几种主要的宇宙学模型

尽管研究宇宙整体的结构、运动和演化是自古以来人类最关心的课题之一,但是直到正确的引力理论建立以前,获得科学的宇宙理论是不可能的.牛顿的引力理论在研究一般天体运行的问题上是强有力的,并且与观察符合得相当好.但在考虑宇宙学问题时却出现了许多不可克服的困难.爱因斯坦的广义相对论是更完善的引力理论,1917年他的著名论文《用广义相对论对整个宇宙的考察》通常被认为是近代宇宙学在理论上的先声.在该文中他第一次提出了有限无边的宇宙模型,向传统的时空观提出了挑战.在广义相对论的影响下,许多其他的引力理论纷纷被提出,并出现了各式各样的宇宙模型。1929年,哈勃(Hubble)发现了星系的视星等与     

“开放宇宙”的一个新的实验证据

宇宙是开放的还是封闭的?这是一个多年来天文学中一直激烈争论的同题。只靠建立在引力理论基础上的宇宙学,无法从理论上加以回答,因为同时存在“开放宇宙解”和“封闭宇宙解”。但是,如果能从实验上证实宇宙中存在足够多的质量,那末根据宇宙学理论,这些质量所产生的引力,经过从现在起几十亿年的变化后,将把所有物质拉在一起以形成封闭宇宙。即由于引力作用,将使大爆炸后向外冲出的物质速度减慢,最后宇宙将依靠自身而开始收缩。     

探究广义相对论一百年

正整整一个世纪里,爱因斯坦的广义相对论彻底变革了人类对宇宙的想象。我们在此回顾了从爱因斯坦1915年提出这项理论起,广义相对论在百年间经历的关键时刻。阿尔伯特·爱因斯坦对当代物理学的贡献无人可敌,但他的主要声誉全都建立在他于1915年11月以系列讲座形式向柏林普鲁士科学院提交的一项理论上。基本上,广义相对论是一项关于引力的理论。但它不仅解释了塑造出大尺度实体的引力是如何运作的,还彻底变革了人类的世界观。     

“宇宙学的革命”专题报告之三──低密度宇宙的暴涨

逐步积累起来的证据已经证明，宇宙物质比传统暴涨理论预示的要少，膨胀则比预示的要快。很快就有一种更精密的理论用来解释这个观察结果。 宇宙学素有“艰难的科学”的名声。但是从好多方面看，解释整体宇宙要比理解单细胞原生动物容易。在最大的宇宙规模上，恒星、星系，甚至星系团都只是一些斑点，物质均匀地散布着；宇宙只由一种力所支配，这就是引力。这两种基本的观察结果，即大范围的均匀性和引力的支配地位，是大爆炸理论的基础。按照这个理论，我们的宇宙已经膨胀了约１２０亿年。且不去说它最简单的基本结构，这个理论在解释星系…     

一九九八年十大科技突破

1998年12月号美国《科学》杂志刊登了它评选的十大科技突破。 (1)一个国际天文学家小组通过对超新星的研究发现,宇宙中存在着一种反引力,正是这种力与引力相抗衡使得宇宙不断地加速膨胀。这种观点不同于宇宙“大爆炸”理论。 (2)科学家发现果蝇、老鼠和细菌具有类似人体生物钟的守时基因。 (3)科学家发现神经系统里有能够使化学信号以每秒100个离子的速度从一个神经元流向另一个神经元的结构。     

广义相对论揭示奇异宇宙

正爱因斯坦准确预测了黑洞、引力波和宇宙膨胀。爱因斯坦刷新了时间和空间概念,他的理论所预测的无比奇异、无比宏大的宇宙挑战着人类想象力的极限。诞生在瑞士一家专利署、成熟于德国柏林的广义相对论,是根植于对引力更深层面的新理解而提出的、有关宇宙的一种开创性理论。     

宇宙学:从Robertson到今天

把罗伯特近(Howard Percy Robertson)对宇宙学的杰出贡献提给这次纪念讲演,对我来说是一个巨大荣誉,这感受,通过阅读罗伯特逊过去的优秀作品目录而进一步增强了。要评价罗伯特逊的工作,就必须了解其背景。爱因斯坦创立了广义相对论,它是现代的引力理论。在这理论中,引力和宇宙学都被几何化了。爱因斯坦本人想象了一个空间上封闭的、时间上独立的宇宙。弗里德曼(Alexander Friemann)找到了——或者说猜到了——爱因斯坦方程的一个非静止的宇宙解。哈勃(Edwin P.Hubble)关于遥远星系红移的发现,进一步证实了这样的观念,即宇宙通过其膨胀而进化。     

