2019年諾貝爾物理學獎得主——詹姆士．皮伯斯（James Peebles）

2019年諾貝爾物理學獎得主——詹姆士．皮伯斯（James Peebles）
陳暉航

｢宇宙。上下四方曰宇，往古來今曰宙。｣，那麼宇是無垠，宙又是永恆嗎﹖現在我們知道，以大霹靂模型來說，宇宙存在起點，也就是宇宙有其年齡。宇宙學家皮伯斯從1960年代中期開始，為大霹靂、宇宙微波背景、暗物質、暗能量等做了眾多的理論架構，從而得以建造宇宙結構，為宇宙學奠定研究基礎，讓一個高度猜想性的領域成為一門精密的科學！

宇宙學的濫觴

1940年代，阿爾法（Ralph Alpher）、赫爾曼（Robert Herman）及伽莫夫（George Gamow）共同為大霹靂建立粗略的模型，其主要動機為解釋元素的起源。在1948年，伽莫夫提出在輻射的密度與物質的密度大約相等時，才能形成元素。同年，阿爾法和赫爾曼預測了宇宙背景輻射，其溫度大約為5K。然而這些工作並未引起大部分學者的關注。1965年的春天是宇宙學戲劇化的時刻，美國天文學家彭齊亞斯（Arnold Penzias）及威爾遜（Robert Wilson）無意間發現了宇宙背景輻射，起初以為是雜訊，後來確認為是對應微波波譜的宇宙背景輻射——稱宇宙微波背景。

而此同時，皮伯斯所在的狄克團隊更深入著手於宇宙初始的灼熱階段，以用來解釋宇宙微波背景。其中的關鍵點在於，溫度與物質密度的關係決定了多少氦能被製造。當宇宙溫度下降到一定程度，氘不再能結合成氦，而宇宙的密度越高，越多的氘能轉變成氦。這個想法不同於以往的觀念—重元素（比鈹重）也能被大霹靂製造，並被皮伯斯深入研究。這些由大霹靂形成的元素，其質量比例稱為原始物質豐度，以大霹靂模型計算得出—氫75%、氦25%、氘0.01%以及微量鋰，因與探測值大約相符，成為大霹靂重要證據。

同於1965年，皮伯斯一篇關鍵論文[1]引言說到，「星系形成的重要因素，可能蘊含於宇宙的黑體輻射。」這項工作被視為宇宙學步入精密科學的開始。

宇宙的第一道曙光——宇宙微波背景

在大霹靂38萬年後，宇宙溫度降為大約3000K，原子核和電子組成原子，使得光子脫離質子與電子形成之電漿，自由地穿越空間，而這些光殘留至今，其為溫度大約2.7K的微波。宇宙微波背景不只是宇宙的第一道曙光，也是探索宇宙的指引明燈，宇宙的許多特性及祕密蘊含其中。宇宙微波背景一個很重要的特徵為「各向異性」，說明了宇宙微波背景在不同地區存在著微小的溫度變化。在1982年，皮伯斯計算其溫度各向異性的值為5百萬分之一，與幾年後宇宙背景探測者（Cosmic Background Explorer, COBE）測量的值一致。

各向異性的主因之一，為宇宙早期光子—重子在電漿中碰撞產生的聲學震盪，為研究聲學震盪，皮伯斯用數值分析去預測和計算，什麼是能被測量的。在試過許多宇宙參數後，皮伯斯得以做出一個譜密度[2]，其鋒值、位置等與普朗克衛星的測量非常吻合。

圖為普朗克衛星探測宇宙微波背景溫度的各向異性分布

宇宙的許多特徵就隱藏在圖中的峰值裡。奇數峰受到重子引力的影響；偶數峰則為輻射的反彈。第一峰值的角尺度決定了宇宙的曲率，其值說明了宇宙的曲率幾乎為零，也就是宇宙是平坦的。第一峰值與第二峰值的比值決定了重子（普通物質）佔宇宙物質密度的比例5%。而由於暗物質的特性，並不受輻射影響，因而提升第三峰值，由此分析出暗物質佔宇宙物質密度26%。進而得出暗能量佔69%。

宇宙學的瑰寶— ΛCDM模型

Λ是宇宙學常數，首先由愛因斯坦引入，使廣義相對論中的重力場方程存在靜態宇宙的解。但因哈伯發現宇宙正在膨脹，愛因斯坦將宇宙學常數視為「一生最大的錯誤」。而CDM是冷暗物質（Cold Dark Matter），冷暗物質相較於熱、溫暗物質其速度較慢。皮伯斯是首先考慮冷暗物質的非相對論性（速度遠小於光速）的人，並且藉由非相對論性冷暗物質，皮伯斯得以連結宇宙微波背景的各向異性與宇宙的大尺度結構，並於1982年預測出溫度各向異性的值。

接著在1984年，皮伯斯邁出關鍵的一步，重新引入被拋棄的宇宙學常數。當時的暴脹理論預測宇宙的質能密度為臨界值，使得宇宙是平坦的。但已知物質密度與臨界值差了許多，皮伯斯因此認為宇宙學常數應與缺失的能量（暗能量）有關，且暗能量能提供負壓，使宇宙加速膨脹。並且這個引入宇宙學常數的結構，只有與冷暗物質合作才能執行。藉由皮伯斯的兩個關鍵貢獻，宇宙學的標準模型完成於1984年。

1992年，難以捉摸的宇宙微波背景各向異性，被COBE探測到了。1998年，藉由la型超新星描述了宇宙的加速膨脹。對於這兩項突破性的發現，皮伯斯先前的理論架構工作功不可沒。雖然ΛCDM模型未能本質性地解釋暗物質及暗能量等，但作為一個參數化模型，ΛCDM依然是如今最能解釋宇宙微波背景、大尺度結構、宇宙加速膨脹的模型。不管未來發展如何，皮伯斯已經引領宇宙學走向正確的科學道路。

編譯來源：https://www.nobelprize.org/uploads/2019/10/advanced-physicsprize2019-3.pdf

 參考資料：

1. P.J.E. Peebles, The black-body radiation content of the Universe and the formation of galaxies, Astrophys. J. 142, 1317 (1965)
2. P.J.E. Peebles and J.T. Yu, Primeval adiabatic perturbation in an expanding Universe, Astrophys. J. 162, 815 (1970)