今年的諾貝爾物理學獎授予了吉姆·皮布林斯（James Peebles）、米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）。獲獎的理由是表彰他們在理解宇宙演化和地球在宇宙中的位置所做出的傑出貢獻。

這個理由真的是一般人看了一臉懵，今天我們就詳細說說什麼是理論宇宙學和地球在宇宙中的位置！

什麼是“理解宇宙演化”

我們剛接觸天體物理學或者剛開始了解宇宙的時候，估計我們每一個人都會提出一個最最深刻的問題，這一切從哪裡來？這也是人類幾千年來苦苦追尋的本源問題。直到20世紀人們在物理學和觀測手段上取得了長足的進步，我們才第一次有能力試圖回答這個問題。也對宇宙的起源提出了一些可行的說法，並且還思考了以下幾個問題：

宇宙的組成成分是什麼？掌握宇宙的背後的規則是什麼？宇宙中的恆星、星系、星系團甚至是大尺度結構在如何產生和演化的？

首先我們要了解在科學史上出現的兩件事，它們為我們理解宇宙演化奠定了基礎！

《文子·自然》《淮南子》：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇。”宇宙，即廣宇自然，所有空間、時間、物質以及事物的總稱！

上段話已經清楚的交代了宇宙這兩個字的含義，如果我們要了解宇宙的演化，我們必須搞清楚時空的性質以及物質（能量）和時空之間的關係。這裡我們就要提到廣義相對論了（GR），是GR給我們帶來了新的時空觀，它告訴我們：時空不是固定不變的，而是一種由於物質和能量的存在而彎曲的幾何實體，並且參與著事物的運動和宇宙的演化！

因為愛因斯坦在自己的方程中已經得出了空間會在引力的作用下收縮，為了防止宇宙塌縮還故意往方程里加入了“宇宙常數”，這就說明了空間是可以變化的（可大可小）。

廣義相對論這種新引力理論的成功和發展，不僅解決當時讓科學家頭疼了幾十年的水星軌道進動問題問題，還預測了一大堆已經被證實的現象，包括遙遠的星光因大品質物體而偏轉、引力紅移、由於引力而產生的延時效應、大品質物體之間的軌道衰減等等。廣義相對論就為人們進一步理解宇宙打好了堅實的基礎！

哈勃首次發現仙女座星系中的第一顆變星。

在哈勃確認M31（仙女座）星系之前，最初人們認為它是星雲狀的恆星形成區域，距離我們只有幾千光年或幾萬光年遠，也就是處在我們銀河系中，當時覺得整個銀河系就是宇宙。

後來，人們通過對變星的大量了解，知道了變星的周光關係，哈勃通過對仙女座星系內部變星的識別告訴我們，它距離我們有數百萬光年遠。是銀河系之外宇宙中獨立的星星島，至此人們的思想終於是走出了銀河系，走向了宇宙。

哈勃的另外一個重大發現是：宇宙中的星系大致均勻地分佈在所有方向和距離上，這些星系都在遠離我們。結合星光紅移資料，即星系遠離我們的速度以及我們能夠從每個星系內的恆星觀測中獲得的距離資料，哈勃發現一個星系離我們越遠，推行的速度越快！這就是哈勃定律。

在廣義相對論的解中，空間本來就不是恆定不變的，不是收縮就是擴張，通過哈勃的觀測，人們就很容易能得出一個具有開拓性的結論：星系之間不斷產生新的空間，迫使星系相互遠離。也就是說空間在膨脹！這就是廣義相對論對宇宙演化最大的貢獻。

基於我們到目前為止所說的，我們可以得出一個結論：宇宙在過去更加密集溫度更高，隨著時間的推移會變冷更稀疏。這就是宇宙大爆炸理論的框架。就是這樣來的，首先提出這個框架的人是喬治·伽莫夫。在大爆炸的初始框架中沒有我們現在所說的暗物質、暗能量、沒有微波背景輻射、沒有大爆炸後的核合成，我們甚至不知道宇宙初始物質的含量是多少（輕元素丰度）。

接下來吉姆·皮布林斯（James Peebles）就根據大爆炸框架開始了他的宇宙演化圖景。通過將物理定律應用到整個宇宙的系統中，皮布林斯開始研究宇宙早期的細節，以及這些細節如何隨著時間的推移而演化，從而產生我們今天可以看到的特徵。

如果今天的宇宙正在膨脹，那麼過去的宇宙更熱、更稠密、更年輕。那時的光線波長更短，宇宙的能量更大。從理論上講，物質和輻射的距離更近，因此早期的宇宙碰撞不僅造成了更大的衝擊，而且發生得更加頻繁。如果這是真的，皮布林斯認為這個想法將會對我們的宇宙產生巨大的影響。

1、宇宙過去在空間上物質分佈的更為均勻

因為萬有引力是一種失控的力，任何特定的區域聚集的品質越大，引力就越大。這意味著現在的宇宙比以往任何時候的物質團塊更多。這說明曾經有一段時間宇宙中沒有超星系團，沒有星系，甚至我們回到足夠早的時期，也沒有恆星。這意味著在宇宙形成初期，宇宙中密度最大和最小的區域之間不僅只有細微的差別，而且所有在恆星中產生的重元素在遙遠的過去都不存在。