引力趣谈

我们是幸运的。地球稳稳地运行在自己的轨道上，并与周围巨大的天体保持着适当的距离。它不会向太阳一直落下去，直到最后被巨大的火焰烧成灰烬。使太阳、地球以及那些巨大的邻居保持着如此稳固关系的，就是宇宙间最基本的力量之一：引力。强大又弱小引力是一种非常巨大的力量。要知道我们地球的质量将达58万亿吨。而在地球所处的银河系中，有1000多亿颗质量远远大于地球的恒星。至于整个宇宙中的天体，更是不计其数，但它们都在引力的作用下井然有序地运行着。虽然引力控制着宇宙万物的运行，但事实上引力是四种基本作用(力)中最弱小的一种…     

D-维时空中的三次量子化

自Hartle和Hawking.Vilenkin在量子引力的框架中探讨宇宙的量子创生以来,量宇宙学已经历了3个发展阶段:(1)单个宇宙的量子理论,(2)Wormholes的机制及空间的拓变化,(3)多宇宙体系的量子理论,3次量子化-即宇宙量子场论.显然,研究这个时(≈10~(-43)S)宇宙的性质对我们完整地认识宇宙是十分重要的.     

高维球对称时空中荷电玻色子的束缚态

黑洞周围的量子引力束缚态与量子宇宙及真空理论研究有重要联系,所以近年来许多作者进行了广泛的研究。最近,由于超弦理论和Kaluza-Klein超引力理论的发展,促使人们去研究高维时空中的物理问题。Emel'yanov等曾详细地评述过高维时空的研究现状。Myers等得到了高维时空的Schwarzchild度规,Reissner-Nordstrm(R-N)度规和Kerr     

宇宙和人

20世纪60年代,美国贝尔实验室的两位工程师在寻找卫星通讯的干扰源时,意外地发现了微波背景辐射,它是宇宙学家早就预言的大爆炸的余烬,从而为大爆炸论确立了它在宇宙学中的主导地位;以后物理学家古斯又以暴胀论完善了宇宙创生的整个理论.暴胀论说,蕴藏在空间的反引力,在宇宙年龄为万亿分之一秒时,促使宇宙发生迅猛地膨胀.这样,把很少量的一点物质变成了整个宇宙的能量和物质.也许有人要问,真空空间中的一小点物质从何而来?按量子论的测不准原理,诸如粒子的位置-动量、能量-时间是无法精确测定的,这是大自然的一条基本法则,它使得能量在真空中出现,只要很快地消失就行,因此形成了空间中的能量起伏.由于能量与物质是等效的(E=mc2,c为光速),故真空空间中也能爆出粒子,有时甚至出现大质量波动,但必须在极小空域(10-33厘米)内,这也就是霍金所说的婴儿宇宙,它具有极强的引力场,立即因引力塌缩而夭折在真空的娘胎中.我们的宇宙是这种大质量波动中幸免于难的一个婴儿,那是因为出现了暴胀,它在婴儿宇宙还来不及塌缩时,就一下子膨胀了1050,造就了包含宇宙全部质能的早期宇宙.为何其他的婴儿夭折于娘胎,只有我们的宇宙却因暴胀而进入真实世界?这还是一个谜!     

引力在变弱吗?

几种引力理论预言,随着宇宙的膨胀,引力在减弱.测定月掩星时刻的初步结果表明事情可能正是如此.     

宇宙正反物质不对称的起源

宇宙中正反物质不对称性的起源是粒子物理和宇宙学中极具挑战性的问题,至今人们还不清楚该问题的本质.随着实验观测的日益精确,人们对这一未解之谜的研究日益深入.本文首先简要介绍宇宙正反物质不对称性之谜的背景,以及在理论上解释该问题所要满足的基本条件.然后结合最新的理论和实验进展,重点介绍了3种能自洽地解释正反物质不对称性并且能够在实验上进行验证的理论,包括电弱重子数产生机制、轻子数不对称产生机制以及引力重子数产生机制.期望未来更精确的实验能够验证究竟哪种机制才是宇宙正反物质不对称性的起源.     

宇宙是无限的吗?

