山水同盟
青山依旧在，几度夕阳红
主要贡献：皮布尔斯建立的严谨的理论模型，不仅吻合宇宙微波背景辐射存在的事实，也能够解释在几乎各向同性的宇宙背景辐射中存在的微弱各向异性的结构。
皮布尔斯等科学家通过严格的理论推导，考虑早期宇宙光子与重子的比例、早期宇宙温度与速度随时间快速变化的模型、核聚变发生的能量条件（也就是温度条件），推算出原初核合成时候75%的质量是氢，25%的质量是氦，0.01%是氘，和极其微量（10-10）的锂。现在观测到的宇宙中氢和氦元素丰度与理论数值的吻合是大爆炸理论的有力证据之一。
（10月8日，诺贝尔物理学奖的一半授予James Peebles，奖励他在物理宇宙学方面的理论发现。Peebles 提出了严谨的数学模型和物理理论，描述和解释大爆炸之后宇宙的演化，这些理论模型与实验观测很好地吻合，使得宇宙学从描述性、猜测性的学科，转变为可预测、可验证的精准科学。）
总起来讲，这个奖不具体，算是终身贡献成就奖。（诺贝尔物理学奖有些黔驴技穷的味道？类似爱因斯坦的老虎哪里去了？）
什么是宇宙大爆炸理论？
宇宙大爆炸理论是描述宇宙的源起与演化的理论模型，这一模型理论上是基于爱因斯坦的广义相对论，并得到当今科学实验观测最广泛最精确的支持 。通过广义相对论将宇宙的膨胀进行时间反推，则可得出宇宙在距今约138亿年前，起始于一个密度极大且温度极高的太初状态（奇点），在膨胀和冷却的过程中，重子、原子核、原子等等开始形成。在宇宙大爆炸后38万年，宇宙变得透明，电磁波（光）得以穿越太空，随着宇宙的膨胀和冷却，那些古老的电磁辐射演化成微波背景存在于整个宇宙，蕴含着早期宇宙的大量信息。继续膨胀和冷却的宇宙，慢慢演化出星云、恒星、星系等可观测天体结构，而宇宙诞生初期原初核合成产生的轻元素原子核的丰度（相对比例）却保留下来。皮布尔斯发明的理论工具和计算方法能够解释这些宇宙初期开始、到现在仍能观测到的痕迹（微波背景辐射，轻元素丰度等），并发现新的物理过程。
皮布尔斯最重要的贡献是，他在理论方面的研究推动宇宙学从一种经验的描述性的学科发展成了精确的可以验证、可以预测的科学。有一句话叫作，“凡是没有任何办法证伪的命题不能够称作科学命题”。意思就是说科学在本质上有可验证性和可预测性。如果一种理论永远没有办法验证或者证伪，那还不能算本质的科学，只能算一种假说。
在大爆炸之前宇宙是什么呢？
经常有人问，如果宇宙始于大爆炸，那么在大爆炸之前宇宙是什么呢?
这个问题无解，就是有答案，也不能验证，所以是假说。
宇宙大爆炸之后发生了什么？
第二次世界大战以后，宇宙膨胀的观点引出了两种互相对立的可能理论：一种理论是由勒梅特提出，乔治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理论。伽莫夫提出了太初核合成理论，而他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼则理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。另一种理论则是英国天文学家弗雷德·霍伊尔等人提出的稳态理论。在稳恒态宇宙模型里，新物质在星系远离留下的空间中不断产生，从而宇宙在任何时候看上去都基本不变化。具有讽刺意味的是，大爆炸理论的名称却是来自霍伊尔提到勒梅特的理论时所用的称呼，他在1949年3月的一期BBC广播节目《物质的特性》（The Nature of Things）中将勒梅特等人的理论称作“这个大爆炸的观点”。之后的许多年，这两种理论并立，但射电源计数一系列观测证据使天平逐渐向大爆炸理论倾斜。1965年，宇宙微波背景辐射的发现和确认更使绝大多数物理学家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理论。现在宇宙物理学的几乎所有研究都与宇宙大爆炸理论有关，或者是它的延伸，或者是进一步解释，例如大爆炸理论的框架下星系如何产生，早期和极早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理论解释新观测结果等。
