關於2019年諾貝爾物理學獎的詳細解讀

撰文 | 張新民、畢效軍、李明哲、李虹、趙公博、夏俊卿、蔡一夫、黃髮朋

2019年10月8日，瑞典皇家科學院宣布將今年的諾貝爾物理學獎的一半授予詹姆斯·皮布爾斯（James Peebles），以表彰他在物理宇宙學方面的理論貢獻和發現。詹姆斯·皮布爾斯，1935年生於加拿大溫尼伯，現為美國普林斯頓大學教授。在過去幾十年中，他在宇宙微波背景輻射（CMB），宇宙中的結構形成，暗物質和暗能量等眾多方向做出了重大貢獻。他是現代宇宙學大廈的主要奠基者之一。

在基礎科學研究領域，迄今我們已建立了描述基本粒子的標準模型和描述宇宙演化的大爆炸宇宙學模型，但是相對於粒子物理的研究，宇宙學研究的科學性，直到上世紀九十年代中葉，一直不被看好，並時常被質疑。這一點，在我（張新民）1996年夏從美國回國後在高能所開始組建宇宙學團隊時深有感觸。皮布爾斯教授的工作使宇宙學從哲學思考，定性討論，飯後茶餘的閒談，變成基於物理規律的具有理論和實驗兩方面的定量學科。自1998年，超新星發現宇宙加速膨脹，特別是本世紀WMAP，Planck衛星實驗對微波背景輻射（CMB）溫度和偏振譜的精確測量極大地推動了宇宙學進入到一個精確的時代，同時也極大地促進了高能物理與宇宙學的交叉研究。

自諾獎公布以來，國內學者已有很多的解讀，詳細介紹了皮布爾斯教授的生平及對物理宇宙學研究的貢獻。本文，我們將主要介紹物理宇宙學領域的研究現狀、發展趨勢以及我國的研究情況，包括以下幾個方向：宇宙大爆炸及起源，CMB與原初引力波，暗物質，暗能量，宇宙大尺度結構和統計方法，精確宇宙學與基礎對稱性，弱電對稱性破缺、正反物質不對稱與宇宙相變引力波等。這些研究工作都離不開皮布爾斯教授的奠基和開拓。另外，在過去二十多年組建粒子宇宙學研究團隊的過程中，皮布爾斯教授的三部著作《物理宇宙學》，《宇宙大尺度結構》，和《物理宇宙學原理》，使我（張新民）和我的學生博士後們得益匪淺。在此，我們8人聯合寫此文，向皮布爾斯老先生致敬。

宇宙大爆炸及起源

蔡一夫，中國科技大學

隨著加拿大裔美國宇宙學家、2019年諾貝爾物理學獎獲得者James Peebles教授幾乎傾盡一生的努力，物理宇宙學越來越被人們廣泛認識和肯定，其中最核心的熱大爆炸宇宙學理論圖像不僅影響了我們人類對宇宙的認知，它也同時成為了人類社會的一個文化符號，不斷地輻射著方方面面。例如，基於大爆炸理論圖像而衍生出來的科學藝術作品、影視文化層出不窮。然而，無論是科學界還是普羅大眾都會自然而然地問出一個問題：宇宙在大約138億年前到底經歷了什麼？這就是關於宇宙的起源問題。

讓我們簡要回顧一下熱大爆炸宇宙學說。這一模型描述了，我們的宇宙創生於大約138億年前的一個來自時空奇點的大爆炸。它從極高溫度的混沌狀態開始演變，逐漸產生基本粒子、核子，然後經過原初核合成產生氫和氦的原子核。之後約38萬年，宇宙中形成穩定的中性氫原子與早期宇宙微波背景輻射(CMB)。接著在原初密度漲落的影響下，逐漸演化出大尺度結構雛形。到了4億歲時，宇宙中終於誕生了第一代恆星，而最早的星系和類星體則誕生於大爆炸後約十億年。之後，由星系和星系團等構成的宇宙大尺度結構開始形成。最終，我們的宇宙演化到當前由暗能量驅動的加速膨脹狀態。

