詹姆斯·皮布尔斯

诺贝尔物理学奖得主，美国国家科学院院士，普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学荣誉教授和物理学荣誉教授

詹姆斯·皮布尔斯（P. James Peebles），诺贝尔物理学奖、克拉福德奖、邵逸夫天文学奖得主，美国国家科学院院士，美国艺术与科学院院士，现代理论宇宙学创始人之一，普林斯顿大学阿尔伯特·爱因斯坦科学荣誉教授和物理学荣誉教授。

人物经历

1935年4月25日，詹姆斯·皮布尔斯出生于加拿大马尼托巴省温尼伯附近的圣博尼法斯。

1958年，在马尼托巴大学获得理学学士学位。

1962年，在普林斯顿大学获得物理学博士学位，师从罗伯特·亨利·迪克。

1965年，被普林斯顿大学聘为物理学助理教授。

1968年，晋升为普林斯顿大学物理学副教授。

1972年，晋升为普林斯顿大学物理学正教授。

1977年，当选为美国艺术与科学院院士。

1998年，当选为美国国家科学院院士。

2000年，从普林斯顿大学物理系退休，转为荣誉教授。

2004年，获得邵逸夫天文学奖。

2005年，获得克拉福德奖。

2019年，获得诺贝尔物理学奖。

主要成就

科研成就

20世纪60年代，詹姆斯·皮布尔斯基于观测到的微波背景辐射，在相对论宇宙学的基础上对这一原初核合成过程利用计算机进行了数值计算，得到了氘、氦3和氦4的丰度，他得出氦4的丰度是0.26-0.28，这是大爆炸宇宙学的重要佐证和预测依据，和现代理论数值和观测结果非常接近。

詹姆斯·皮布尔斯对电子和核子在宇宙历史上的第一次结合（再复合）进行了研究，得到了这一过程结束之后残留的电离度，他考虑了不同的宇宙学模型，引入了对“再复合”起重要作用的物理过程，比如氢的复合过程产生莱曼-阿尔法发射线，由于是共振线，会很快被另一基态氢原子吸收，影响再复合的进程，他指出宇宙膨胀导致的红移还有双光子发射是解决之道，他的思路和方法以及考虑的物理过程依然是现代对相关问题进行精确计算的基础，他在发表的论文中还探讨了“再复合”过程对背景辐射黑体谱产生的微小扭曲，后来成为规划微波背景辐射谱观测项目的一个重要动机。

如果宇宙早期辐射和物质有一点点不均匀性，在“再复合”（同前文）之前，这个不均匀性（扰动）在光子和重子物质等离子体这一整体的“气体”（光子通过电子和重子物质紧密耦合在一起）中会产生声波振动，“再复合”之后，光子和重子物质的耦合消失，不同波长的扰动因为振动频率不同会冻结在不同振动相位，从而表现为不同的扰动强度。20世纪70年代，詹姆斯·皮布尔斯和学生对扰动的时间演化以及再复合之后在背景辐射温度起伏以及物质功率谱上的效应进行了研究和计算，他们首次得到了物质功率谱随波长（波数）的变化，呈现出多个峰的结构，这是不同波长的扰动冻结在不同振动相位的自然结果，后来被称为“重子声波振荡”（已经成为星系巡天的主要探测目标，被用做标准尺对宇宙学进行限制），他们也指出这个振荡在微波背景辐射上的效应，在不同方向上会有温度起伏，他们计算得到的幅度比后来的测量结果高五倍，这是因为当时对宇宙学参数的限制非常有限，宇宙学还没有引入暗物质，扰动从何而来也无从知晓（暴胀理论尚未出现，他们采用了白噪声的原初扰动谱，和后来的限制非常接近），这在当时是非常超前的工作。

从1973年到1980年，詹姆斯·皮布尔斯和合作者发表了一组文章，题目是“对河外天体星表的统计分析”，这组文章开启了现代星系成团性的统计研究，该系列的第一篇文章詹姆斯·皮布尔斯建立了星系分布的相关函数和功率谱分析的框架。除了三维分布，为了用于当时星系测光巡天的观测，他还研究了如何分析星系在天球上的二维分布，引入了角相关函数，利用球谐函数展开表征角功率谱，并推导了其和三维功率谱的关系。他还考虑了星系巡天只覆盖部分天区的情形，得到积分限制（integral constraint）和功率谱窗函数等改正。后面的系列文章把这些分析手段应用到当时存在的星系、星系团、射电星系和类星体等星表，对河外天体进行了成团性分析，而且还从两点相关函数分析拓展到高阶（三点和四点相关函数）。这一系列的工作奠定了以后星系巡天以及微波背景辐射各向异性的统计分析方法。

20世纪70年代初，星系旋转曲线的观测表明，漩涡星系中存在大量不可见的物质，即暗物质。有关科学家由此推测这些暗物质形成很大的暗物质晕，将漩涡星系包裹在内，并贡献了相当比例（约临界密度20%）的宇宙质量。此后陆续有科学家提供了更加确凿的旋转曲线和暗物质存在的观测证据，并推测这些暗物质是很暗的恒星。詹姆斯·皮布尔斯意识到，这些暗物质不可能是恒星，甚至不可能是重子物质，而可能是超出粒子物理标准模型的非重子暗物质，他的结论在后续的诸多科学证据中得到佐证，此后，暗物质的含义逐渐从之前不发光的重子转变为非重子暗物质。这些暗物质因为粒子质量大，热力学冷（热运动速度低），所以被称为冷暗物质。冷暗物质的引入很自然得解决了宇宙微波背景和星系成团性观测结果的矛盾，但是詹姆斯·皮布尔斯意识到，星系成团性的观测结果表明，这些冷暗物质似乎不足以维系宇宙的平直几何。经过两年思考和更全面的数据分析（包括CFA巡天的星系红移畸变、球状星团年龄等），在1984年，他推测我们的宇宙应该是平直的，如暴胀理论预言，但是其中的物质（主要是冷暗物质），只占临界密度的20%。剩下的80%他推测是爱因斯坦60多年前引入的宇宙学常数Λ。这就是ΛCDM模型，即标准宇宙学模型，已被从宇宙微波背景辐射、宇宙大尺度结构到超新星的多重观测精确验证。詹姆斯·皮布尔斯当年的预测，跟现代物质占约30%，宇宙学常数占70%的结果并无显著差别，宇宙学常数的存在，导致宇宙的膨胀在约60亿年前从减速变为加速。

