QCD、大统一和宇宙年代

宇宙学的任务就是在大范围和长时间内研究时空,中心问题是在于选择切合实际的宇宙模型,阐明宇宙随时间演化的特征.在弗利德曼首先讨论的均匀和各向同性的宇宙模型中,宇宙是一个膨胀着的体系.这模型和观测数据是相符合的.另一方面,基本粒子物理学的量子色动力学(QCD)较成功地解释了强相互作用的实验现象,天体物理学家与宇宙学家把它应用到早期的     

宇宙学的新动向

首先介绍观察宇宙学方面的一些新动向: 3K微波背景辐射的各向异性1965年彭齐阿斯和威尔逊发现了各向同性的宇宙微波背景辐射,这对均匀的、各向同性的标准宇宙模型(弗里德曼模型)是个有力的支持.然而,1978年美国普林斯顿大学的威尔金森(Wilkinson)及加里福尼亚大学贝克莱实验室的斯莫特(Smoot)等人,各自独立地发现在微波背景辐射中存在着偶极的各向异性,辐射温度最高点在狮子座a星方向,最大温度超过平均值3.5×10~(-3)K.对此可以看作是宇宙非各向同性的证据,即宇宙的整体可能既有切向运动又有转动.但由于这个各向异性是偶极分布的,因此也可以解释为:地球相对于微波背景辐射有一个速度为390公里/秒的运动,正是这个运动引起的多普勒效应使人们观察     

“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…     

关于均匀各向同性湍流在后期衰变时期三元速度关联理论与实验的比较

在均匀各向同性湍流中三元速度关联是一个很重要的物理量,因为它表征在湍流流场中的惯性作用的大小。这一研究对于了解均匀各向同性湍流的流场结构是有帮助的。由于国外现有的理论一直沿用Kármán-Howarth的统计平均方法来研究均匀各向同性湍流运动,在二元速度关联所满足的     

宇宙背景辐射和新“以太”漂移

地球几乎是各向同性地浸没在奇特的辐射中,这个辐射是关于宇宙历史和它的性质的唯一的讯息来源。这种微弱的辐射是13年前,在研究噪声对卫星通讯系统的干扰时发现的。“噪声”被证明是起源于宇宙,且不久被称为3°K(绝对零度3度)宇宙黑体辐射,因为它具有     

人造黑洞：现代物理学的开端

几十年来,现代物理学一直存在两个解释宇宙现象的体系,一个是量子力学理论,它详细而又巧妙地解释了宇宙中波和粒子的性质;另一个是广义相对论,它将时间和空间结合成一个连续统一体,科学地解释了行星运动和宇宙膨胀理论。     

中微子质量起源与宇宙的原初反物质消失之谜

<正>粒子物理学的标准模型建立于20世纪60～70年代,它在随后的半个多世纪经受住了无数次科学实验的检验,成为人类描述与理解各种强、弱和电磁相互作用现象最成功的理论工具.但是该模型也存在一些缺陷,比如它刻意回避了中微子质量及其起源的问题,也无法解答为什么可观测宇宙中不存在原初反物质但却存在大量暗物质的问题.在宇宙大爆炸之初所产生的反物质何以随着宇宙的膨胀和冷却而神秘地消失,以及其背后的动力学是否与中微子的质量起源机制存在某种关联,这是当今粒子物理学和宇宙学界普遍关心并深入探索的重大课题.理论研究表明,解释中微子质量起源之谜的"跷跷板"(seesaw)机制^[1]与解释宇宙原初反物质消失之谜的轻子生成(leptogenesis)机制^[2]可能是问题背后的答案.而连接这两个机制的桥梁就是超重的"惰性"马约拉纳(Majorana)中微子^[3]:它们在宇宙早期神秘地产生,与已知的"活性"中微子通过极其微弱的汤川(Yukawa)相互作用建立关联;它们的衰变则导致了宇宙的轻子与反轻子不对称,后者部分转化成宇宙的重子与反重子...     

新的膨胀宇宙

在过去四年中,宇宙学标准大爆炸理论中某些缺陷已经导致宇宙最开初历史的一个新模型的发展。这个模型叫做新的膨胀宇宙,对于最初10~(-30)秒以后所有的时间,它与以前对观察到的宇宙所采用的描述是精确一致的。然而,对于最初这段极短的时间,情况就极其不同了。按照这个膨胀模型,宇宙经历一个短时期的异常迅速的扩张或“膨胀”,在这个膨胀中,宇宙的直径以一个比以前认为的速度或许要大10~(50)倍的因子而增加着。在这个惊人增长的喷射中,从虚无中创造出了宇宙间所有物质和能量。这个膨胀过程对现在的宇宙也有重要的意义——如果新模型是正确的,那么我们至今观察到的区域仅是整个宇宙极小的一部分。     

神秘的运动——暗流

宇宙中成团的物质好像正在以极高的速度朝着同一个方向运动,这个现象用可见宇宙中的任何引力模式都无法进行解释,天文学家们称之为"暗流".     

