2019年物理诺奖得主“小议”

下图是普朗克卫星的数据

普朗克卫星测量的CMB温度分布的各向异性情况。声学峰值清晰可见。

Peebles和Jer Yu论文中给出的平坦宇宙的功率谱，显示了声波峰值。 宇宙的基本组成部分，以及它们之间如何相互作用和演变的方程，构成了大爆炸宇宙学中的索引模型，有时称为ΛCDM（Λ-冷暗物质模型）。其中Λ为宇宙学常数，也就是爱大爷拿掉的常数项，是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项；CDM即冷暗物质的英文缩写。这个模型是物理宇宙学的一次胜利，它系统地将物理定律应用于宇宙的演化。该模型最重要的创始人之一便是James Peebles，“星系形成的一个关键因素可能是宇宙中黑体辐射的存在。” 1948年，伽莫夫提出，只有当辐射的密度大致等于物质的密度时，宇宙结构才会开始形成。 密度的初始波动将导致“声波”（重子物质的规则周期性密度涨落）在耦合光子和重子的热等离子体中传播，从而在CMB中留下印记。Andrei Sakharov第一个讨论了声波的重要性，但只是在没有光子的冷模型中。早期有类似想法的人还有Peebles和Zeldovich。Joseph Silk在1968年提出了一个重要的大概结果，当时他意识到，CMB各向异性的振幅由于散射而在小尺度上受到了抑制。“这让我想起图灵反应，想要形成图案就会发现有摧化剂A，抑制剂B，两者相互竞争。”

通过Rashid Sunyaev和Yakov Zeldovich，以及Peebles和Jer Yu的研究，人们对声波及其在微波背景辐射功率谱中产生的峰值有了突破性的认识。Sunyaev和Zeldovich解释了声波峰值背后的物理现象及其周期性。Peebles和Jer Yu则有不同的关注点，他们使用数值方法来计算和预测可测量的参数。他们在论文中计算出了不同宇宙学参数下密度波动的功率谱。 Peebles在冷暗物质方面的开创性工作就在于，他最早设想了非相对论性，也因此是冷的暗物质，以及他在结构形成方面的作用。通过引入非相对论性粒子构成的冷暗物质模型，他成功将CMB中的各向异性应用于解释宇宙中的大尺度结构。尤其，在他1982年发表的文章里，Peebles对温度各向异性做了预测，并在数年后得到了COBE卫星的观测证实。在1980年代中期，这一理论由其他科学家做了进一步的发展和丰富。 图一解读，第一个出现的峰值，以及所有异常峰值，都是重子物质向引力势井中跌落所产生的。偶数数量的峰值对应于辐射被反弹回来时所产生的减压效应。重子物质越多，其坠入引力势井的深度就越深，相应的，第一个峰值相较于第二个也就要愈发明显得多。而第一个和第二个峰值之间差异程度暗示，重子物质大约只占到宇宙密度的5%左右。较高的峰值对应于更多的震荡，也相当于回溯到更早的时间，那时候辐射占据有更加关键的作用。

尤其是，第三个峰值对应的是减压之后的再次压缩，紧随其后的是另一次由光子-重子流体所导致的压缩。暗物质在第一次压缩之后不会反弹回来，因为辐射不会对它产生影响。因此它可以为重子物质的第二次坠落提供引力势井。这就意味着暗物质加强了第三个峰值。 James Peebles，他出版的三本教科书《物理宇宙学》（1971）、《宇宙的大尺度结构》（1980）和《物理宇宙学原理》。牛顿，图灵，爱因斯坦，看先辈们对宇宙的思考，起一句古话，“吾将上下尔求索”。