预言了宇宙微波背景辐射成了大爆炸理论的最重要的证据。但是，我们依然不知道大爆炸之前的宇宙是什么样，所以，大爆炸理论只是一个残缺不全的理论。
在大爆炸之后具体发生了什么？
从大爆炸的时间点开始，高密度高温高压的宇宙发生了非常快速的膨胀和冷却。大约在膨胀进行到10-37秒时，宇宙发生了呈指数增长的暴胀。在10-33至10-32秒暴胀结束，稍微冷却的宇宙出现了夸克等基本粒子。此时的宇宙仍然非常炽热，粒子都在高速随机地运动碰撞，而粒子-反粒子在碰撞中不断地产生和湮灭。
随着宇宙的持续膨胀和冷却，宇宙温度降低到不能随机产生新的粒子-反粒子对，高能粒子物理实验室研究完全能够企及宇宙这个阶段的温度所对应的粒子能量，所以人们对这个时间再往后的宇宙演化过程比最初的暴胀过程有更准确得多的把握。此时所有粒子-反粒子继续成对湮灭，形成大量光子（电磁波），由于粒子数目略多于反粒子数目（原因尚未明），保留的几乎都是正粒子（比如质子、中子和电子），而且速度显著低于光速，而此时的宇宙能量密度的主要贡献来自正反粒子湮灭产生的大量光子（少部分来自中微子）。
在大爆炸发生的几分钟后，宇宙的温度降低到大约十亿开尔文的量级，一些减速的质子和中子开始结合成比氢原子核（一个质子）更复杂的原子核（比如氘和氦的原子核）。
在大爆炸大约38万年之后，在继续膨胀和冷却的宇宙内，电子和原子核开始结合成为原子（主要是氢原子）。宇宙开始变得透明，因为光子（电磁波）得以相对自由地传播（而不是被电子和质子吸收散射）。产生于宇宙大约38万岁时的电磁波辐射一直在宇宙中传播，它们的残迹就形成了今天的宇宙微波背景辐射。从今天这些光子的能量中，可以推断出早期宇宙的温度下限、密度和能量分布等信息。
听起来很玄，其实可以慢慢理解。比如说大家都能想象冰融化的过程：随着温度的升高，固体分子携带的热运动能量增加，直到这些单个分子的能量大到可以挣脱分子间晶格作用力的束缚，固体就熔化成液体。温度继续升高，超过沸点，分子能量大到可以彻底摆脱其余分子，于是沸腾成为自由的气态。当温度高达几千度，粒子热运动的能量就可以撕裂原子，产生等离子体（比如在地球大气层离地几百到一千公里的电离层）。而随着温度继续升高，原子核和电子之间的束缚会被打破，十亿度以上温度对应的能量则可以把原子核拆开。温度再高，质子中子也不能稳定存在，等等。
所以你能够想象在宇宙大爆炸初期温度高于1016度， kT能量远高于 1T（1012）电子伏特的时候，不存在我们所了解的物质。温度越高，能量密度越大，越能打破万有引力、电磁力、强核力、弱核力等的层层束缚，瓦解一切。这样的过程反过来，或许你就能想象和理解在宇宙逐步膨胀降温的过程中，我们熟悉的物质是怎样得以产生的。
宇宙大爆炸理论的实验证据
为什么科学家对于宇宙大爆炸理论普遍接受，而且能够绘声绘色地讲述这么多细节呢？
前面我们提到过，以皮布尔斯为代表的科学家们从理论上奠定了物理宇宙学的基础，提出了严谨的数学模型和物理理论来描述和解释大爆炸之后宇宙的演化，最重要的是这些理论模型在以下几个方面与人们观测到的实验结果很好地吻合，使得宇宙学从描述性、猜测性的学科，变成了可预测、可验证的精准的科学。
1、宇宙年龄
不同的方法独立测量和推算出的宇宙年龄（大爆炸至今的时间间隔）吻合得很好。对宇宙背景辐射的测量给出了宇宙的冷却时间，而对宇宙膨胀率的测量也可以通过向前推演来计算其近似年龄。包括普朗克航天器、威尔金森微波各向异性探针和其他系统对宇宙微波背景辐射及其温度波动的测量，还有使用 Ia 型超新星进行的宇宙膨胀测量等等，取得很统一的结果。现在公认的宇宙年龄可以被界定在 137.9亿年±0.2亿年的范围内。
2、哈勃红移
哈勃红移就是我们前面提到过的，在地球上观测到的来自遥远星系的光谱全都发生了红移（频率变低），而且距离我们越远的星系红移越严重，这意味着它们离我们远去的速度越快，速度与距离的比值叫哈勃常数。这并不是因为我们是宇宙的中心，在宇宙中不同的观测点（并不是某一个特殊的中心）都会观察到距离越远的星系以更快速度远离这样的现象，所以这是整个宇宙空间本身在膨胀。我们可以想象，一个加了葡萄干的面包胚在烤箱内膨胀的过程，整个空间在膨胀，葡萄干与葡萄干之间的距离在增加，相距越远的葡萄干之间的距离增加得越快。宇宙大爆炸的理论模型首先就是基于观测到的哈勃红移建立的。对哈勃常数的广泛测量为宇宙大爆炸理论提供了强有力的佐证。
