山水同盟
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主要貢獻：皮布爾斯建立的嚴謹的理論模型，不僅吻合宇宙微波背景輻射存在的事實，也能夠解釋在幾乎各向同性的宇宙背景輻射中存在的微弱各向異性的結構。
皮布爾斯等科學家通過嚴格的理論推導，考慮早期宇宙光子與重子的比例、早期宇宙溫度與速度隨時間快速變化的模型、核聚變發生的能量條件（也就是溫度條件），推算出原初核合成時候75%的質量是氫，25%的質量是氦，0.01%是氘，和極其微量（10-10）的鋰。現在觀測到的宇宙中氫和氦元素豐度與理論數值的吻合是大爆炸理論的有力證據之一。
（10月8日，諾貝爾物理學獎的一半授予James Peebles，獎勵他在物理宇宙學方麵的理論發現。Peebles 提出了嚴謹的數學模型和物理理論，描述和解釋大爆炸之後宇宙的演化，這些理論模型與實驗觀測很好地吻合，使得宇宙學從描述性、猜測性的學科，轉變為可預測、可驗證的精準科學。）
總起來講，這個獎不具體，算是終身貢獻成就獎。（諾貝爾物理學獎有些黔驢技窮的味道？類似愛因斯坦的老虎哪裏去了？）
什麽是宇宙大爆炸理論？
宇宙大爆炸理論是描述宇宙的源起與演化的理論模型，這一模型理論上是基於愛因斯坦的廣義相對論，並得到當今科學實驗觀測最廣泛最精確的支持 。通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反推，則可得出宇宙在距今約138億年前，起始於一個密度極大且溫度極高的太初狀態（奇點），在膨脹和冷卻的過程中，重子、原子核、原子等等開始形成。在宇宙大爆炸後38萬年，宇宙變得透明，電磁波（光）得以穿越太空，隨著宇宙的膨脹和冷卻，那些古老的電磁輻射演化成微波背景存在於整個宇宙，蘊含著早期宇宙的大量信息。繼續膨脹和冷卻的宇宙，慢慢演化出星雲、恒星、星係等可觀測天體結構，而宇宙誕生初期原初核合成產生的輕元素原子核的豐度（相對比例）卻保留下來。皮布爾斯發明的理論工具和計算方法能夠解釋這些宇宙初期開始、到現在仍能觀測到的痕跡（微波背景輻射，輕元素豐度等），並發現新的物理過程。
皮布爾斯最重要的貢獻是，他在理論方麵的研究推動宇宙學從一種經驗的描述性的學科發展成了精確的可以驗證、可以預測的科學。有一句話叫作，“凡是沒有任何辦法證偽的命題不能夠稱作科學命題”。意思就是說科學在本質上有可驗證性和可預測性。如果一種理論永遠沒有辦法驗證或者證偽，那還不能算本質的科學，隻能算一種假說。
在大爆炸之前宇宙是什麽呢？
經常有人問，如果宇宙始於大爆炸，那麽在大爆炸之前宇宙是什麽呢?
這個問題無解，就是有答案，也不能驗證，所以是假說。
宇宙大爆炸之後發生了什麽？
第二次世界大戰以後，宇宙膨脹的觀點引出了兩種互相對立的可能理論：一種理論是由勒梅特提出，喬治·伽莫夫支持和完善的大爆炸理論。伽莫夫提出了太初核合成理論，而他的同事拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則理論上預言了宇宙微波背景輻射的存在。另一種理論則是英國天文學家弗雷德·霍伊爾等人提出的穩態理論。在穩恒態宇宙模型裏，新物質在星係遠離留下的空間中不斷產生，從而宇宙在任何時候看上去都基本不變化。具有諷刺意味的是，大爆炸理論的名稱卻是來自霍伊爾提到勒梅特的理論時所用的稱呼，他在1949年3月的一期BBC廣播節目《物質的特性》（The Nature of Things）中將勒梅特等人的理論稱作“這個大爆炸的觀點”。之後的許多年，這兩種理論並立，但射電源計數一係列觀測證據使天平逐漸向大爆炸理論傾斜。1965年，宇宙微波背景輻射的發現和確認更使絕大多數物理學家都相信：大爆炸是能描述宇宙起源和演化最好的理論。現在宇宙物理學的幾乎所有研究都與宇宙大爆炸理論有關，或者是它的延伸，或者是進一步解釋，例如大爆炸理論的框架下星係如何產生，早期和極早期宇宙的物理定律，以及用大爆炸理論解釋新觀測結果等。
預言了宇宙微波背景輻射成了大爆炸理論的最重要的證據。但是，我們依然不知道大爆炸之前的宇宙是什麽樣，所以，大爆炸理論隻是一個殘缺不全的理論。
