迟到41年的诺奖得主，用一生寻找宇宙的命运

你可知道，宇宙离我们有多远？

在2019年诺贝尔物理学奖得主、宇宙学家詹姆斯·皮伯斯（James Peebles，又译皮布尔斯）看来，答案也许是“一百年”。

詹姆斯·皮伯斯

在20世纪之前，人们早已形成了“宇宙”的概念，但对它的起源、结构、演变和命运，几乎一无所知。彼时，人们在天文学领域已经积累了长足进步，但还局限于孤立天体的考察中，作为一个整体的宇宙留给人们的，还只有浪漫的、哲学化的想象。

但如今，宇宙学已经成长为一门精确、严密、复杂的定量学科，人们看待宇宙的方式，也已经历了彻底的变革。奇点、大爆炸、暗物质，这些深奥的术语早已在民间普及，并被广泛借鉴于流行的科幻作品中。

然而少有人知道，宇宙学所发生的上述突破与变迁，几乎都与皮伯斯有关。当年诺奖评语这样描述他的贡献：“在物理宇宙学方面的理论发现”。这是一个很令人吃惊的描述，因为纵观诺奖历史，绝大多数获奖者都是凭借某一具体的研究成果，理论家更是微乎其微。

这种反常恰好说明了皮伯斯在学界的影响力。正如同为诺奖得主的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）所做的评价，“过去一百年间，人类对宇宙整体结构的认识取得了巨大的进步，没有人比皮伯斯更有资格来讲述这些深刻而非凡的变化”。

皮伯斯的讲述，凝聚在他的新作《百年宇宙学》（Cosmology's Century）当中。这个85岁（初版时年纪）的老头，将他的一生奉献给了宇宙，这本书正是他为宇宙谱写的“三重咏唱”：宇宙本身的历史、现代宇宙学的历史、他自己与宇宙的私人史。

在书中，既囊括了宇宙本身的浩瀚辉煌，也记录着人类的理性、坚韧和希望。当你读完它，再抬头仰望星空时，看到的将不仅是繁星，那同样也是百年来人类智慧的结晶。

本书由北京师范大学物理与天文学院教授张同杰领衔翻译，保证了中文版本的专业性。

坦率地说，本书不算好读，涉及许多专业知识，时有艰深晦涩之感。但同样值得说明的是，如果你对科学拥有浓厚的兴趣、赤诚的热爱，或是希望以科学、特别是物理学为志业，那么这本书是你不容错过的巨作。

你不仅能从中收获到浩繁的知识，还能与那些伟大的灵魂相遇：在无数个孤单、寂寥的夜晚，他们只有遥远的星空相伴，没有人知道他们还要为一颗星辰等待多久，也没有人知道他们的猜想是对是错。但科学就是这样，一个纯粹的好奇，就能召唤起一生的追寻。

愿这段科学的旅程，也能走进你的一生。

1969年，注定会是载入宇宙史的一年。

这一年的7月16日，阿波罗11号飞船从佛罗里达出发，载着3名宇航员飞向月球。彼时正是美苏军备竞赛的高峰，在苏联宇航员先行一步进入太空之后，美国人急切地想在60年代末完成载人登月的壮举。

航行了四天之后，7月20日，飞船登月舱终于成功在月球表面着陆，尼尔·阿姆斯特朗和巴兹·奥尔德林一前一后，缓缓走出舱门，迈出了“人类的一大步”。

月球上没有大气层，听不见一点声音。抬头望去，巨大的地球孤零零地浸泡在浓黑的天幕里，它的背后，是漫长而遥远的宇宙。

与上述浪漫主义式的眺望不同，同一年，在美国西部的洛斯·阿拉莫斯（Los Alamos）实验室里，34岁的皮伯斯开始了他研究生涯中十分重要的一次尝试：他要利用实验室里的超级计算机，对星系团的集群过程进行一次模拟。

值得一提的是，洛斯·阿拉莫斯实验室最初正是“曼哈顿计划”的产物，奥本海默等人为了研发原子弹来到这片荒无人烟的沙漠深处，也就此开启了军备竞赛的先声。

当时，博士毕业7年的皮伯斯已经是普林斯顿大学的物理学副教授。在来到洛斯·阿拉莫斯之前，他已经同其导师罗伯特·迪克（Robert Dicke）一起进行了一段时间的宇宙微波背景辐射（cosmic microwave background，CMB）研究。

所谓CMB，指的是从宇宙“大爆炸”中遗留下来的一种电磁辐射，早在20世纪40年代就被大爆炸理论先驱伽莫夫（G. Gamow）提出。只不过在当时，受限于天文观测技术，人们既缺乏合适的仪器、也缺乏完善的模型来验证CMB的存在，以至于不少人将大爆炸理论视为一种难以信服的简单假设。在整个60年代，寻找方法测量并解释CMB，成了世界各地天文学、宇宙学小组的流行课题。