1965年，詹姆斯·皮布尔斯与合作者考虑如何探测宇宙早期的星系，他们提出这些早期的星系恒星形成率会很高，产生大量大质量恒星。这些高温的大质量恒星会把它们周围星际气体中大量的氢原子电离，电离氢在“再复合”的过程中有非常大的几率产生莱曼-阿尔法跃迁。他们指出，强莱曼-阿尔法辐射是这类星系的重要特征，可以籍此来搜索发现早期星系。莱曼-阿尔法发射线窄带巡天以及积分视场巡天已经成为发现和研究宇宙早期高红移星系的最主要手段之一，他们那篇论文成了这一领域的开山之作。在1969年的一篇论文里，詹姆斯·皮布尔斯探讨了星系角动量的起源，考虑了物质密度扰动场的角动量分布和潮汐力矩作用下的角动量演化，这篇论文成为星系形成和演化领域的一篇重要文献。詹姆斯·皮布尔斯还研究过球状星团的起源和星团中心塌缩天体（比如黑洞）周围恒星的空间和速度分布，都为后来的工作提供了思路和启示。宇宙学常数-冷暗物质宇宙学之外，詹姆斯·皮布尔斯与合作者在1988年提出了标量场暗能量，后来被称为“quintessense”（精质），都是宇宙学的研究前沿。

詹姆斯·皮布尔斯出版了几本关于宇宙学的书籍，被认为是该领域的经典著作，《Physical Cosmology（物理宇宙学）》是他的第一本著作，于1971年出版，第二本书《The Large-Scale Structure of the Universe（宇宙的大尺度结构）》于1980年出版，《Cosmology's Century, An Inside History of Our Modern Understanding of the Universe（宇宙学的世纪，我们现代对宇宙理解的历史）》《Principles of Physical Cosmology（物理宇宙学原理）》分别于2020年6月和9月由普林斯顿大学出版社出版。

据2023年12月AMiner平台数据，詹姆斯·皮布尔斯在《Nature（自然）》《Science（科学）》《The Astrophysical Journal（天体物理学杂志）》《Physical Review D（物理评论D）》《Publications of the Astronomical Society of the Pacific（太平洋天文学会出版物）》等学术期刊发表论文50多篇，被引6200余次，H-Index：22。

人才培养

截止到1987年12月，詹姆斯·皮布尔斯在普林斯顿大学培养毕业学生10位；他的学生克里斯托弗·艾斯格鲁伯是普林斯顿大学第20校长，于1983年在普林斯顿大学获得物理学学士学位，2001年加入普林斯顿大学，自2013年7月起出任普林斯顿大学校长；他的第一个研究生杰里·余（Jerry Tsang Yu，来自中国香港）和他一起对扰动的时间演化以及再复合之后在背景辐射温度起伏以及物质功率谱上的效应进行了研究和计算，杰里·余毕业后去往美国国家航空航天局工作，后来在香港城市大学担任首席信息官。

社会任职

个人生活

詹姆斯·皮布尔斯的父亲曾在加拿大温尼伯从事谷物生意。

人物评价

詹姆斯·皮布尔斯是一位杰出的物理学家，他的成功既体现了普林斯顿大学在宇宙学和引力基础研究方面的辉煌传统，也体现了这所大学致力于将最优秀的学者带入课堂的承诺（Jim Peebles is an extraordinary physicist,He exemplifies both Princeton's dazzling tradition of fundamental research in cosmology and gravitation, and also this University's commitment to put its best scholars in the classroom）。（普林斯顿大学时任校长克里斯托弗·艾斯格鲁伯评）

没有人比他（詹姆斯·皮布尔斯）更能推进我们对宇宙的基本理解。最重要的是，他非常体贴、亲切、善良（No one else has advanced our fundamental understanding of the universe more.On top of it, he is uncommonly thoughtful, gracious and kind）。（普林斯顿大学时任詹姆斯·麦克唐纳杰出物理学教授莱曼·佩奇评）

詹姆斯·皮布尔斯对帮助人类理解在宇宙中的位置所做的贡献怎么评价都不为过。他对学生和同事都很慷慨，我怀疑还有谁比他更善良（It is difficult to overstate Jim's contributions to humanity's understanding of our place in the universe.Generous to his students and colleagues, I doubt a kinder soul has ever been so recognized）。（普林斯顿大学时任物理学副教授比尔·琼斯评）

作为半个世纪以来宇宙学研究领域的卓越代表，詹姆斯·皮布尔斯是现代物理宇宙学大厦的主要奠基者之一。詹姆斯·皮布尔斯在宇宙学的发展过程中扮演了关键的角色，他披荆斩棘，逢山开路，遇水搭桥，是领军人物之一，功不可没。他的贡献是如此的重大、影响是如此的持久，以至于有人认为，“现代宇宙学之父”、“现代宇宙学的奠基人”、“现代宇宙学的巨人”都不足以形容他的贡献——他不仅是现代宇宙学的奠基人，也是现代宇宙学的建设者，“现代物理宇宙学的发明人”。（上海交通大学物理与天文学院评）

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