然而，這一圖像中所描繪的大尺度結構的起源並沒有被詮釋。這導致了1980年代，以Alexey Starobinsky、Alan Guth等人為首的宇宙學家提出了熱大爆炸學說的升級版，引入了暴脹。暴脹學說是一種刻畫極早期宇宙動力學的理論圖像，人們相信它可能發生在大爆炸後約10^-36秒到10^-30秒這麼短暫的時間內，這時候宇宙的單位空間尺度被放大了約10⁸⁰倍。這相當於瞬間把亞原子尺度的空間擴張到了太陽系尺度，這樣可以抹平原初宇宙可能存在的不均勻性，很自然地解釋了我們今天看到的均勻宇宙。在暴脹時期本該存在於微觀世界的量子漲落也被拉扯到宏觀尺度，導致了CMB溫度漲落與原初密度擾動的產生，這恰好為大尺度結構的形成提供了起源。但是，大爆炸奇點在暴脹學說中依然是不可避免的。這意味著，暴脹學說本身是不完整的：我們不知道暴脹從何而始，也不知道暴脹之前會發生什麼。

在這個歷史背景下，一些大膽的替代理論應運而生了。其中，最具代表性的就是反彈宇宙學說。實現反彈宇宙圖像的理論模型有很多。國際上具有代表性的有：加拿大麥吉爾大學的Robert Brandenberger教授與英國朴茨茅茨大學的David Wands教授於1999年提出的物質反彈模型、美國普林斯頓大學的Paul Steinhardt教授與加拿大圓周研究所的Neil Turok教授等人提出於2001年提出的火劫模型。而中國的宇宙學家在這一時期也加入到國際反彈宇宙學研究的熱潮中，例如，中國科學院高能物理所的張新民研究員及團隊於2007年提出的精靈反彈模型、2008年提出的Lee-Wick模型等。在近十年來，國際上特別是中國的宇宙學家們多年努力下，基於這些反彈模型的宇宙學擾動理論逐漸發展成型，並揭示了一些反彈學說同樣可以解釋熱大爆炸宇宙學所面臨的初始條件疑難。在這類宇宙學圖像中，大爆炸之前的宇宙處於一個收縮過程，體積越來越小，直到某一時刻宇宙收縮到一個極小值，然後反彈進入標準的熱大爆炸膨脹階段。由此可見，反彈學說的提出，不僅繼承了熱大爆炸宇宙學的成功之處，還避免了那個令人類百思不得其解的時空奇點。因此，近些年來反彈學說的研究大大推動了物理宇宙學的理論發展。

宇宙在極早期所經歷的究竟是哪一種過程呢：暴脹，反彈，抑或二者的結合？對於研究極早期宇宙的物理學家來說，一個至關重要的任務就是通過實驗觀測來進行檢驗區分。這些模型給出的理論預言在原初密度擾動和原初引力波上存在著差異，而這些正好可以通過對CMB的高精度測量來加以檢驗。物理學家們觀察CMB天圖中不同光子攜帶的偏振信息，發現它們可以形成兩種截然不同的圖樣：電場型的E-模式和磁場型的B-模式。如果我們能夠精確測量CMB光子的偏振信息，我們就有機會檢驗這些有關極早期宇宙的理論模型，甚至一窺宇宙起源的奧秘。特別是，我們發現，來自接近宇宙起源的原初引力波可以直接在CMB中產生原初B模式偏振。這一發現正式響起了利用精確宇宙學實驗探索、檢驗原初宇宙圖景的戰鬥號角。然而遺憾的是，截止到目前原初B模偏振仍未被直接觀測到。雖然對原初引力波的探索陰影重重，但是我們人類，特別是中國的宇宙學家們，不忘初心、牢記使命。

考慮到目前已經建造和正在規劃中的地面CMB實驗都集中在南半球，而北半球尚是空缺，為了推進中國的物理宇宙學發展，中國科學院高能所的宇宙學團隊牽頭，聯合國內外多所頂級宇宙學研究單位，正在我國西藏阿里地區建造北半球首個CMB極化望遠鏡，即阿里原初引力波望遠鏡（AliCPT）。該項目一旦完成，便可以在北天區率先實現對原初引力波的探測，從而為我們認知宇宙建立新的宇宙觀作出重要貢獻。

