2019年10月8日，瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖的一半授予詹姆斯·皮布尔斯（James Peebles），以表彰他在物理宇宙学方面的理论贡献和发现。詹姆斯·皮布尔斯，1935年生于加拿大温尼伯，现为美国普林斯顿大学教授。在过去几十年中，他在宇宙微波背景辐射（CMB）、宇宙中的结构形成、暗物质和暗能量等众多方向做出了重大贡献。他是现代宇宙学大厦的主要奠基者之一。
在基础科学研究领域，迄今我们已建立了描述基本粒子的标准模型和描述宇宙演化的大爆炸宇宙学模型，但是相对于粒子物理的研究，宇宙学研究的科学性，直到上世纪九十年代中叶，一直不被看好，并时常被质疑。这一点，在我（张新民）1996年夏从美国回国后在高能所开始组建宇宙学团队时深有感触。皮布尔斯教授的工作使宇宙学从哲学思考、定性讨论、饭后茶余的闲谈，变成基于物理规律的具有理论和实验两方面的定量学科。
自1998年，超新星发现宇宙加速膨胀，特别是本世纪WMAP、Planck卫星实验对微波背景辐射（CMB）温度和偏振谱的精确测量极大地推动了宇宙学进入到一个精确的时代，同时也极大地促进了高能物理与宇宙学的交叉研究。
自诺奖公布以来，国内学者已有很多的解读，详细介绍了皮布尔斯教授的生平及对物理宇宙学研究的贡献。本文，我们将主要介绍物理宇宙学领域的研究现状、发展趋势以及我国的研究情况，包括以下几个方向：宇宙大爆炸及起源、CMB与原初引力波、暗物质、暗能量、宇宙大尺度结构和统计方法、精确宇宙学与基础对称性、弱电对称性破缺、正反物质不对称与宇宙相变引力波等。这些研究工作都离不开皮布尔斯教授的奠基和开拓。
随着加拿大裔美国宇宙学家、2019年诺贝尔物理学奖获得者James Peebles教授几乎倾尽一生的努力，物理宇宙学越来越被人们广泛认识和肯定，其中最核心的热大爆炸宇宙学理论不仅影响了我们人类对宇宙的认知，它也同时成为了人类社会的一个文化符号，不断地辐射着方方面面。例如，基于大爆炸理论图像而衍生出来的科学艺术作品、影视文化层出不穷。
然而，无论是科学界还是普罗大众都会自然而然地问出一个问题：宇宙在大约138亿年前到底经历了什么？这就是关于宇宙的起源问题。
让我们简要回顾一下热大爆炸宇宙学说。这一模型描述了，我们的宇宙创生于大约138亿年前的一个来自时空奇点的大爆炸。它从极高温度的混沌状态开始演变，逐渐产生基本粒子、核子，然后经过原初核合成产生氢和氦的原子核。
之后约38万年，宇宙中形成稳定的中性氢原子与早期宇宙微波背景辐射（CMB）。接着在原初密度涨落的影响下，逐渐演化出大尺度结构雏形。到了4亿岁时，宇宙中终于诞生了第一代恒星，而最早的星系和类星体则诞生于大爆炸后约十亿年。之后，由星系和星系团等构成的宇宙大尺度结构开始形成。最终，我们的宇宙演化到当前由暗能量驱动的加速膨胀状态。
然而，这一图像中所描绘的大尺度结构的起源并没有被诠释。
这导致了1980年代，以Alexey Starobinsky、Alan Guth等人为首的宇宙学家提出了热大爆炸学说的升级版，引入了暴胀。暴胀学说是一种刻画极早期宇宙动力学的理论图像，人们相信它可能发生在大爆炸后约10^-36秒到10^-30秒这么短暂的时间内，这时候宇宙的单位空间尺度被放大了约10^80倍。
这相当于瞬间把亚原子尺度的空间扩张到了太阳系尺度，这样可以抹平原初宇宙可能存在的不均匀性，很自然地解释了我们今天看到的均匀宇宙。在暴胀时期本该存在于微观世界的量子涨落也被拉扯到宏观尺度，导致了CMB温度涨落与原初密度扰动的产生，这恰好为大尺度结构的形成提供了起源。
但是，大爆炸奇点在暴胀学说中依然是不可避免的。这意味着，暴胀学说本身是不完整的：我们不知道暴胀从何而始，也不知道暴胀之前会发生什么。
在这个历史背景下，一些大胆的替代理论应运而生了。其中，最具代表性的就是反弹宇宙学说。实现反弹宇宙图像的理论模型有很多。
国际上具有代表性的有：加拿大麦吉尔大学的Robert Brandenberger教授与英国朴茨茅茨大学的David Wands教授于1999年提出的物质反弹模型、美国普林斯顿大学的Paul Steinhardt教授与加拿大圆周研究所的Neil Turok教授等人提出于2001年提出的火劫模型。
而中国的宇宙学家在这一时期也加入到国际反弹宇宙学研究的热潮中，例如，中国科学院高能物理所的张新民研究员及团队于2007年提出的精灵反弹模型、2008年提出的Lee-Wick模型等。在近十年来，国际上特别是中国的宇宙学家们多年努力下，基于这些反弹模型的宇宙学扰动理论逐渐发展成型，并揭示了一些反弹学说同样可以解释热大爆炸宇宙学所面临的初始条件疑难。
在这类宇宙学图像中，大爆炸之前的宇宙处于一个收缩过程，体积越来越小，直到某一时刻宇宙收缩到一个极小值，然后反弹进入标准的热大爆炸膨胀阶段。由此可见，反弹学说的提出，不仅继承了热大爆炸宇宙学的成功之处，还避免了那个令人类百思不得其解的时空奇点。因此，近些年来反弹学说的研究大大推动了物理宇宙学的理论发展。
宇宙在极早期所经历的究竟是哪一种过程呢：暴胀，反弹，抑或二者的结合？
对于研究极早期宇宙的物理学家来说，一个至关重要的任务就是通过实验观测来进行检验区分。这些模型给出的理论预言在原初密度扰动和原初引力波上存在着差异，而这些正好可以通过对CMB的高精度测量来加以检验。物理学家们观察CMB天图中不同光子携带的偏振信息，发现它们可以形成两种截然不同的图样：电场型的E-模式和磁场型的B-模式。
如果我们能够精确测量CMB光子的偏振信息，我们就有机会检验这些有关极早期宇宙的理论模型，甚至一窥宇宙起源的奥秘。特别是，我们发现，来自接近宇宙起源的原初引力波可以直接在CMB中产生原初B模式偏振。这一发现正式响起了利用精确宇宙学实验探索、检验原初宇宙图景的战斗号角。然而遗憾的是，截止到目前原初B模偏振仍未被直接观测到。
虽然对原初引力波的探索阴影重重，但是我们人类，特别是中国的宇宙学家们，不忘初心、牢记使命。
考虑到目前已经建造和正在规划中的地面CMB实验都集中在南半球，而北半球尚是空缺，为了推进中国的物理宇宙学发展，中国科学院高能所的宇宙学团队牵头，联合国内外多所顶级宇宙学研究单位，正在我国西藏阿里地区建造北半球首个CMB极化望远镜，即阿里原初引力波望远镜（AliCPT）。该项目一旦完成，便可以在北天区率先实现对原初引力波的探测，从而为我们认知宇宙建立新的宇宙观作出重要贡献。