膨胀的多重宇宙

安东尼·阿圭雷博士(基础问题研究所科学副总监)在过去的十年中,宇宙学领域内发生了两件令人震惊的大事:一是宇宙学家们建立了一个真实的宇宙学"标准模型".通过结合一系列相对简单的对早期宇宙的猜想和已经证明的引力、核子、等离子和天体物理学知识,该理论能够适用于几乎所有现存的观测数据,并可重复测试和相互校验该模型的基本构成.二是科学家们意识到,通过宇宙膨胀--这一理论原本是为了解释构建"标准模型"所需的宇宙早期情况而提出的--目前所观测到的宇宙可能仅仅是一个巨大、复杂、多元的多重宇宙的"沧海一瞥",毫不足奇.多重宇宙的结构如何?我们所处的宇宙与其他宇宙关系如何?如果根据该理论推导出来诸多属性不一的宇宙,我们将使用哪些属性来与所能观测到的宇宙相互印证,以证明该理论的真伪?这些就是本文中两个主题人物所提出的一部分问题.亚历山大·维兰金(Alexander Vilenkin)是膨胀理论的先驱之一,亦是多重宇宙研究领域的顶尖科学家.理查·伊瑟(Richard Easther)则是一位致力于研究多重宇宙理论中一个最为微妙的方面的年轻科学家.他的研究方向是:如何在清点多重宇宙中的宇宙?     

宇宙加速膨胀的一个玩具模型和修正的引力理论

Einstein引力理论在大尺度上的修正是解释目前宇宙加速膨胀的一类颇受关注的方案,它不需要引入奇怪的暗能量.作者构造了一个玩具模型,它与目前的天体物理数据相吻合,且能避免宇宙大撕裂.把宇宙标度因子a(t)代入由含待定修正项修正引力导出的宇宙动力学方程,并在t=t0处展开为Taylor级数,保留前2项,定出引力拉氏量中修正项的系数,从而把修正项置于更为可靠的基础上.     

浅谈混沌与水文

混沌概念简介,我们的先祖认识到:混沌在宇宙之初就存在,而且位居中央.它浑而不可分,混乱而又复杂.用现代语言表达,宇宙中绝大多数事物都是处于混沌状态,而混沌具有拓扑传递性.在哲学意义上,Chaos与我国古代的混沌是相同的.但是,现代Chaos理论,又有了混沌序的新内涵.水文系统的动态非线性特点,水文动力过程产生混沌的条件...     

字宙的思考——向宇宙奇点挑战包括暗物质的一个唯象解释

宇宙的奇点困惑大多数人,现代最新理论包括弦理论也法能回答宇宙创生奇点以及起点以前发生的事情.目前探索方法是以通过实验验证实际观测为依据,或验证以正确的理论为前提.但是,本人用另一套思维方法,此方法依靠非全部验证的科学依据,或非验证的各种有一定科学价值的理论和猜测来进行整理分析和加工,吸取各个理论猜测那些协调巧合一致且对某种探索有价值的地方作为前提去发展新猜测或理论.围绕目前困惑宇宙大爆炸的奇点,暗物质的谜团这些问题,用科技的文章书籍等加上自己的宇宙观,及最新的超光速理论解释暗物质的谜团这些大胆的假设,从而推断宇宙没有奇点,有起点.     

星系紫外深场巡天观测进展

紫外波段是星系能谱分布中的重要部分.其包含大量原子、离子和分子的共振线以及研究重要物理过程的连续辐射,提供了理论研究重要的观测限制.在星系研究中,紫外辐射追踪大质量恒星,是测量和理解宇宙中恒星形成历史的重要工具.紫外辐射也可追踪大质量黑洞吸积盘,是理解吸积物理过程的重要手段.其涉及的关键科学问题包括宇宙正午时期的恒星形成历史与星系演化、宇宙重子物质缺失、宇宙再电离能量来源以及星系吸积和外流反馈等.本文重点阐述了紫外深场巡天观测的发展现状及其在星系科学研究中发挥的作用.主要介绍了深场仪器的基本参数、深场观测的目的和任务,以及数据及科学产出,并对国内外正在计划中的未来紫外观测进行了总结和展望.     

