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菲利普·詹姆斯·埃德溫·皮布爾斯（英語：Phillip James Edwin Peebles，1935年4月25日— ），出生于加拿大溫尼伯，加拿大-美國物理學家和理論宇宙學家，普林斯頓大學阿爾貝特·愛因斯坦榮譽科學教授。他在原始核合成，暗物質，宇宙微波背景和結構形成等領域做出了理論貢獻。他的三本教科書已經成為這些領域標準的參考文獻。2019年，他與迪迪埃·奎洛茲、米歇爾·麥耶共同獲得諾貝爾物理學獎。

人物經歷

生平

1935年4月25日，詹姆斯·皮布爾斯出生于加拿大曼尼托巴省溫尼伯附近的圣博尼法斯。

1958年，在馬尼托巴大學獲得理學學士。

1962年，在普林斯頓大學獲得物理學博士學位，師從羅伯特·亨利·迪克。

1965年，被普林斯頓大學聘為物理學助理教授。

1968年，晉升為普林斯頓大學物理學副教授。

1972年，晉升為普林斯頓大學物理學正教授。

1977年，當選為美國藝術與科學院。

1998年，當選為美國國家科學院院士。

2000年，從普林斯頓大學物理系退休，轉為榮譽教授。

2004年，獲得邵逸夫天文學獎。

2005年，獲得克拉福德獎。

2019年，獲得諾貝爾物理學獎。

學術貢獻

皮布爾斯對大爆炸模型做出了許多重要貢獻。在喬治·伽莫夫, 拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼預測微波背景輻射近二十年之后，他與羅伯特·迪克等人解釋了背景輻射是大爆炸的印記。他還是1970年代宇宙結構形成理論的研究先驅。皮布爾斯做了大量工作使得物理宇宙學成為嚴肅的、定量的物理學分支。他的邵逸夫獎授獎詞說 "他為宇宙學中幾乎所有的現代研究奠定了基礎，包括理論和觀測，將一個高度猜測性的領域變成了一門精密的科學"。皮布爾斯長期以來對基本理論提出了許多創新，這些想法被以后的科學家廣泛研究。例如，在1987年，他對于早期宇宙的演化提出了原初等曲率重子模型；在1970年代初，他對暗物質問題的建立做出了貢獻。皮布爾斯還提出了關于星系形成穩定性的歐斯垂克–皮布爾斯判據。

社會任職

主要成就

科研成就

科研綜述

20世紀60年代，詹姆斯·皮布爾斯基于觀測到的微波背景輻射，在相對論宇宙學的基礎上對這一原初核合成過程利用計算機進行了數值計算，得到了、氦3和氦4的豐度，他得出氦4的豐度是0.26-0.28，這是大爆炸宇宙學的重要佐證和預測依據，和現代理論數值和觀測結果非常接近。

詹姆斯·皮布爾斯對電子和核子在宇宙歷史上的第一次結合（再復合）進行了研究，得到了這一過程結束之后殘留的電離度，他考慮了不同的宇宙學模型，引入了對“再復合”起重要作用的物理過程，比如氫的復合過程產生萊曼-阿爾法發射線，由于是共振線，會很快被另一基態氫原子吸收，影響再復合的進程，他指出宇宙膨脹導致的紅移還有雙光子發射是解決之道，他的思路和方法以及考慮的物理過程依然是現代對相關問題進行精確計算的基礎，他在發表的論文中還探討了“再復合”過程對背景輻射黑體譜產生的微小扭曲，后來成為規劃微波背景輻射譜觀測項目的一個重要動機。

如果宇宙早期輻射和物質有一點點不均勻性，在“再復合”（同前文）之前，這個不均勻性（擾動）在光子和重子物質等離子體這一整體的“氣體”（光子通過電子和重子物質緊密耦合在一起）中會產生聲波振動，“再復合”之后，光子和重子物質的耦合消失，不同波長的擾動因為振動頻率不同會凍結在不同振動相位，從而表現為不同的擾動強度。20世紀70年代，詹姆斯·皮布爾斯和學生對擾動的時間演化以及再復合之后在背景輻射溫度起伏以及物質功率譜上的效應進行了研究和計算，他們首次得到了物質功率譜隨波長（波數）的變化，呈現出多個峰的結構，這是不同波長的擾動凍結在不同振動相位的自然結果，后來被稱為“重子聲波振蕩”（已經成為星系中國空間站工程巡天望遠鏡的主要探測目標，被用做標準尺對宇宙學進行限制），他們也指出這個振蕩在微波背景輻射上的效應，在不同方向上會有溫度起伏，他們計算得到的幅度比后來的測量結果高五倍，這是因為當時對宇宙學參數的限制非常有限，宇宙學還沒有引入暗物質，擾動從何而來也無從知曉（暴脹理論尚未出現，他們采用了白噪聲的原初擾動譜，和后來的限制非常接近），這在當時是非常超前的工作。