宇宙微波背景輻射與原初引力波

李虹，中科院高能所

詹姆斯.皮布爾斯以其對當代精確宇宙學所作出的傑出貢獻被授予諾貝爾物理學獎，這一消息發布後，對當前宇宙學屆的老中青幾代科學工作者可以說是極大的鼓勵，令人激動。他是老一輩科學家的代表，也是當前正活躍與前沿研究的中青代的楷模和榜樣！為什麼這麼說呢，從一個晚輩的角度來看，我們是讀著皮布爾斯的書，一步一步的鑽進宇宙學研究領域的。皮布爾斯對宇宙學領域的奠基工作之全面，讓人嘆服，幾乎貫穿整個宇宙演化的歷史長河的各個階段，從起源，到原子核合成，到宇宙再復合，以及今天的加速膨脹，各個階段無不能尋找到皮老的足跡。研究手段從宇宙微波背景輻射（CMB）到大尺度結構形成，無所不及。

皮布爾斯是最早推動早期宇宙輻射理論研究的科學家之一，早在上個世紀六十年代，他就開始了對宇宙早期輻射的研究。他們堅持不懈的推動和傾注，最終促成了人們對CMB長達幾十年的精確測量，推動宇宙學研究進入精確的殿堂。

讓我們簡單回顧下CMB的研究歷史。1965年微波背景被發現，之後先後有三代空間衛星，COBE、WMAP及Planck對CMB給出了精確測量，氣球實驗BOOMERanG-98，MAXIMA，等，於本世紀初最先提供了大尺度上對CMB功率譜的高信噪比測量，並給出平坦宇宙的測量結果。之後的WMAP和Planck對溫度功率譜更為精確的測量，進一步檢驗了標準宇宙學模型，成功將宇宙學研究推進到精確宇宙學時代。2002年，位於南極的DASI實驗最先測量到E模式偏振，後來被WMAP實驗進一步驗證。位於南極極點的BICEP/KECK望遠鏡給出目前對B模式偏振最為精確的測量，與剛剛結束觀測的Planck衛星的聯合數據分析得到對原初引力波的上限為r< 0.07 (2σ)。

開展對CMB B模式偏振的精確測量，探測原初引力波是CMB領域的下一個核心科學目標之一。現在正在開展觀測的CMB實驗包括BICEP/KECK、POLARBEAR，ACT，SPT等，正在建設的有Simons天文台，以及正在規劃的美國CMB S4計劃等，均分布在南半球的南極極點和智利的阿塔卡瑪沙漠台址。我國的阿里原初引力波探測計劃是目前北半球的地面實驗，主要科學目標為原初引力波以及檢驗CPT對稱性。更大口徑的CMB 偏振望遠鏡--AliCPT-2正在規劃之中，計劃將開展更多頻段的觀測，並在CMB Lensing扣除和前景分析能力上大幅提升，其科學目標將擴展包括中微子質量、暗能量物理本質等宇宙學研究。

精確宇宙學與基礎對稱性

李明哲，中國科技大學

以詹姆斯.皮布爾斯為傑出代表的宇宙學家為物理宇宙學的建立做了大量的奠基與建設工作。經過幾代人的努力，到目前為止，宇宙學已經從類似於哲學範疇的小眾定性學科成功地轉變成有堅實物理基礎、有確定的理論預言且能被實驗檢驗的精確定量科學。對於這一點，筆者深有感觸。當筆者在1990年代末進入中國科學院高能物理研究所的宇宙學課題組做研究生時，宇宙學是鮮有人問津的高冷學科，當時國內從事宇宙學研究的人員更是鳳毛麟角。國內外的宇宙學先驅們就是在這樣十分孤寂的道路上艱難探索著。如今誰也無法否認物理宇宙學的成功與重要性，而國內的宇宙學研究隊伍也越來越壯大。

宇宙的起源與演化是受基本的物理規律支配的，因此通過對宇宙學參數的測量可以對這些物理規律進行檢驗。根據物理宇宙學，在早期宇宙處於高溫高密的等離子體狀態，粒子間的微觀相互作用起著決定性的作用，這樣整個宇宙就形成了一個天然的高能物理實驗室，人們可以用之來檢驗微觀的高能物理過程。正如前蘇聯的宇宙學家澤爾多維奇所說：宇宙是窮人的加速器。在這台巨型「加速器」上進行的研究結出了豐碩的成果：例如通過原初核合成與宇宙微波背景輻射的研究推斷出的中微子的代數與歐洲核子實驗中心的加速器實驗得到的結果非常一致，表明粒子物理的標準模型在電弱能標以下的正確性；而同樣通過原初核合成與宇宙微波背景輻射的觀測得到的重子-反重子不對稱性則與標準模型的預言不符，這表明在更高能標下存在著超出標準模型的新物理過程。