大爆炸前的宇宙宇宙学和超弦理论

像“宇宙膨胀”、“大爆炸”、“初始奇点”之类的专业术语，现如今已经成为我们日常用语的一部分。爆炸理论（Big Bang）是宇宙物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸（数学上同插值相反）到过去，     

圈量子宇宙学的新进展

圈量子宇宙学在国际引力和宇宙学界日益成为一个热门的研究领域.本文将介绍圈量子引力理论的基本想法及其对称约化模型-圈量子宇宙学的基本结构与最新进展.新进展侧重于圈量子宇宙学的动力学构造及其有效理论的研究.     

物质结构的演化与物理理论的“时代性”、“阶段性”和“层次性”

宇宙演化与物质结构演化具有同一性,宇宙演化史也是物质结构演化史.为物理结构所决定的物理理论,也相应地具有物质结构演化过程的"时代性"、"阶段性"和"层次性";现代物理实验,在"极端条件下"的实验过程中,发生物质结构相变,而出现现有理论失效的情况,如超导,可定义为实验使物质结构发生了"时代性"相变;对于该实验所产生的现象及理论,应作物理理论的"时代性"分析;"阶段性"和"层次性"是"时代性"结构的次级层次,构成了"时代性"结构的完备性;本文在物理理论的"时代性"构建方面,作了物理要素、实验项目、实验方式的相关设置,及其跨"时代性"组合和交集的探讨;论证了宇宙演化史与物质结构演化史及物理理论演化史的相关性;拓展了物理理论研究的思路.     

创序原理

本文从有序、无序范畴及其转化过程提出了序、刨序概念,进而提出了创序原理,指出创序是宇宙演化过程的本质.我们提出创序概念,主要是为了揭示宇宙自我创生、自我进化的本质特征,同时创序也是宇宙中事物发展演化的客观规律.     

宇宙创生于真空涨落

讨论了宇宙的创生问题,发现共形不变物质场的真空单圈近似下的Brans-Dicke方程存在自洽、严格的宇宙解,且此解有初始奇点。无论是Einstein理论还是Brans-Dicke理论,都容许物质场的真空涨落创生宇宙。     

总星系局爆宇宙理论

大爆炸宇宙理论是一个非常成功的宇宙理论,它在经过古斯等人提出的暴涨理论修正后日趋完善。但即使这样也还存在几个难题无法解决：（1）欧洲普朗克望远镜揭示的宇宙背景辐射的不对称性;（2）宇宙中所有物质来源于大爆炸没有实验依据;（3）存在暴涨中宇宙膨胀的超光速问题。为了解释上述难题,本文提出了一种建立在大爆炸宇宙理论基础上的多宇宙模型：总星系局爆宇宙模型。该模型可以很好地解决上述难题,文中提出了检验理论模型新的实验方法,通过实验可以最终确认真实的宇宙到底更符合哪个模型。、     

暴涨宇宙与原初引力波

暴涨宇宙和原初引力波是当前基础物理学研究的热点.BICEP2团队在CMB中测量到大的张标比,这提供了暴涨宇宙的一个直接证据,证明了原初引力波确实存在,并在量子理论与广义相对论之间建立了桥梁.     

关于LTB宇宙模型中的Friedamann方程

Lema tre-Tolman-Bondi(LTB)宇宙模型是对超新星亮度变暗的观测事实的另一种解释,其优点在于不再需要引入神秘的暗能量.在特殊情形下,LTB宇宙模型能够约化到通常的Friedmann-Robertson-Walker(FRW)宇宙模型.对于一般的LTB宇宙模型,通常的Friedmann方程必须作出相应的推广.由于LTB宇宙模型是非均匀但各向同性的,因而推广的Friedmann方程应含有两个哈勃参数.但在LTB的相关文献中,所讨论的是单哈勃参数的Friedmann方程,它无法完备地描述宇宙的演化.仅从牛顿引力理论即可导出单哈勃参数Friedmann方程,还进一步定义了LTB宇宙模型中无量纲参数,给出了双哈勃参数Friedmann方程的另一种形式.     

关于宇宙发生论的地学分析

宇宙发生论是儒家思想和理论的基石,也是地球科学研究的范畴.介绍了董仲舒、周敦颐、邵雍和张载等宇宙发生论的主要内容以及地球科学与其对应的科学解释.在此基础上,提出宇宙发生论的4个内涵:中国古代宇宙观、宇宙发生论的历史演变、宇宙发生论的地位和作用、宇宙发生论所涉及的方法论.     

