2004年邵逸夫天文学奖授予詹姆斯.皮布尔斯(P. James E. Peebles), 以表彰他一生对宇宙学和天体物理学的开创性贡献。皮布尔斯在1963至1985年间,为该领域几乎所有现代的理论和观测研究奠下基石。独立于他人早期的研究,皮布尔斯认识到观察到的轻元素同位素,特别是氢、氘及氦-4的化学丰富度需要热大爆炸,这个大爆炸产生了今天可观察到的宇宙微波背景。当时普林斯顿 (Princeton)大学正在设计实验探测这种辐射,仅稍稍晚了一步,让贝尔实验室(Bell Laboratories)的发现捷足先登。这个预言的极大成功,鼓舞了粒子物理学家和宇宙学家,去推测更早期的宇宙历史,对宇宙起源本质提出了不少令人兴奋而富启发性的新概念。

皮布尔斯也是第一位准确计算出宇宙由电离态转至中性态这个关键转变的科学家,他提出计算复合时印留在宇宙微波背景上的结构的理论体系。他推广了旋涡星系被大量暗物质晕包围的概念,也是首位详细地推断宇宙物质大尺度成团现象的天文学家,这是基于假设这种暗物质是由无规速度较低、与正常物质的相互作用微弱、与光之间除引力作用外无反应的基本粒子组成。「冷暗物质」的名称就是源于这些特征。不少皮布尔斯最先提出的重要概念,数十年后被高红移宇宙的观测所证实,特别是被近年来宇宙微波背景扰动的角功率谱和偏振的测量所验证。他的两本有关物理宇宙学和宇宙大尺度结构的巨着,基本上规范了今天这一领域的科学语言,并且指出了,除暴胀概念外,差不多所有该领域的研究方向。皮布尔斯的远见和领导的关键作用使宇宙学由天马行空的纯理论研究,转变成为二十一世纪初非常精确的科学。

今天,关于宇宙学的共识是,我们生存在一个蓝姆达冷暗物质(Lambda Cold Dark Matter)宇宙,或称ΛCDM的宇宙中,其平坦的空间几何所需密度,大概有四分之一由普通物质和暗物质组成,其余的四分之三则由暗能量组成。这个答案在理论上的主要引人之处就在于空间的平坦性是暴胀宇宙的最直截了当的预言,而看上去恰好达到闭合度值的这种精确组合,成了过去十多年来科学上的一大惊奇。皮布尔斯本人关于原初核合成方面的研究,成为以下结论的支柱,能够发射、散射及吸收光的重子物质,其密度只占闭合密度值的百份之四或五。由他开始的或促成的对星系、星系群和星系团的动力学方面的先驱性研究,导致今天一致认同的结论,即冷暗物质只约占宇宙闭合密度的另外百分之二十。总密度正好等于宇宙闭合密度值的结论,则主要来自近年对闭合密度贡献微不足道的宇宙微波背景的各向异性小振幅扰动的角功率的测量。这个发现,结合上述其他两项结论,就得到剩余的密度值约为总数的四分之三,因为真空尽管没有物质和辐射,但仍然具有非零能量(暗能量或宇宙学常数)。

这种有乖常理的结果相信是因为正负量子真空涨落不能完全抵消所造成的。宇宙学常数Λ(爱因斯坦用语)带有正能量密度和负压力,逐渐地导致随时间加速的宇宙膨胀。正是这种加速,而不是减速膨胀,被独立的两天文小组对遥远超新星的亮度测量所断言。这项证据,再结合宇宙大尺度结构形成的数值模拟,使蓝姆达冷暗物质模型主导了当代宇宙学研究。

皮布尔斯在过去十几年不断唿吁,提醒大家不要急着就断言现在已精确地知道了重要的宇宙学参量。他指出,来自现时天文学的限制还尚不足以就接受流行的蓝姆达冷暗物质宇宙模型及其相关理论。他认为这些理论也未能圆满解决星系形成的问题, 也解释不了为何在宇宙巨洞中没有矮星系。

粒子物理学家也加入辩论,有些人宣称非零宇宙学常数违反了当代基础物理学的主要概念。且不管这场辩论的结果如何,历史将记载过去四十多年所确立的现代天体物理学的重要成果,这包括:宇宙从一个现称为热大爆炸的极热和极高密度的状态不断膨胀。该膨胀基本上可用相对论性的弗里德·勒梅特公式 (Friedmann-Lemaître equation)描述;只有最轻的元素才会由热大爆炸产生;物理学家、化学家和生物学家平常在地球上的实验室研究的物质只占宇宙总质能极少部份;热大爆炸释放的残余辐射现已充斥整个宇宙;该辐射的小扰动反映了宇宙由电离态演变为中性态,以及由光学不透明变为光学透明时物质扰动的分布以及当物质和辐射分离后,微小的物质密度增高因引力而增长,形成今天遍布宇宙的星系和星团。这是按现代科学的认识描绘宇宙起源和演化的一幅精彩非凡的画作,每一笔都可以见到詹姆斯·皮布尔斯的神妙功夫。以这成就接受第一届邵逸夫天文学奖, 是实至名归。


邵逸夫天文学奖遴选委员会
(译自英文原件)

2004年9月7日  香港