如果引力强度能象光强度那样相加起来的话,对上述问题的回答是肯定的。光和引力都以同样的方式随着距离的远近而变化,但两者之间的相同点仅止于此。牛顿早在三百年前就证明,一个位于某一球形物质中心的物体受到的引力是零。因为其中一个半球的物质产生的引力将与另一半球产生的引力相互抵销。假如宇宙的确像某些宇宙模型那样是无限的,恒星和星系都均匀地分布宇宙空间,那么,整个宇宙作用于地球的全部引力不是无限大,而是相反,即引力为零。然而,光却不能象引力那样相互抵销。来自两个光源的光波,中途相遇时其亮度将会增加。众多的光线能叠加在一起的这一事实导致了著名的“Olbers悖论。”     

2+1维荷电蒸发黑洞的Hawking辐射

起因于Hawking辐射的黑洞量子力学不稳定性的发现是近20年来量子场论中的最重要进展之一.这个重要的理论发现,不仅解决了黑洞热力学中存在的矛盾,而且深入地揭示了量子力学、热力学和引力论之间的内在联系.由于蒸发和吸积等物理过程,宇宙中黑洞必然是随时间变化的.因此深入研究这类黑洞的Hawking辐射,显然对于人们完整认识黑洞这种暗天体是有着重要意义的低维引力理论研究是理论物理中近几年来的一个热门课题,它对于量子引力理论研究有着重要的意义,相应的低维黑洞研究也日趋活跃.在文献[9,10]中分别对1+1维和2+1     

无碰撞简并粒子系统的引力不稳定性

无碰撞粒子系统引力不稳定性研究的重要性源于:(1)在各种尺度的恒星系统(星系、星系团等等)中,平均碰撞时间与该系统的动力学时间相比较是很大的.故这些系统都是无碰撞系统;(2)占宇宙绝大部分质量的暗物质,极可能是宇宙早期遗留下来的大量静质量不为零的粒子(如中微子等),由于这些粒子间的相互作用很弱,都应视作无碰撞引力系统.在标准宇宙模型中,像宇宙中微子那样的暗物质粒子在宇宙早期已从热平衡中退耦,且保持着退耦前的Fermi分布形式.Weinberg首先指出了存在完全中微子简并的情况.讨论星系及宇宙大尺度结构的形成与演化,有必要研究无碰撞简并粒子系统的引力不稳定性.在应用动力学方法研究无碰撞等离子体的稳定性问题中,已建立起很多成熟的方法.虽然无碰撞引力系统与无碰撞等离子体有一定的相似性,但是它们间还是存在着一些很基本的差别:等离子体在大尺度上是中性的,可形成稳态的均匀平衡结构;而引力系统不会形成稳态的均匀平衡位形.自引力系统的这种本质上的不均匀性,使得研究这种系统的稳定性问题大为复杂化.Sweet曾指出,当扰动的波长可与系统的尺度相比拟时,这种宏观不稳定性问题的研究就变得极其困难.不过,假定自引力系统与静电的等离子体一样,可以形成一个无限大的均匀介质,这会在数学处理上     

超弦理论

理论粒子物理学家的主要目标之一是建立一种能够说明自然界四种力,即引力、电磁力以及强核力和弱核力的理论。至今已经取得了部分的成功。温伯格、格拉肖和萨拉姆由于建立把电磁力与弱力统一在单一的框架中的电弱理论而荣获诺贝尔奖金。其他的物理学家正在试图把电弱力与强力统一到一个“大统一理论”中。这个理论实际并不算是“大的”,因为它没有包括引力。“超引力”是尚在形     

超弦理论简介——完成爱因斯坦统一场论的构想

假如空间有九维,物质是弦状的,那么宇宙的奥秘可能马上被揭开。本世纪的第二个十年间,阿尔贝特·爱因斯坦提出了一个在研究方法上带革命性的引力新理论。他的广义相对论按照几何学来描述引力物理学:相对论认为     

对《广义相对论的前提分析与修正——兼论狭义相对论引力动力学》一文的几点看法

本文对甘为军同志《广义相对论的前提分析与修正—兼论狭义相对论引力动力学》一文中提出的观点,就建立理论的必要性、物质的概念、马赫原理、惯性质量与引力质量及“(?)”型动量场等问题提出了自己的看法。甘为军同志的《广义相对论的前提分析与修正—兼论狭义相对论引力动力学》一文,对广义相对论的理论体系进行了分析,对广义相对论以之为基础的基本概念和原理的合理性进行了论证,提出了狭义相对论引力动力学的逻辑体系,希望把它作为广义相对论和量子引力理论的更可靠的基础。我在阅读了甘为军同志的文章后,在几个问题上有些不同的看法,与甘为军同志讨论,并请甘为军同志指正。     

引力孤子的能量问题

在Belinski-Zakharov引力孤子理论的基础上(以下简称BZ),人们一直集中讨论以宇宙模型为背景的孤子解,并取得了成绩。但有两方面问题需要进一步讨论: 1.可否找到不同于宇宙模型的种子解,并用BZ技术生成相应的新的类型的引力孤子解? 2.引力孤子的能量性质如何?