2019诺贝尔物理奖得主:James Peebles与他的ΛCDM模型

作者:孙宇晨 来源:www.5idf.cn 2020-09-06   阅读:


2019诺贝尔物理奖有二分之一的奖项颁给美国宇宙学家James Peebles,表扬他与他的ΛCDM模型对宇宙学的贡献。此模型随着宇宙学一起发展,并且一起逐步成熟。因此,要谈James Peebles,必须从宇宙学的诞生开始说起。

宇宙学的诞生

1929年,哈伯的研究发现宇宙正在扩张。随后,乌克兰数学家Alexander Friedmann根据当时爱因斯坦刚发表的广义相对论,产生了支持宇宙扩张的理论。在1940年代,Ralph Alpher、Robert Herman和George Gamow等人提出的理论认为宇宙可能是在高温中生成。Gamow认为元素若要生成,宇宙的密度必须极高,且温度也必须达到数千度以上。Alpher和Herman则提出现今宇宙的温度应已降至5K左右,但当时大部分的物理学家认为测量宇宙的温度是天方夜谭。

1965年,Arnold Penzias和Robert Wilson在意外中发现了宇宙的背景辐射(cosmic microwave background,CMB)。在和普林斯顿大学的研究团队接触后,他们才知道此团队中早有一位年轻的物理学家预言了宇宙现今的背景辐射温度约为10K。于是展开了更加深入的研究,并提出CMB和宇宙刚诞生时的高温有关。Peebles等人根据这项观测资料算出了宇宙中的重子物质(baryonic matter,即重子所组成的物质,包含质子、中子和它们组成的元素等)的总量,并发现所获得的估计结果和观测结果有相当大的差距,暗示着有大量的其他物质尚未被发现。Peebles在同年单独发表的另一篇论文指出,在宇宙发展初期,宇宙中的辐射会防止束缚重力系统的形成。这篇文章被视为宇宙学的开端之一。

非均质的背景辐射

乍看之下当时被观测到的背景辐射,各个方向都是均匀的。然而,若将观测结果做多极展开(multipole expansion),就可以发现CMB在各个方向是不均匀的。Rainer Sachs和Arthur Wolfe首先预告了CMB的非均质性(各向异性),被称为SW Effect。SW Effect主要影响较大的空间尺度上的非均质性,在小尺度上,则是因为声波(acoustic wave)的传递造成背景辐射的不均匀,也就是所谓的BAO(baryon acoustic oscillations)。Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich解释了声波背后的成因,Peebles和Jer Yu则透过数值方法预测实际观测到的频谱分布。而四十多年后,更精确的观测结果几乎完美地符合他们的预测。

BAO的成因如下:宇宙刚诞生时,充满了光子(photons)和重子(baryons)所组成的等离子体(plasma,即电浆)。量子涨落(quantum fluctuations)会造成空间局部的能量/质量不均匀,造成密度较高处有较低的重力位能。此时,重力会将周围的物质向密度较高处拉,光子所造成的辐射压力(radiation pressure)则会和重力互相抵抗,如此一来一往,就产生了振动,也就是声波。这就像是将一重物用弹簧吊起来,重力会将重物往位能较低处拉(也就是向下),但随着重物往下,弹簧的弹力效应变得明显,就和重力抵抗并将重物重新向上拉,就产生了震荡。只不过在宇宙初期的等离子体中,弹簧的效应由辐射压提供,等离子体被压缩时,光子密度增加,光压也就跟着增强。而这样的震荡会在等离子体中传播,就形成了所谓的声波。

值得注意的是,此时的宇宙并不是透明的。光子在传播时会和电浆发生汤木生散射(Thomson scattering),使得光子无法顺畅地在等离子体中传播。直到某一称为复合纪元(recombination epoch)的时期,此时宇宙冷却到氢原子可以形成的温度,电子和质子大量地形成原子,自由电子和质子在宇宙中的占比大大降地,光子不再容易发生汤木生散射(或者说光子的平均自由径尺度大到约宇宙大小的尺度),此时光子得以自由地传播。光子开始自由传递后,辐射压消失,原本形成声波的机制就再也不能运作,宇宙就被「冻结」在当时的状态,处于位能低点的光子就以较高的温度传播,处于位能高点的光子以较低的温度传播,就形成了不均匀的CMB。

暗物质与Λ 的加入

自1930年代以来,物理学家开始发展各种理论,预测宇宙中有大量尚未被观测到的物质。「暗物质」一词首次在Knut Lundmark的论文中被使用。1973年,Peebles和Jeremiah Ostriker提出银河系内必存在大量暗物质才能使银河系的圆盘维持稳定,并引发了大量的后续研究。

在1982年,Peebles提出非相对论性的冷暗物质(cold dark matter)成功修正当时理论对宇宙曲率的计算和实际观测结果不符的情形。同时,他预测了CMB的温度不均质程度,并在数年后的宇宙背景探测卫星(Cosmic Background Explorer,COBE)所观测的数据获得证实。此理论也被其他学者延伸至更加深入的研究。

1984年,Peebles发现当时刚发表的宇宙暴涨(inflation)理论虽然预测宇宙的时空曲率(curvature)应为0或是非常接近0,但和当时所计算的宇宙密度不符。因此他重新使用了爱因斯坦理论中,原先被遗弃的宇宙常数(cosmological constant,以Λ表示),以修正其中的差距,同时也解决了当时计算最老的恒星年龄大于宇宙年龄的问题。

以上,由James Peebles用宇宙常数Λ、冷暗物质(cold dark matter)的架构, 来描述宇宙演化的这套理论就被称为ΛCDM模型,也称作宇宙学标准模型(standard model of cosmology)。随后,他的理论被一次比一次更精确的CMB探测计画一一验证,也因此于获得2019年诺贝尔物理奖。然而,宇宙发展的谜团尚未被解开,有许多问题仍尚待解答。例如宇宙常数的特性为何?是否真的是常数,抑或是随时间而变的变数?暗物质的物理性质为何?如此繁多的问题,仍等待新的理论来回答。

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