在Einstein—Cartan理论中宇宙无毛猜想（CNHC）的验证

20世纪 80年代初Ｃｏｌｌｉｎｓ和Ｈａｗｋｉｎｇ在Ｅｉｎｓｔｅｉｎ引力理论框架中提出宇宙无毛猜想 (ＣＮＨＣ) :如果宇宙真空场 (即宇宙常数 )存在 ,所有各向异性Ｂｉａｎｃｈｉ时空演化都将渐近趋向ｄｅＳｉｔｔｅｒ时空 .如果这个猜想是对的 ,我们就能容易地明白为什么极早时期宇宙必然会发生暴胀 ,为何我们的宇宙经历暴胀后导致整体的各向同性和均匀性 .直至最近这个问题讨论还很热烈[1-3 ] .　　极早时期的宇宙 ,由于宇宙中所有粒子的自旋能和粒子总能相比较不能忽略 ,所以必须考虑自旋对引力及时空的影响 .为此我们必须根据爱因斯坦…     

神秘的运动——暗流

宇宙中成团的物质好像正在以极高的速度朝着同一个方向运动，这个现象用可见宇宙中的任何引力模式都无法进行解释，天文学家们称之为“暗流”。     

中微子静质量与宇宙成团现象

宇宙间中微子十分丰富,其数量与光子相近,比重子多约九个量级。如果中微子静质量不为0,必然会产生许多显著的天体物理效应。本文主要讨论有质量的中微子对宇宙成团现象的影响。如所周知,宇宙一方面在大尺度上表现出很好的均匀性和各向同性;另一方面却又无疑地存在着恒星、星系和星系团等非均匀的物质成团分布。对于恒星的形成,人们已经有了相当透彻的研究;但星系、星系团的形成机制却至今仍远未弄清楚。人们期望,中微子静质量不为     

人造黑洞:新物理学的开端

几十年来,现代物理学一直存在着一个难以解决的矛盾,这个矛盾使科学家们有时感到无所适从。这就是:我们有两个而不是一个解释宁宙现象的体系。一个体系是量子力学理论,它详细而巧妙地解释了宇宙中波和粒子的性质。另一个体系是广义相对论,它将时间和空间结合成一个连续统一体,科学地解释了行星运动和宇宙膨胀理论。     

暴涨的宇宙

30年前,《物理学评论D》中的一篇论文彻底改变了我们对宇宙起源的认识——来自粒子物理学的新观点暗示宇宙在其诞生之后极短的时间里可能经历了一个高速膨胀的时期。这一被称为暴涨的阶段,可以解释我们的宇宙是如何演化出其被我们观测到的密度和均匀性：暴涨不仅成为了宇宙学理论的核心原则,它还意味着任何有抱负的宇宙学家都必须学习粒子物理学。在20世纪70年代,     

基于圈量子引力的孤立视界熵的统计解释新方案

介绍了在圈量子引力框架下应用边界BF理论对孤立视界熵做出统计解释的新方案.相比于以前的边界Chern-Simons理论方案,边界BF理论方案的最主要优点是,它适用于任意维度时空中的孤立视界.边界BF理论方案的可应用性非常广,包括任意维度时空中的Einstein理论、标量张量引力理论、以及引力与标量场非最小耦合理论.对于含有高阶导数项的Lovelock理论,在做了一定的假设以后,同样可以得到视界的熵.新方案既可解释Bekenstein-Hawking面积熵,也可解释Wald熵.文中提供了两种相关但又不同的具体实现方法.     

Kaluza-Klein宇宙中熵的产生

近年来,Kaluza-Klein理论用于讨论早期宇宙问题已取得不少进展,产生了所谓K-K宇宙模型。1984年Sahdev和Abbott等对K-K宇宙的暴胀(Inflation)方案进行了讨论。暴胀方案为解决宇宙学疑难问题提供了有希望的途径。然而,K-K宇宙模型在解释宇宙     

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     

宇宙弦与宇宙结构

在遥远的古代,人类就试图弄清恒星在空间的分布方式。以现代观测手段为基础的宇宙学理论已能解释宇宙的演变过程,所谓宇宙“大爆炸”模型就是一个非常成功的理论。该理论认为所有物质和能量曾集中在一十时一空点内,随后才膨胀成今天这个样子。大爆炸模型对于为什么其它星系正在远离我们提出了解释,该模型还预言整个宇宙充满了一个低温微波辐射,     

有效势的改进计算和Higgs模型的对称性恢复相变

早在70年代,科学家就提出在高温高密条件下被自发破缺的规范对称性会得到恢复,并给出了研究这类问题的方法.近来弱电相变再次引起人们的极大兴趣,这是由于它对解释宇宙中的重子数不守恒有重要意义,同时宇宙模型也依赖这类相变的具体特性,即到底是一级相变还是二级相变.因此有必要更仔细地研究这类相变.分析相变的基础是有效势,但通常的有效势计算中存在两个困难.本文将利用硬热圈的重求和给出一种有效势的自洽计算途径,并利用它讨论Higgs模型中的对称性恢复相变.     

宇宙中的反物质

茫茫宇宙,浩瀚无垠。它展现出不可胜数的美景,也蕴藏着无法穷尽的奥秘。探索、认识和开发大宇宙是世世代代科学工作者的心愿。作为唯物主义者,我们深信宇宙是物质的。但是物质的结构精致细微,物质的形态千差万别。反物质就是当代物理学的一个重要研究对象,它也给宇宙探索增添了生动精彩的新题材。