迪克是这一领域的先驱。CMB概念被提出后不久，他就研制出一种辐射测量设备“迪克辐射计”，以此粗略估算了CMB的数值。60年代，皮伯斯加入团队后，和迪克一起提出了一个“循环宇宙模型”，从而进一步精确了CMB的预测值。随后，他们开始着手研制更具精度的设备以验证这一估算。

然而他们不知道的是，就在1964年，同在新泽西州的两名科学家彭齐亚斯（A. Penzias）和威尔逊（R. Wilson）在做卫星通讯实验时，利用迪克辐射计捕捉到了一个难以解释的噪声。他们一开始以为是天线上的鸟屎造成的，但反复排查之后发现，这个噪声没有方向性，也找不到来源，甚至没有时间变化。二人辗转找到迪克，迪克听罢，立即意识到这也许就是他的团队正在苦苦寻找的CMB。

双方的缜密验算最终确认了这一事实。这次阴差阳错的“失误”，竟让人类第一次邂逅了137亿年前，宇宙大爆炸的余晖。

论文公开发表后，国际宇宙学界为之一振：CMB的证实为大爆炸理论提供了决定性的证据，这一理论从此成为学界乃至大众广泛承认的宇宙起源模型。宇宙学家们的工作进入到了新阶段，即在大爆炸理论的基础上，进一步探究宇宙的结构、演变与命运。

皮伯斯在洛斯·阿拉莫斯所做的宇宙学模拟可以视作这一新阶段的开端。这一模拟的初衷是，验证在大爆炸的前提之下，向各处均匀膨胀的物质最终的确能演变成一个又一个的星系。计算机模拟的结果显示，在重力作用下，均匀的物质“浓汤”最终会逐渐“结块”。

这次模拟在学界引发了不小的回响，计算机在宇宙学中的引入为其开辟了从定性分析到定量计算的大门。它和CMB的证实等其他60年代的重要成果一道，组成了百年宇宙学中的“分水岭”。

1971年，普林斯顿大学的同事、从事恒星研究的奥斯特里克（J. Ostriker）找到皮伯斯，希望能对上述模拟实验进行改良，将实验中的数据点从星系替换成恒星。

原来，当时的研究已经测量出了银河系的整体形状——一个中间略凸、四周极平的铁饼状圆盘，并且处于不停的旋转中。但奥斯特里克却提出了一个颇为直观的质疑：人类迄今观察到的天体基本都是球形，有些天体会因为其自身的旋转而变得略扁——就比如我们的地球。然而，像银河系这样扁成一个铁饼是在动力学上无论如何也无法想象的，它要么会进一步压缩成棍状，要么就直接分崩离析。

皮伯斯为奥斯特里克的这一猜想展开了模拟验证，他将“恒星”的初始位置设置成一个圆盘，并给予每颗“恒星”以一个合适的初速度，从而令整个“星系”旋转起来。没过多久，计算机就输出了结果：“星系”旋转得很快，导致“恒星”四处乱飞，根本维持不了稳定的形状。二人进一步计算后得出，这种星系模型会在单次旋转后即告解体。

然而，现实中的银河系旋转得缓慢且稳定。是初始速度设定得不对吗？皮伯斯反复调试这一变量，但结果都大同小异。模拟结果与现实的差异让他们意识到，也许有一些看不见的变量在起作用。

一个绝妙的灵感从二人脑海中划过。既然恒星最终总是保持为近乎球形，那么不妨给扁平的“星系”加一个有质量的球形壳，从而为“星系”本身提供附加的引力。新的模拟结果印证了这一猜想，加上了外壳的“星系”一改此前脆弱的状态，进入了稳定的旋转之中。

现在，难题变成了如何解释这个“壳”，毕竟没有人从天文望远镜里观测到过它。皮伯斯将其称为“星系晕”，就像日晕笼罩在太阳外围一样，只不过星系晕有着实在的质量——起码不低于星系本身。这也就意味着，人们当时对星系乃至整个宇宙的质量的估算都严重偏低。

皮伯斯等人将这些实验和分析写成论文发表，果然引发学界的一片哗然，毕竟这有可能推翻许多人在宇宙结构研究当中的基础设定。无独有偶，就在几乎同一时期，卡内基研究所的学者薇拉·鲁宾（Vera Rubin）和肯特·福特（Kent Ford）也提出了类似主张。她们在研究仙女座星系的转速时发现了异状，外缘恒星的速度与中心恒星几乎没有显著差异，而这与我们从太阳系诸行星转速（内快外慢）中得到的经验认知大相径庭。鲁宾她们由此意识到，有一种额外的、未知的引力来源维系了星系的稳定。

不约而同地，两支团队将答案指向一个尘封30多年的猜想：暗物质。

早在20世纪30年代，瑞士天文学家兹威基（F. Zwicky）就提出了宇宙中不可见物质的存在，但他的观点在当时并未得到学界的重视。彼时，学界关注的重点是哈勃（E. Hubble）所发现的红移现象（所有星系彼此之间都在变得越来越远），由此衍生出的结论——宇宙正在膨胀——直接挑战了爱因斯坦的静态宇宙论。兹威基反对膨胀说，认为红移现象来自光子的能量损失而非宇宙自身的膨胀。他的观点被学界大多数同仁所拒斥，连带着暗物质猜想也没能获得应有的重视。