在大爆炸之後具體發生了什麽？
從大爆炸的時間點開始，高密度高溫高壓的宇宙發生了非常快速的膨脹和冷卻。大約在膨脹進行到10-37秒時，宇宙發生了呈指數增長的暴脹。在10-33至10-32秒暴脹結束，稍微冷卻的宇宙出現了誇克等基本粒子。此時的宇宙仍然非常熾熱，粒子都在高速隨機地運動碰撞，而粒子-反粒子在碰撞中不斷地產生和湮滅。
隨著宇宙的持續膨脹和冷卻，宇宙溫度降低到不能隨機產生新的粒子-反粒子對，高能粒子物理實驗室研究完全能夠企及宇宙這個階段的溫度所對應的粒子能量，所以人們對這個時間再往後的宇宙演化過程比最初的暴脹過程有更準確得多的把握。此時所有粒子-反粒子繼續成對湮滅，形成大量光子（電磁波），由於粒子數目略多於反粒子數目（原因尚未明），保留的幾乎都是正粒子（比如質子、中子和電子），而且速度顯著低於光速，而此時的宇宙能量密度的主要貢獻來自正反粒子湮滅產生的大量光子（少部分來自中微子）。
在大爆炸發生的幾分鍾後，宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級，一些減速的質子和中子開始結合成比氫原子核（一個質子）更複雜的原子核（比如氘和氦的原子核）。
在大爆炸大約38萬年之後，在繼續膨脹和冷卻的宇宙內，電子和原子核開始結合成為原子（主要是氫原子）。宇宙開始變得透明，因為光子（電磁波）得以相對自由地傳播（而不是被電子和質子吸收散射）。產生於宇宙大約38萬歲時的電磁波輻射一直在宇宙中傳播，它們的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。從今天這些光子的能量中，可以推斷出早期宇宙的溫度下限、密度和能量分布等信息。
聽起來很玄，其實可以慢慢理解。比如說大家都能想象冰融化的過程：隨著溫度的升高，固體分子攜帶的熱運動能量增加，直到這些單個分子的能量大到可以掙脫分子間晶格作用力的束縛，固體就熔化成液體。溫度繼續升高，超過沸點，分子能量大到可以徹底擺脫其餘分子，於是沸騰成為自由的氣態。當溫度高達幾千度，粒子熱運動的能量就可以撕裂原子，產生等離子體（比如在地球大氣層離地幾百到一千公裏的電離層）。而隨著溫度繼續升高，原子核和電子之間的束縛會被打破，十億度以上溫度對應的能量則可以把原子核拆開。溫度再高，質子中子也不能穩定存在，等等。
所以你能夠想象在宇宙大爆炸初期溫度高於1016度， kT能量遠高於 1T（1012）電子伏特的時候，不存在我們所了解的物質。溫度越高，能量密度越大，越能打破萬有引力、電磁力、強核力、弱核力等的層層束縛，瓦解一切。這樣的過程反過來，或許你就能想象和理解在宇宙逐步膨脹降溫的過程中，我們熟悉的物質是怎樣得以產生的。
宇宙大爆炸理論的實驗證據
為什麽科學家對於宇宙大爆炸理論普遍接受，而且能夠繪聲繪色地講述這麽多細節呢？
前麵我們提到過，以皮布爾斯為代表的科學家們從理論上奠定了物理宇宙學的基礎，提出了嚴謹的數學模型和物理理論來描述和解釋大爆炸之後宇宙的演化，最重要的是這些理論模型在以下幾個方麵與人們觀測到的實驗結果很好地吻合，使得宇宙學從描述性、猜測性的學科，變成了可預測、可驗證的精準的科學。
1、宇宙年齡
不同的方法獨立測量和推算出的宇宙年齡（大爆炸至今的時間間隔）吻合得很好。對宇宙背景輻射的測量給出了宇宙的冷卻時間，而對宇宙膨脹率的測量也可以通過向前推演來計算其近似年齡。包括普朗克航天器、威爾金森微波各向異性探針和其他係統對宇宙微波背景輻射及其溫度波動的測量，還有使用 Ia 型超新星進行的宇宙膨脹測量等等，取得很統一的結果。現在公認的宇宙年齡可以被界定在 137.9億年±0.2億年的範圍內。
2、哈勃紅移
哈勃紅移就是我們前麵提到過的，在地球上觀測到的來自遙遠星係的光譜全都發生了紅移（頻率變低），而且距離我們越遠的星係紅移越嚴重，這意味著它們離我們遠去的速度越快，速度與距離的比值叫哈勃常數。這並不是因為我們是宇宙的中心，在宇宙中不同的觀測點（並不是某一個特殊的中心）都會觀察到距離越遠的星係以更快速度遠離這樣的現象，所以這是整個宇宙空間本身在膨脹。我們可以想象，一個加了葡萄幹的麵包胚在烤箱內膨脹的過程，整個空間在膨脹，葡萄幹與葡萄幹之間的距離在增加，相距越遠的葡萄幹之間的距離增加得越快。宇宙大爆炸的理論模型首先就是基於觀測到的哈勃紅移建立的。對哈勃常數的廣泛測量為宇宙大爆炸理論提供了強有力的佐證。