3、宇宙微波背景的存在与结构
宇宙微波背景（CMB）是非常微弱的宇宙本底辐射，充满了整个空间，几乎各向同性，与任何恒星、星系或者其他物体都无关 。1964年美国射电天文学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了宇宙微波背景辐射，他们也因此得到1978年的诺贝尔物理学奖，但一开始他们不知道这些无处不在的微波是什么。
皮布尔斯和其他科学家一起，意识到这种无处不在的宇宙微波背景是宇宙大爆炸的遗迹。它遵守黑体辐射规律，所对应的峰值频率是60G赫兹，而峰值波长在一毫米左右，每个光子携带的能量对应的温度是2.7卡尔文，也就是在绝对零度之上2.7度左右。
前面提到在大爆炸之后38万年左右，宇宙冷却到质子和电子可以结合形成中性氢原子。光子（电磁波）才可以开始穿越空间，而不是被宇宙间充满的电荷（质子和电子）散射。那时宇宙对电磁波来说开始变得透明，那时的电磁波直到现在还一直在传播，却因为宇宙空间的膨胀，导致波长随着时间增加。据普朗克关系，波长与能量成反比；根据玻尔兹曼关系，能量与温度成正比。所以这些电磁波，对应的波长越来越长，能量和频率越来越低，温度越来越低，成为宇宙间无处不在的微波背景。
包括皮布尔斯在内的科学家建立的严谨的理论模型，不仅吻合宇宙微波背景辐射存在的事实，也能够解释在几乎各向同性的宇宙背景辐射中存在的微弱各向异性的结构。
4、氢和氦等轻元素的丰度
在1966年皮布尔斯意识到宇宙背景辐射代表的温度提供了大爆炸之后创造出多少物质的信息，他结合了粒子物理理论和宇宙背景辐射数据中得到的物质和光子（辐射能量）的比例，首次对大爆炸之后合成的不同原子核的丰度（所占比例）进行了严谨计算。
在大爆炸三分钟后，当宇宙降温至足以形成稳定的质子和中子，发生了原初核合成，只有一个质子的氢原子核最常见。在宇宙温度降低到十亿开尔文下（kT能量大约十万电子伏特），氘核（一个质子一个中子）开始可以稳定存在，氦核开始形成。我们初中开始背的元素周期表的最前几位，氢、氦、锂、铍以及它们的同位素的原子核就是那时候形成的。这个原初核合成过程是普遍的，充斥整个炽热的宇宙。
但这个过程只持续了十几分钟，此后宇宙的温度和密度已经不再满足核聚变发生的条件，所以没有比铍重的原子核生成。宇宙间元素周期表最前几位的轻元素的丰度（质量或数目的相对比例）就从那个时候开始传承下来。
皮布尔斯等科学家通过严格的理论推导，考虑早期宇宙光子与重子的比例、早期宇宙温度与速度随时间快速变化的模型、核聚变发生的能量条件（也就是温度条件），推算出原初核合成时候75%的质量是氢，25%的质量是氦，0.01%是氘，和极其微量（10-10）的锂。现在观测到的宇宙中氢和氦元素丰度与理论数值的吻合是大爆炸理论的有力证据之一。
或许你会纳闷，那么那些重元素怎么来的，又在哪呢？比如我们所熟知的世界：地球90%左右的质量是氧、硅、铝和铁啊。
原来在宇宙中，氢、氦之外的物质是如此如此之少。原初核合成之后，在极端条件下，比如恒星内部还有核聚变制造出新元素（更重的原子核），有些后来成为了构成行星的材料（比如地球上的氧、硅、铝、铁），但是所有的重元素总量是如此之小，并没有明显改变宇宙中前几种轻元素的丰度。
比如说太阳系的几大行星里面，只有4颗岩石星体（水星、金星、地球、火星），其中地球是最大的，但它也仍然只有太阳质量的33万分之一。太阳系内的巨型星，比如木星和土星，90%的质量是氢。另外虽然木星质量是地球的318倍，比起太阳还是小一千倍。整个太阳系几乎所有的质量都集中在太阳上，而太阳的质量71%是氢，27%是氦。我们现在整个宇宙内的元素中，氢占75%，氦约占24%，其余元素之和约占百分之一，与原初核合成模型的解释吻合得很好。另一方面，结合那些重原子核之间的相对丰度与我们熟知的重核核反应条件，科学家对理解此后宇宙内恒星和星系的演化也提供了信息和证据。