皮伯斯和鲁宾等人的发现像一柄实证之爪，将这个猜想从历史长河中打捞上岸。在不断涌现的新证据面前，暗物质的存在终于成为学界共识，鲁宾被评价为“暗物质之母”，皮伯斯则在此基础上继续研究宇宙整体结构，最终写成巨著《宇宙的大尺度结构》（The Large-scale Structure of the Universe），成为这一领域绕不开的丰碑，他本人也因此声望日隆。

但遗憾随之而来。1978年，彭齐亚斯和威尔逊因为此前对CMB“阴差阳错”的发现而获得了当年的诺贝尔物理学奖，但迪克和皮伯斯等人却与奖项失之交臂。其中一个原因是，诺贝尔奖总是倾向于颁发给单项发现，而理论宇宙学学者尽管为发现CMB提供了不可或缺的支持，却难以成为“突破”本身。另一个可能的原因是，诺贝尔物理学奖每年只能颁发给3个人，在彭齐亚斯和威尔逊之外只剩1个名额，容纳不了迪克和皮伯斯两人。

皮伯斯后来回忆这次遗憾，认为应该把导师迪克列为第三个获奖者，因为“实验用的关键技术迪克辐射计，就是迪克发明的”。

1997年，迪克去世。2015年，鲁宾因其对暗物质理论的贡献而被提名诺贝尔物理学奖，但最终未能获奖。次年，88岁高龄的鲁宾亦与世长辞。

六七十年代曾与皮伯斯一起在宇宙学殿堂里遨游的那些名字，一个接着一个成为了历史。四十多年里，宇宙学经历了又一轮革命，达到了空前的模型精度。生涯后期的皮伯斯依然引领着后辈们：他将物质功率谱、三点相关函数等统计工具引入研究当中，为高精度定量分析提供了重要的依托。

2000年，皮伯斯从普林斯顿大学退休，但仍担任名誉教授。荣誉在他晚年接踵而至：2004年，他荣获有“东方诺贝尔奖”之誉的邵逸夫奖，评语中称其“为几乎所有现代宇宙学研究奠定了基础，将一个高度推测性的领域转变成了一门精确的科学”；2005年，瑞典皇家科学院授予他克拉福德奖，这一奖项亦与诺奖齐名。

唯独那个曾一度与他擦肩而过的桂冠之奖，再未向他招手过。他80多岁了，头发稀疏、花白，也许不久之后就要回归于宇宙的尘埃。物理学界每一天都在诞生振奋人心的新发现，每一年都在涌现出新的天才，没有人认为耄耋之年的他还能站上斯德哥尔摩音乐厅的舞台。

那又怎么样呢？与浩瀚宇宙中的奇迹相比，舞台上的聚光灯实在太过黯淡。

奇迹就在这时发生了。就像暗物质理论冷寂了三四十年后重回学界视野的中心，皮伯斯的名字在迟到41年之后，终于在殿堂的上空回荡。

暌违多年，得知自己获奖后的皮伯斯反应却很平静。他在社媒上发表了自己的感想：

我对进入科学的年轻人的建议是：你应该出于对科学的热爱来从事它……你进入科学的原因应该是，你对它深深地着迷。

My advice to young people entering science: you should do it for the love of science... You should enter science because you are fascinated by it.

文字底下的配图里，皮伯斯穿着一身西装，嘴角微微勾起，笑盈盈地注视着屏幕另一侧的年轻人。他在等你迈出属于自己的“一大步”。

获奖次年，他的新作《百年宇宙学》付梓。这本书还有一个副标题，“我们对宇宙的百年探索”，从爱因斯坦于1917年提出宇宙的均匀性以来，一代又一代对科学深深着迷的人们，尝试解开悬挂在我们头顶上的这个美丽的谜团。其间，有过“绝妙的见解、幸运的猜想”，也有过“未选择的道路、犯过的大大小小的错误”，最终，它们都演变成“研究过程中逐渐积累的大量证据”，并“以一种合情合理的方式汇聚在了一起”。

《百年宇宙学》所讲述的，正是这样一段历史。人类在探索中留下的光芒，丝毫不亚于宇宙本身的璀璨。也许再过一百年，我们仍然无法得知宇宙的真相，仍然像一粒尘埃一样从宇宙的缝隙里滑落，但这些都不重要。

真正重要的是，我们仍愿意抬头仰望星空，仍然会对这个世界感到好奇。宇宙有一种永恒的引力，一遍遍吸引着人类，在科学的故事里前赴后继。

诺奖得主、物理宇宙学奠基人亲述

一个世纪以来人类认识宇宙的历程

人类理性的赞歌，宇宙命运的洪流

-End-

2025.7.20

原标题：《迟到41年的诺奖得主，用一生寻找宇宙的命运》

阅读原文