本文刊载于《三联生活周刊》2019年第42期，原文标题《物理学奖：不断演进的宇宙观》，严禁私自转载，侵权必究
就在20多年前，物理学家做出的一系列革命性的发现，再一次彻底颠覆了人类的宇宙观。其中三位最杰出者，宇宙学家詹姆斯·皮尔布斯（James Peebles）和两位行星科学家米歇尔·马约尔（Michel Mayor）、迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）刚刚在2019年10月8日获得了物理学的最高荣誉。
主笔/苗千
瑞士科学家迪迪埃·奎洛兹（视觉中国供图）
“我们可以把宇宙比作一杯咖啡。”在宣布2019年诺贝尔物理学奖得主的仪式上，来自瑞典乌普萨拉大学的乌尔夫·丹尼尔森（Ulf Danielsson）教授一边说着，一边右手拿起了咖啡壶，向左手的杯子里倒了大半杯咖啡。“这是暗能量，”他接着又往杯子里倒了一点奶油，“这是暗物质”，他解释道，最后他随手捏起少许的几粒糖放入杯中，“这是普通物质。这就是人类科学几千年来研究的一切”。
如果把宇宙比作一杯咖啡，人类所见和所能触摸到的一切，相比于宇宙中更为神秘的暗物质和暗能量来说，确实只是些许的糖粒而已，而更多的物质和能量弥漫在宇宙中，人们却几乎浑然不觉。对于这样的宇宙景象，随着媒体的介绍，人们已经不再觉得新奇。就连暗物质、暗能量这些宇宙学名词也正在逐渐成为人们生活中常被提及的词语，如同“黑洞”一样有了日常的含义。
可能很少有人意识到，人类的宇宙观又一次发生根本性的改变，才不过是在20多年之前。从20多年前开始，物理学家们发现了一个更为复杂的宇宙，其中充斥着难以理解的物质和能量；人类也曾以为地球是宇宙中独一无二的行星，拥有着几个岩石行星的太阳系是宇宙中最独特的星系，而且星系的形成只有一种模式可以遵循，但这些观念都随着一颗50光年之外的行星被人类发现而改变。
2019年10月8日，詹姆斯·皮尔布斯（James Peebles）、米歇尔·马约尔（Michel Mayor）和迪迪埃·奎洛兹（Didier Queloz）因为在物理宇宙学和地外行星探索领域所取得的成就，分享了本年度的诺贝尔物理学奖。这三位物理学家所研究的领域并不算太接近。马约尔和奎洛兹更是头两位获得诺贝尔奖的行星科学家。但当我们将这三位科学家的发现结合起来，就会发现一个更加复杂、精彩，令人意想不到的全新的宇宙图景，也会让我们重新思考自身的存在。
人类置身于宇宙之中，仰望星空，很容易产生出宇宙永恒不变的观念。直到20世纪20年代，人类才意识到宇宙并不是静止和永恒的，而是有其诞生和发展的过程。根据对遥远星系的观测，人类推算出宇宙源于距今大约140亿年前的一次大爆炸，但是关于大爆炸发生之后宇宙成长的过程却并不清晰。在产生之初，宇宙学并不像其他自然科学一样概念清晰，可以通过实验观测来发展，而是充满了各种推测和想象。
加拿大裔美籍物理学家詹姆斯·皮尔布斯
从20世纪60年代开始，皮尔布斯进入了宇宙学研究。他把整个宇宙作为研究对象，从一些宇宙学的基本理论出发，进行了20多年的研究，尝试着勾勒出宇宙发展的准确图景，使宇宙学成为一门可以进行实验观测的精确科学。皮尔布斯利用数学方法在理论上推算宇宙的演化历史。通过对宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background）的粗略测量，皮尔布斯计算出通过宇宙大爆炸产生出的普通物质的大致数量，并且认为这些组成星系的可见物质只是整个宇宙中物质和能量的一小部分而已。
到了20世纪80年代，皮尔布斯提出宇宙中一些“缺失”的质量可能在于冷暗物质粒子（Cold Dark Matter Particles）。在他的影响之下，宇宙学家们开始寻找这种冷暗物质粒子，试图解开暗物质之谜。但即使考虑到暗物质的影响，宇宙的时空依然如此“平坦”，显然仍然有质能的缺失。皮尔布斯由此重新使用了爱因斯坦当年发表广义相对论时曾经使用，随后又抛弃的“宇宙学常数”（Cosmological Constant）概念，为宇宙学家在20世纪90年代发现暗能量奠定了基础。
在皮尔布斯一系列开创性的工作影响下，现代的宇宙模型正式成型：普通物质占到宇宙中物质能量总数的5%左右，其余还有26%的暗物质，69%的暗能量。皮尔布斯描述了宇宙在进行膨胀，由热变冷的过程中，整个宇宙的大尺度结构如何形成。这已经成为现代宇宙学家描述宇宙的标准理论。一个学科的发展，必须依赖理论和实践的结合。正如诺贝尔物理学奖委员会主席马特·拉松（Mats Larsson）所说，如果没有皮尔布斯之前作出的理论发现，人类在过去20年里对宇宙微波背景辐射做的一系列高精度的测量就毫无价值。
瑞士天体物理学家米歇尔·马约尔（法新社 供图）
在1995年10月，马约尔和他当时的学生奎洛兹实现了一个惊人的突破。他们在法国南部通过自制的观测设备发现了距离地球50光年的飞马座中一个名为“51b”的巨大的气态行星。它距离一颗类似于太阳的恒星极近，围绕着它快速运转，几个地球日的时间就会公转一周。这是人类发现的第一颗在太阳系外围绕着一颗类似于太阳的恒星运转的行星。
因为受到行星引力的影响，恒星会发生非常微小的颤动。在地球上进行观测，遥远恒星发射来的光线的光谱会因此发生极其细微的变化。马约尔和奎洛兹师徒设计出精密的光谱仪用以观测恒星光线微小的变化。利用这种方法不仅可以探测几十光年之外的行星，甚至还可以估算出行星的质量。这如今已经成为行星科学家们用来寻找系外行星的一个标准方法。
这个发现彻底改变了人们此前的观念，带来了一场天文学革命。天文学家开始意识到其他星系的构造未必都与太阳系相同，因而不得不发展出一套全新的关于行星形成和演化的理论。从此之后，寻找系外行星就成为天文学中一个全新的热门领域。目前人类已经发现了超过4000颗太阳系之外的行星。
日内瓦大学天文系主任弗朗西斯科·佩佩（Francesco Pepe）认为，马约尔和奎洛兹能够在当时激烈的竞争中率先发现系外行星，是因为当时他们的眼界更为开阔，并没有完全集中于寻找与太阳系行星类似的行星，才能迅速发现这个与恒星距离极近的巨大气态行星。
宇宙学家与行星科学家的研究领域看似不同，但正是因为他们都把目光投向宇宙，把人类可能永远都无法到达的宇宙时空当作研究对象，才让人类对于宇宙的形态和自身的存在有了更深刻的理解。