3、宇宙微波背景的存在與結構
宇宙微波背景（CMB）是非常微弱的宇宙本底輻射，充滿了整個空間，幾乎各向同性，與任何恒星、星係或者其他物體都無關 。1964年美國射電天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現了宇宙微波背景輻射，他們也因此得到1978年的諾貝爾物理學獎，但一開始他們不知道這些無處不在的微波是什麽。
皮布爾斯和其他科學家一起，意識到這種無處不在的宇宙微波背景是宇宙大爆炸的遺跡。它遵守黑體輻射規律，所對應的峰值頻率是60G赫茲，而峰值波長在一毫米左右，每個光子攜帶的能量對應的溫度是2.7卡爾文，也就是在絕對零度之上2.7度左右。
前麵提到在大爆炸之後38萬年左右，宇宙冷卻到質子和電子可以結合形成中性氫原子。光子（電磁波）才可以開始穿越空間，而不是被宇宙間充滿的電荷（質子和電子）散射。那時宇宙對電磁波來說開始變得透明，那時的電磁波直到現在還一直在傳播，卻因為宇宙空間的膨脹，導致波長隨著時間增加。據普朗克關係，波長與能量成反比；根據玻爾茲曼關係，能量與溫度成正比。所以這些電磁波，對應的波長越來越長，能量和頻率越來越低，溫度越來越低，成為宇宙間無處不在的微波背景。
包括皮布爾斯在內的科學家建立的嚴謹的理論模型，不僅吻合宇宙微波背景輻射存在的事實，也能夠解釋在幾乎各向同性的宇宙背景輻射中存在的微弱各向異性的結構。
4、氫和氦等輕元素的豐度
在1966年皮布爾斯意識到宇宙背景輻射代表的溫度提供了大爆炸之後創造出多少物質的信息，他結合了粒子物理理論和宇宙背景輻射數據中得到的物質和光子（輻射能量）的比例，首次對大爆炸之後合成的不同原子核的豐度（所占比例）進行了嚴謹計算。
在大爆炸三分鍾後，當宇宙降溫至足以形成穩定的質子和中子，發生了原初核合成，隻有一個質子的氫原子核最常見。在宇宙溫度降低到十億開爾文下（kT能量大約十萬電子伏特），氘核（一個質子一個中子）開始可以穩定存在，氦核開始形成。我們初中開始背的元素周期表的最前幾位，氫、氦、鋰、鈹以及它們的同位素的原子核就是那時候形成的。這個原初核合成過程是普遍的，充斥整個熾熱的宇宙。
但這個過程隻持續了十幾分鍾，此後宇宙的溫度和密度已經不再滿足核聚變發生的條件，所以沒有比鈹重的原子核生成。宇宙間元素周期表最前幾位的輕元素的豐度（質量或數目的相對比例）就從那個時候開始傳承下來。
皮布爾斯等科學家通過嚴格的理論推導，考慮早期宇宙光子與重子的比例、早期宇宙溫度與速度隨時間快速變化的模型、核聚變發生的能量條件（也就是溫度條件），推算出原初核合成時候75%的質量是氫，25%的質量是氦，0.01%是氘，和極其微量（10-10）的鋰。現在觀測到的宇宙中氫和氦元素豐度與理論數值的吻合是大爆炸理論的有力證據之一。
或許你會納悶，那麽那些重元素怎麽來的，又在哪呢？比如我們所熟知的世界：地球90%左右的質量是氧、矽、鋁和鐵啊。
原來在宇宙中，氫、氦之外的物質是如此如此之少。原初核合成之後，在極端條件下，比如恒星內部還有核聚變製造出新元素（更重的原子核），有些後來成為了構成行星的材料（比如地球上的氧、矽、鋁、鐵），但是所有的重元素總量是如此之小，並沒有明顯改變宇宙中前幾種輕元素的豐度。
比如說太陽係的幾大行星裏麵，隻有4顆岩石星體（水星、金星、地球、火星），其中地球是最大的，但它也仍然隻有太陽質量的33萬分之一。太陽係內的巨型星，比如木星和土星，90%的質量是氫。另外雖然木星質量是地球的318倍，比起太陽還是小一千倍。整個太陽係幾乎所有的質量都集中在太陽上，而太陽的質量71%是氫，27%是氦。我們現在整個宇宙內的元素中，氫占75%，氦約占24%，其餘元素之和約占百分之一，與原初核合成模型的解釋吻合得很好。另一方麵，結合那些重原子核之間的相對豐度與我們熟知的重核核反應條件，科學家對理解此後宇宙內恒星和星係的演化也提供了信息和證據。