近年來人們發展了在宇宙這台「加速器」上檢驗更多基本物理對稱性或者高能物理過程的方法。比如通過分析宇宙微波背景輻射以及大尺度結構的數據可以尋找早期宇宙中粒子間碰撞產生的新粒子的蛛絲馬跡（Arkani-Hamed & Maldacena, 2015; Chen, Wang & Xianyu, 2017）。另一個新的進展是我國宇宙學家提出並發展了利用宇宙微波背景輻射的偏振實驗檢驗電荷共軛（C）-宇稱（P）-時間反演（T）聯合對稱性（簡稱CPT對稱性）的新方法（Feng, Li, Li & Zhang, 2005; Feng, Li, Xia, Chen & Zhang,2006）。CPT對稱性在粒子物理標準模型中是一種嚴格的對稱性，具有基礎性地位。檢驗CPT對檢驗標準模型本身很重要，同時也是一種非常有效的尋找新物理的途徑。如果有CPT破缺，宇宙微波背景光子在傳播過程中其偏振方向會發生旋轉，其旋轉角的大小衡量了CPT破缺的程度。這種旋轉使得一部分E模偏振轉化為B模偏振，改變微波背景輻射的偏振功率譜，尤其是會產生溫度-B模偏振（TB）與E模偏振-B模偏振（EB）的關聯譜。這使得人們可以通過測量微波背景輻射的偏振來探測其旋轉角，從而對CPT對稱性進行檢驗。2006年，我國宇宙學家根據此方法並結合當時的觀測數據對CPT破缺導致的旋轉角作了國際上的首次測量(Feng, Li, Xia, Chen & Zhang, 2006），結果顯示存在微弱的CPT破缺跡象。後來許多大型國際實驗合作組如WMAP, Planck, QUaD,BICEP等都沿用此方法並結合各自新的觀測數據對旋轉角進行了測量。這些結果表明宇宙微波背景輻射的偏振實驗是檢驗CPT對稱性的強有力的方法，其檢驗精度比地面實驗室里開展的CPT檢驗高很多。用微波背景輻射檢驗CPT對稱性逐漸成為各實驗組的例行工作之一，也是即將開展的我國阿里實驗計劃（AliCPT）的重要科學目標之一。

暗物質

畢效軍，中科院高能所

上個世紀七十年代，隨著大量天文觀測的積累，特別是對漩渦星系旋轉曲線的測量，暗物質的存在逐漸得到天文學界的承認。皮布爾斯和同期的其他一些天文學家都意識到暗物質應該是非重子性質，只有和光子作用非常微弱的非重子暗物質的存在才能在引力作用下形成星系、星系團等結構。尋找非重子暗物質粒子的直接信號，研究其粒子屬性則發展成為當今暗物質研究的主要內容。

在皮布爾斯提出的宇宙圖景中，宇宙是一個天然的高能實驗室，在宇宙早期的高溫高密度狀態下，所有物質都可能達到熱平衡的狀態。暗物質粒子同樣可能在這個過程中達到了熱平衡，隨著宇宙溫度的降低，暗物質粒子就和中微子、光子一樣從熱平衡的狀態解耦出來，這個過程稱為暗物質的熱產生。定量的計算告訴我們，這樣產生出來的暗物質要和今天的觀測一致的話，則要求暗物質和普通物質之間存在「弱」作用類似的相互作用，這就是弱作用重粒子（WIMP，Weakly Interacting Massive Particles）的由來。由於粒子物理學家在研究超出粒子物理標準模型的新物理中，發現WIMP粒子自然存在於這些新物理模型中，其粒子屬性、作用形式都可明確預言，因而這類粒子獲得了廣泛研究。

