计概念，都是最早由Peebles在80年代引入宇宙学的。

图4：Peebles 在80年代将统计分析引入到宇宙学研究当中。

这些概念的引入，极大地推动了星系巡天研究方向的发展。以斯隆数字巡天为例，经过多年的观测，该项目已经得到了5亿多张星系的图像和不少于4百万条光谱。试想如果没有统计方法的引入，我们是无法参悟这浩瀚宇宙的馈赠于我们的天书。正如，笔者的一位同事在得知Peebles获奖之后在朋友圈里的留言所说“记得大概10年前组会讨论上大家讨论一篇Peebles写的比较“奇怪”的文章，我导师的评论原话：Peebles以前和他一个办公室，他是个God，他写的东西一般大家5到10年后才能意识到。所以你们必须好好读他paper”。

2019年10月8日夜写于日本-京都-芝兰会馆-别馆

作者介绍：胡彬北京师范大学天文系教授，中国科学院理论物理所博士毕业

本文经授权转载自《中国科学院理论物理研究所》微信公众号

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