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“物理宇宙学的理论研究”到底说了啥?

来源:QQ快报
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文章来自“科学大院”公众号

作者:陈学雷

2019年的诺贝尔物理学奖揭晓了,三位获奖者分别是詹姆斯·皮伯斯(James Peebles)、米歇尔·梅厄(Michel Mayor)和迪迪埃·奎洛兹(Didier Queloz)。皮伯斯获奖的理由是物理宇宙学的理论研究,而另外两位因发现第一个围绕类日恒星运行的系外行星而获奖。

(图片来源:www.nobelprize.org)

“系外行星我似乎知道,但是‘物理宇宙学的理论研究’到底说了啥?“带着这样的疑问,大院er采访了中国科学院国家天文台的陈学雷研究员。(以下根据采访录音整理)

1. 皮伯斯做了哪些重要工作?

他提出了宇宙微波背景辐射和宇宙大尺度结构形成的理论。

宇宙大爆炸理论是伽莫夫和勒梅特提出的。大爆炸模型描述了宇宙的原初时刻,大约140亿年前,当时宇宙非常炽热、密度非常高。从那以后,宇宙一直在膨胀,变得越来越大,越来越冷。但是,其中的物理过程究竟是什么样子没人知道。

上世纪60年代,Peebles进入这个领域,在普林斯顿大学研究小组里做了相关的理论计算,预测在宇宙大爆炸时会产生一种光子,遗留到今天就是宇宙的微波背景辐射。虽然他并不是第一个提出这一理论的人(伽莫夫等人之前已经提出类似观点),但是皮伯斯把计算方法、具体的结果进行了深入研究。

同时,皮伯斯发展了一整套理论来描述宇宙的演化过程,这有助于解释宇宙大尺度结构的形成,比如星系怎么形成、星系的分布疏密等问题。

使用他的理论模型,可以预测宇宙的形状以及其中所包含的物质和能量(下图)。他的计算与之后的背景辐射测量非常吻合。从三个峰中可以得出结论,如果宇宙的31%(5%+ 26%)由物质组成,那么69%必须是暗能量才能满足对平坦宇宙的要求。

宇宙微波背景辐射(图片来源:https://www.nobelprize.org)

2. 您觉得皮伯斯的贡献是什么?

他在物理宇宙学领域里做了很多基础性甚至是创始性的研究,几乎相当于开山祖师。

我们可以打一个比方,比如描述炸弹爆炸的过程,我们需要弄清楚发生了怎样的化学反应、气压怎么增高、如何驱动内容物产生冲击波……,而宇宙大爆炸理论也是类似,虽然没有冲击波,但是也同样有辐射的演化、物质在辐射的作用下运动。

(图片来源:Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences)

皮伯斯的贡献是提出了大爆炸的具体物理过程,找到了错综复杂物理过程中的关键因素,推演了宇宙演化的物理过程。也就是说,他的研究告诉我们宇宙为什么会是今天这个样子,也能够帮助我们预测宇宙将会走向何方。

作者单位:中国科学院国家天文台

文章首发于科学大院,转载请联系cas@cnic.cn

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