我國對暗物質的研究在經歷了早期的以理論探索為主的階段後，於2008年開始進入一個加速發展的過程。在2008年，由科學院基礎局主持制定了我國暗物質暗能量探測研究的路線圖，高能所張新民帶領團隊提出了「上天、入地、到南極」的戰略規劃。在此基礎上，科學院支持了後來的「悟空」暗物質衛星計劃、錦屏地下實驗室計劃和在南極DOME A建設光學紅外望遠鏡等計劃。目前，「悟空」已經升空近四年，獲得了世界上最為精確的電子能譜。錦屏地下實驗室開展了由清華大學領導的CDEX實驗和上海交通大學領導的PandaX實驗，這些實驗都取得了國際一流的測量結果，對國際上暗物質直接探測有著重要的影響。

在將來的暗物質研究中，空間有在我國空間站的HERD實驗，將比目前的「悟空」實驗提高一個數量級的實驗精度，地面有在我國四川稻城開展的LHAASO實驗，是國際上最大、也是最為複雜的宇宙線實驗，而在地下，CDEX和PandaX都有進一步的升級計劃，繼續保持國際一流的地位。總而言之，暗物質研究在我國取得了長足的發展，理論與實驗多個領域從無到有，並取得了國際一流的研究成果。

暗能量

趙公博，中科院國家天文台

1998年發現的宇宙加速膨脹現象 (該發現獲2011年諾獎) 意味著當前宇宙的主要能量組分可能是具有負壓的暗能量。2006年美國暗能量特別工作組報告指出：「宇宙加速膨脹表明基本粒子和引力理論或不正確，或不完備，需要基礎物理革命來全面理解」。對於暗能量的研究是2010年美國十年天文規劃推薦的最高優先級項目，也是美國粒子物理十年規劃(Snowmass 2013) 高度推薦的研究領域。暗能量研究是第三代和第四代大規模星系巡天的主要科學目標之一。

在傳統的宇宙學標準模型中，暗能量是愛因斯坦百年前提出的「宇宙學常數」，即真空能，其不具有任何動力學性質，其狀態方程 w (壓強與密度的比值)嚴格等於-1。此模型雖然可以在一定程度上符合觀測，但卻存在嚴重的「精細調節」等理論困難。為緩解宇宙學常數問題，上世紀80年代，Peebles等人提出了「精質」動力學暗能量模型，即暗能量是由一個動力學標量場描述，其狀態方程隨時間演化但保持大於-1。2002年，Caldwell提出了「幽靈」暗能量模型，其狀態方程隨時間演化且小於-1。2004年，張新民研究員帶領的課題組提出了「精靈」模型，其狀態方程隨時間演化，且可以越過-1。

在觀測上，暗能量的時間演化歷史可以結合多種觀測手段重建，包括超新星（宇宙標準燭光）、重子聲波振蕩（宇宙標準尺）、引力波（宇宙標準汽笛）、宇宙微波背景輻射、引力透鏡等。近期的天文觀測表明，最新的BOSS星系巡天數據在3.5水平支持w隨時間演化，且越過-1，與精靈暗能量模型的預言一致。基於模擬，未來的DESI巡天可以將這一信號提高至6以上，並且統計上將被BayesianEvidence強烈支持。

揭示暗能量的本質是現代科學中最重大的研究課題之一，也是國際競爭的焦點。而對暗能量動力學性質的研究是探索暗能量本質的關鍵。未來5-10年，國際上第四代大型巡天（DESI, PFS, Euclid等）將為暗能量研究提供重要的觀測支持，相信揭開暗能量的神秘面紗指日可待。

宇宙大尺度結構和統計方法

夏俊卿，北京師範大學

除了宇宙微波背景輻射，Peebles在宇宙大尺度結構的研究中也做出了重要的貢獻。雖然根據宇宙學原理，宇宙應該大致上是均勻且各向同性的，但是實際的巡天觀測告訴我們，宇宙中物質能量密度的分布存在著明顯的各向異性特徵。那麼，如何來描述這種各向異性呢？Peebles在1973年和合作者發表了專門對於河外天體星表的統計分析的理論文章，在該文章中，Peebles考慮了星系分布的相關函數和功率譜計算，來描述宇宙中物質能量密度分布的各向異性特徵，而這也為後來的2dFGRS和SDSS巡天項目計算星系分布的三維功率譜奠定了基礎。此外，Peebles還研究了如何從統計上分析星系在二維天球上的性質，進而引入了角相關函數，並利用球諧函數展開來表征角功率譜。這些統計分析方法不光是針對河外天體的成團性分析，對於後來發現的宇宙微波背景輻射各向異性的統計分析也至關重要。目前，從低頻的射電星繫到高頻的伽馬射線輻射，從各類河外天體的自相關性質到天體之間的互相關性質，Peebles提出的統計分析方法已經被廣泛應用到宇宙學的各個領域，是目前研究宇宙大尺度結構成團性和宇宙微波背景輻射各向異性的統計性質的最重要手段。