2、宇宙曾經非常熱，以至於中性原子無法形成。

能量足夠高的光子和原子之間的碰撞頻繁，就會把中性原子的電子踢出去。也就是說如果你加熱任何物質，只要溫度足夠高，原子就會被電離。如果回到宇宙足夠熱、密度足夠大的時候，就不可能形成任何中性原子。

3、宇宙溫度高到不能形成原子核。

儘管把原子核結合在一起的力比把原子結合在一起的力強幾個數量級（大約一百萬倍），但只要宇宙的溫度和密度足夠高，原子核也會被炸開。如果這是真的，那麼曾經就有一段時間，宇宙僅僅是質子、中子和電子的海洋，並通過一個冷卻階段，在這個階段質子和中子可以融合在一起而不會被炸開。

這將導致大爆炸核合成特定數量的最輕元素和同位素（氘、氦-3、氦-4和鋰-7）的融合和形成，除了這些元素之外不會有其他重元素。這個數量和比例應該完全取決於宇宙中重子（質子和中子）與光子的比例。

如果宇宙中有正常物質（質子、中子和電子）和輻射，而且大爆炸是正確的，我們將看到這三種物質的證據。特別是從宇宙的最初階段就會有殘留的黑體輻射：微波背景輻射，幾乎全天空完美的各向同性和均勻性，只比絕對零度高几度。

以上就是皮布林斯對早期宇宙演化圖景的理論貢獻，以及對大爆炸核合成、輕元素丰度和微波輻射的預言。

在20世紀60年代，由貝爾實驗室的彭齊亞斯和威爾遜發現了充滿全天空的微波噪音，後來經過COBE、WMAP和Planck等衛星的精準驗證。宇宙微波背景在黑體輻射光譜的溫度為2.72548±0.00057K。

在遙遠的宇宙深處的原始氣體雲中：自大爆炸以來從未形成過恆星的區域，我們探測到了早期階段微量元素和同位素的數量。

以上的觀測結果都與大爆炸理論的預言驚人的一致！沒有其他理論或模型可以預測這些事情，也沒有任何理論或模型可以與大爆炸相提並論。所以皮布林斯將宇宙學轉變為了一門擁有精確資料的硬科學，他應用於宇宙的理論框架實際上是所有現代宇宙學的基礎。因此他獲得了今年的諾貝爾物理學獎。

什麼是“地球在宇宙中的位置”

米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）

上文我們說了宇宙的演化，從宇宙的大尺度結構到恆星系統，宇宙需要經歷數十億的進化，從恆星到星系在到星系團。宇宙中無數的恆星經歷死亡、重生，將自己一生合成的豐富元素拋灑到宇宙中，富含重元素的行星才得以形成！

這些行星應該都含有岩石/金屬核心，並且受萬有引力的控制繞自己的母恆星以橢圓軌道的方式執行，這應該和我們太陽系一樣。行星的引力作用能對母恆星的光譜產生可觀測的影響，週期性的紅移和藍移，這就是我們常說的恆星擺動法！

而行星從母恆星面前經過，會週期性的擋住一部分光線，我們可以測量恆星光度的微弱變化，就可以探測一個行星的軌道週期和半徑，這就是行星凌日法。以上兩種方法是我們常用的探測系外行星的方法。

就在幾十年前，我們只知道太陽周圍由行星環繞，但是，1995年10月6日瑞士日內瓦大學（UNIGE）科學系天文臺教授米歇爾·麥耶（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛茲（Didier Queloz）宣佈發現了第一顆圍繞類太陽恆星執行的行星。自從飛馬座51b首次進入世界各地科學家的詞典以來，對系外行星的搜尋已經成為一個新興而重要的領域，迄今共發現了4，000多顆已證實的系外行星。那麼為什麼獲獎理由是地球在宇宙中的位置呢？

尋找宇宙中的生命

要想知道第一顆系外行星的發現對科學來說有多重要，只需考慮人類一直關心的一個最基本的問題:“我們在宇宙中是孤獨的嗎？”

隨著每一年都有新的望遠鏡和裝置支援著我們對系外行星的搜尋，我們發現了系外行星上有可支援生命的大氣的跡象。這意味著今年是向這些天體物理學家致敬的最佳時機。

當我們分析這些行星和它們的恆星系統時，將它們的起源、演化、物理和化學成分拼湊在一起，可以說，發現系外行星的下一個重要步驟是確定一個能夠支援生命存在的系外行星。

據估計，宇宙中存在數百億顆行星系統，理論上可能存在大量的系外行星，這讓天體物理學家和天體生物學家們有理由相信，生命並不是我們這個渺小而平凡的世界所獨有的。這就是為什麼說第一顆系外行星的發現了改變了我們地球在宇宙中的位置！因此這兩人與詹姆斯·皮布林斯分享了2019年諾貝爾物理學獎。

祝賀2019年諾貝爾物理學獎得主和他們的革命性發現。