从COBE数据推算早期宇宙实物密度的相对涨落

依照目前的宇宙模型,宇宙之初是均匀而各向同性的。为了解释当前宇宙中观测到的各种星系结构,必须有某种机制导致均匀介质中出现结团以及结构演化。Jeans证明了一大团有质量的气体存在自引力不稳定性,它成为了宇宙结构演化的一般理论。在这个理论中需要早期宇宙各处存在密度涨落。另外,关于宇宙背景辐射的实验探测数据显示了背景光子温度存在微弱的各向异性,这些数据包含了有关基本宇宙参数,尤其是早期宇宙总能量密度和曲率的重要信息。通过对上述实验数据和理论的分析,从温度各向异性推算出了光子退耦时的密度相对涨落。     

论宇宙研究的思维方式——在整体思维方式基础上的透析(一)

对同一问题的研究,不同思维方式可以得出截然不同的结果,对宇宙的研究更是如此.用实证思维方式研究宇宙,人类已经形成了一个宇宙大爆炸理论;但如果改用整体思维方式看宇宙,则会发现宇宙大爆炸理论存在各种各样的矛盾.最基本的矛盾是实证思维方式和宇宙研究对象之间的不匹配.不匹配的原因是:第一,实证思维方式的物质基础是实物质,它没有根基;第二,实证思维方式重实轻虚,不知道宇宙还是个实和虚的对立统一体.总之,实证思维方式的缺陷已经导致整体思维方式的雄起.     

触摸科学突破的边缘

风头正劲的美国热播电视系列剧<生活大爆炸>中,男主角Sheldon是位天才的物理学家,15岁就获得两个博士学位.号称"世界上最聪明的大脑之一".他每天殚思竭虑.最想证明的是"弦理论"(当今最有希望将自然界的基本粒子和4种相互作用力统一起来的理论).而且常常对"多重宇宙"浮想联翩:"如果存在有无数个宇宙.每个宇宙里都有一个Sheldon,那些个Sheldon会不会觉得我这个宇宙里的物理学家Sheldon很有趣呢?"     

实时仿真在模拟电子线路教学中的应用探索

电子技术是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科,应用面极其广泛,具有自身的理论和实践体系,模拟电子线路是电气、电子信息类等专业本科学生必修的一门专业技术基础课.由于半导体器件和模拟电路种类繁多,性能复杂,分析和设计方法具有很强的工程性和实践性,初学者往往感到这门课程很难学.本文对将Multisim仿真软件引入模拟电子线路理论教学中,将复杂电路进行实时的仿真设计和分析,使学生能够直观的了解电路工作原理和更加容易的理解相关概念.通过对授课学生的学习反馈调查,学生反应较好,此方法非常适合模拟电子线路课堂教学.     

黏滞性流体与宇宙年龄问题

在宇宙的演化过程当中,经历了暴胀、辐射以及物质为主时期.如果宇宙现在仍处于物质为主时期,那么理论上所得到的宇宙年龄大概是在80～100亿年左右.另一方面,人们测得一些古老星团的年龄超过了110亿年,由此可见,理论预言与观测结果不相符合,这就是宇宙的年龄问题.当前的观测表明宇宙正处于加速膨胀时期,人们通常将加速的原因归结于宇宙中存在着一种被称为暗能量的物质组分.人们进一步发现由于这种组分可以使理论上预言的宇宙年龄变大,从而缓解了宇宙年龄问题.可是,最新的观测表明,仍有一些天体的年龄比预言的宇宙年龄要大,比如说类星体APM08279＋5255,它在红移等于3.91时的年龄大概是21亿年,超过了当时的宇宙年龄.事实上,通常人们在研究宇宙学中,仅仅考虑了理想流体这一简单模型,而该模型可能过于简单.因此,本文将考虑带有黏滞性的流体.通过引入黏滞性,宇宙的年龄问题被进一步缓解了.尽管,本文考虑一类被称为Ricci暗能量的模型,但是所得到的结论可以推广和应用到各种暗能量模型中.     

科学家谈天文学重要方向 星系的演化

正星系的形成和演化是天体物理的前沿领域。该领域以现代宇宙学提供的大尺度结构形成和演化的成熟理论作为基本框架,通过观测和统计研究宇宙各时期星系的形态结构、星族构成、气体吸积、恒星演化、黑洞成长、化学元素、恒星和气体动力学等物理性质及其演变过程,试图阐明宇宙中各类星系的物理起源、演化关系以及它们与宇宙大尺度结构的物理联系,从而总结出支配星系演化的普适物理规律。目前被普遍接受的星系形成理论认为,星系在暗物质晕中形成和演化,其基本图