弱電對稱性破缺、反物質與宇宙相變引力波

黃髮朋，美國華盛頓大學

Peebles的先驅性工作為我們探索宇宙各個演化階段提供了清晰的物理圖像和實驗手段。

宇宙的電弱相變發生在溫度大約100GeV左右(CMB光子退耦的溫度為0.26eV)。它和宇宙正反物質不對稱性的起源以及歐洲核子中心大型強子對撞機（LHC）上發現的希格斯粒子的性質息息相關。QCD相變發生在大約100MeV。它和宇宙中暗物質軸子（axion）的基本性質，以及Peccei-Quinn對稱性的破缺相連。

2016年aLIGO引力波的發現開啟了一個研究宇宙學和基礎物理的新窗口，為研究粒子宇宙學中很多未解之謎提供了新的方法，特別是有關宇宙電弱相變和QCD相變的演化歷史。這是因為各種新物理下，宇宙的電弱相變和QCD相變可能是強一級相變。而一級相變能夠產生相變引力波。電弱相變產生的引力波可以被未來的空間引力波實驗（歐洲已批准的LISA）以及中國正在積極推動的天琴和太極計劃)探測到。QCD相變的引力波則可以通過SKA（平方千米陣列）精確的脈衝星計時能力探測到。這裡以電弱相變演化歷史為例簡要討論它的粒子宇宙學意義和實驗探測。

在新物理模型下或者有效理論框架下，我們的宇宙在大概100GeV的時候可能經歷一個由希格斯粒子誘導的強一級相變。這是由希格斯勢函數的性質決定的。

張新民研究員1993年在國際上第一次提出一種非常重要而有趣的模型無關的勢函數，就是希格斯六次方描述的勢函數，它能給出很強的一級相變. 進一步，我們研究了一系類具有代表性的希格斯擴充的新物理模型，並通過協變導數展開的方法積掉重的自由度，從而得到所有可能的維數為六的有效算符. （我們的研究表明很多模型在電弱能標下都能約化到這個有效勢，比如單態，二重態，三重態擴展的希格斯模型以及復合希格斯模型.）在考慮了已有的精確實驗數據對所有維數為六的有效算符的限制後，我們證實希格斯六次方的相變圖像仍然是被已有實驗所青睞的，並且理論預言可以通過CEPC等未來輕子對撞機上希格斯和Z玻色子的聯合產生來檢驗。

這一相變可以提供為解釋宇宙正反物質不對稱起源的電弱重子數產生機制需要的偏離熱平衡的條件。相變引力波，源於宇宙早期各個階段發生的強一級相變過程。這種引力波機制最早由普林斯頓高能研究所的Edward Witten等人在上世紀八十年代提出. 以電弱相變為例，如果發生強一級電弱相變，就會在早期宇宙的粒子湯中產生許多「泡泡」，就像水沸騰時產生很多的氣泡一樣。這些泡泡產生之後會誘發三類有趣的物理過程，分別對應三種產生引力波的機制：（1）這些「泡泡」之間相互碰撞，原本球對稱的「泡泡」是沒有四極矩的，碰撞後不再是球對稱的，會產生隨時間變化的四極矩，進而產生引力波；（2）「泡泡」會誘發粒子湯的湍流；（3）「泡泡」會誘發聲波，這是歐洲合作組在數值模擬中意外新發現的引力波產生新機制，而且常常占主導貢獻。這三種過程都會產生比較強的隨機引力波，並且能在空間引力波探測器上被觀測到。

研究宇宙電弱相變是當前一個新的熱門研究課題。這有助於理解電弱標度產生宇宙中正反物質不對稱、探索希格斯粒子勢函數性質，弱電對稱性破缺機制、引力波等一系列基礎問題。這些問題將未來的引力波實驗和對撞機實驗神奇地聯繫在了一起。

來源：中科院高能所

編輯：小林綠子