從1973年到1980年，詹姆斯·皮布爾斯和合作者發表了一組文章，題目是“對河外天體星表的統計分析”，這組文章開啟了現代星系成團性的統計研究，該系列的第一篇文章詹姆斯·皮布爾斯建立了星系分布的相關函數和功率譜分析的框架。除了三維分布，為了用于當時星系測光中國空間站工程巡天望遠鏡的觀測，他還研究了如何分析星系在天球上的二維分布，引入了角相關函數，利用球諧函數展開表征角功率譜，并推導了其和三維功率譜的關系。他還考慮了星系巡天只覆蓋部分天區的情形，得到積分限制（積分 constraint）和功率譜窗函數等改正。后面的系列文章把這些分析手段應用到當時存在的星系、星系團、射電星系和類星體等星表，對河外天體進行了成團性分析，而且還從兩點相關函數分析拓展到高階（三點和四點相關函數）。這一系列的工作奠定了以后星系中國空間站工程巡天望遠鏡以及微波背景輻射各向異性的統計分析方法。

20世紀70年代初，星系旋轉曲線的觀測表明，螺旋星系中存在大量不可見的物質，即暗物質。有關科學家由此推測這些暗物質形成很大的暗物質暈，將漩渦星系包裹在內，并貢獻了相當比例（約臨界密度20%）的宇宙質量。此后陸續有科學家提供了更加確鑿的旋轉曲線和暗物質存在的觀測證據，并推測這些暗物質是很暗的恒星。詹姆斯·皮布爾斯意識到，這些暗物質不可能是恒星，甚至不可能是重子物質，而可能是超出粒子物理標準模型的非重子暗物質，他的結論在后續的諸多科學證據中得到佐證，此后，暗物質的含義逐漸從之前不發光的重子轉變為非重子暗物質。這些暗物質因為粒子質量大，熱力學冷（熱運動速度低），所以被稱為冷暗物質。冷暗物質的引入很自然得解決了宇宙微波背景和星系成團性觀測結果的矛盾，但是詹姆斯·皮布爾斯意識到，星系成團性的觀測結果表明，這些冷暗物質似乎不足以維系宇宙的平直幾何。經過兩年思考和更全面的數據分析（包括CFA中國空間站工程巡天望遠鏡的星系紅移畸變、球狀星團年齡等），在1984年，他推測我們的宇宙應該是平直的，如暴脹理論預言，但是其中的物質（主要是冷暗物質），只占臨界密度的20%。剩下的80%他推測是阿爾伯特·愛因斯坦60多年前引入的宇宙學常數Λ。這就是ΛCDM模型，即標準宇宙學模型，已被從背景輻射、宇宙大尺度結構到超新星的多重觀測精確驗證。詹姆斯·皮布爾斯當年的預測，跟現代物質占約30%，宇宙學常數占70%的結果并無顯著差別，宇宙學常數的存在，導致宇宙的膨脹在約60億年前從減速變為加速。

1965年，詹姆斯·皮布爾斯與合作者考慮如何探測宇宙早期的星系，他們提出這些早期的星系恒星形成率會很高，產生大量大質量恒星。這些高溫的大質量恒星會把它們周圍星際氣體中大量的氫原子電離，電離氫在“再復合”的過程中有非常大的幾率產生萊曼-阿爾法躍遷。他們指出，強萊曼-阿爾法輻射是這類星系的重要特征，可以籍此來搜索發現早期星系。萊曼-阿爾法發射線窄帶中國空間站工程巡天望遠鏡以及積分視場巡天已經成為發現和研究宇宙早期高紅移星系的最主要手段之一，他們那篇論文成了這一領域的開山之作。在1969年的一篇論文里，詹姆斯·皮布爾斯探討了星系角動量的起源，考慮了物質密度擾動場的角動量分布和潮汐力矩作用下的角動量演化，這篇論文成為星系演化領域的一篇重要文獻。詹姆斯·皮布爾斯還研究過球狀星團的起源和星團中心塌縮天體（比如黑洞）周圍恒星的空間和速度分布，都為后來的工作提供了思路和啟示。宇宙學常數-冷暗物質宇宙學之外，詹姆斯·皮布爾斯與合作者在1988年提出了標量場暗能量，后來被稱為“quintessense”（精質），都是宇宙學的研究前沿。

學術著作

詹姆斯·皮布爾斯出版了幾本關于宇宙學的書籍，被認為是該領域的經典著作，《Physical Cosmology（物理宇宙學）》是他的第一本著作，于1971年出版，第二本書《The Large-Scale Structure of the Universe（宇宙的大尺度結構）》于1980年出版，《Cosmology's Century, An Inside History of Our Modern Understanding of the Universe（宇宙學的世紀，我們現代對宇宙理解的歷史）》《Principles of Physical Cosmology（物理宇宙學原理）》分別于2020年6月和9月由普林斯頓大學出版社出版。

學術論文

據2023年12月AMiner平臺數據，詹姆斯·皮布爾斯在《Nature（自然）》《Science（科學）》《The Astrophysical Journal（天體物理學雜志）》《Physical Review D（物理評論D）》《Publications of the Astronomical Society of the Pacific（太平洋天文學會出版物）》等學術期刊發表論文50多篇，被引6200余次，H-Index：22。

人才培養

截止到1987年12月，詹姆斯·皮布爾斯在普林斯頓大學培養畢業學生10位；他的學生克里斯托弗·艾斯格魯伯是普林斯頓大學第20校長，于1983年在普林斯頓大學獲得物理學學士，2001年加入普林斯頓大學，自2013年7月起出任普林斯頓大學校長；他的第一個研究生杰里·余（Jerry Tsang Yu，來自中國香港）和他一起對擾動的時間演化以及再復合之后在背景輻射溫度起伏以及物質功率譜上的效應進行了研究和計算，杰里·余畢業后去往美國航空航天局工作，后來在香港城市大學擔任首席信息官。