宇宙是唯一的吗?

宇宙是唯一的吗?本文介绍近年来宇宙学和量子力学中的"多重宇宙"概念.在暴胀宇宙中,可产生巨大数量的时空区域,这些区域不仅彼此脱离因果联系,且其中所展现的物理有效理论也可能是不同的.根据量子力学中的多世界诠释,世界在每次量子测量时根据其不同结果而分裂为不同的、各自独立演化的分支,至于这些分支是否"真实存在"取决于对"存在"的理解,因而更多的是个哲学而非科学问题.由于多重宇宙的概念很难被实验或观测所检验,因此它是否是一个科学上有意义的概念也是一个有争论的问题.     

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.     

宇宙暴胀的根源

标准宇宙学模型认为宇宙起源于大爆炸,并且经历了暴胀阶段。然而,为什么早期宇宙会暴胀,存在不同的理论假设。一个理想的模型是宇宙起源于真空,并演化为今天的宇宙。通过求解量子宇宙学方程,并使用德布罗意-玻姆量子轨道理论,可以获得真空暴胀解。随着微波背景辐射观测精度的提高,这一模型的正确性有望获得实验检验。     

量子宇宙学和宇宙创生

将量子力学用于整体宇宙,宇宙学家希望窥视宇宙创生时刻。我们许多人遥望晴朗夜空而询问:"所有这些来自何方?"许多世纪以来,哲学家和神学家沉思默想的这个问题是科学研究所不可企及的。仅在本世纪我们才有足够精妙而严密的理论借以窥视宇宙极早期。运用爱因斯坦的广义相对论,将时间逆转,研究人员推断宇宙是在一个体积小、密度大、温度高的区域中出现的。     

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     

宇宙如何起源?

热大爆炸宇宙学取得巨大的成功,它所预言的哈勃定律、宇宙微波背景辐射和轻元素丰度等都得到了观测的广泛证实.但是热大爆炸宇宙理论自身有着无法解释的疑难问题,比如宇宙空间平坦性问题、视界问题等.为了解决热大爆炸宇宙学的诸多疑难问题,一个最简单经济的方案是在宇宙热大爆炸前发生一段由真空能推动的宇宙近指数膨胀的宇宙演化过程,即宇宙暴胀.事实上,发生在宇宙极早期的暴胀过程不仅可以合理地解释所有这些热大爆炸宇宙学中的疑难问题,而且起源于暴胀期间的量子扰动自然地提供了宇宙晚期结构形成所需的原初密度涨落.反过来,探测宇宙微波背景辐射微小的各向异性和宇宙结构成了探索早期宇宙暴胀物理过程的关键手段.尽管现有的大量宇宙学观测强有力地支持暴胀宇宙学,然而当前在宇宙大尺度上似乎依然存在一些偏离标准暴胀宇宙学预言的迹象,这些迹象可能暗示宇宙在极早期暴胀前还经历了一段收缩过程.     

中微子静质量对Dirac宇宙学的影响

在前一篇文章中,在不引入两种时标的前提下,我们提出了一种统一Dirac宇宙学和广义相对论的可能理论,并在零级和一级近似下给出了Einstein场方程,二级近似下给出了Dirac宇宙学。近年来,自发现中微子可能有静止质量后,出现了一系列讨论中微子质量对宇宙学影响的尝试。文献[4]指出,对于Einstein宇宙学,由于宇宙存在大量中微子,若中微子有静质量,则宇宙是封闭的。但对于Dirac宇宙学,由于引力常数随宇宙膨胀而变小,因而,中微子有静质量是否能导致宇宙封闭是个很有意思的问题。本文中,我们将在文献[1]提出的Dirac宇宙学统一理论的框架下,从场方程出发,讨论中微子静质量对Dirac宇宙学的影响。     

具有物质场的量子Kaluza-Klein宇宙学

一 宇宙的创生是宇宙学研究中最重要的问题之一。HartIe和Hawking指出可用量子宇宙论来解决上述问题,他们给出的一个可能方案是,宇宙量子态必须是欧氏量子引力理论中的“基态”。这种基态可表述为:任何三维紧致面的量子幄度应表为所有正定的以这三维面为一边界的紧致四维流形的路径积分。这个方案体现了如下的观念:宇宙是“无”创生的。 宇宙波函数为“基态”即取如下形式:     

“世界末日”——宇宙的结局如何?

宇宙在许多亿年之后是烟消云散似地化为“虚无”,还是以一团巨大的火球而告终呢?这个问题很久以来就使宇宙学家绞尽了脑汁。他们在寻找迄今为止仍不清楚的“暗物质”,这类物质对于宇宙的结局如何是有决定性意义的。     

量子理论的本体论基础

迄今为止,几乎普遍地认为量子理论只是提供了测量结果的各种统计预示,大多数量子物理学家倾向于认为:量子力学的诞生标志着本体论一劳永逸地退出了物理学领域。然而,这仅仅是一种幻觉。本文系统地阐述了一种同量子理论相协调的本体论,它奠定了D.玻姆的量子力学因果解释的形而上学基础。在这种本体论中,无需求助于观察者以及波函数编缩(wave function collapse)等概念,就可以讨论同宇宙客观存在相关的一些问题,这样,     

玻恩-英费尔德非线性标量场为物质场的量子宇宙模型

最近,Lemos采用Arnowitt-Deser-Misner的方法讨论带有标量场的平坦的R-W量子宇宙模型,得到一个非奇性的量子宇宙模型.我们采用流行的以Hawking,Vilenkin和Linde为代表人物的量子宇宙学方法,发现对于非线性玻恩·英费尔德标量场的R-W量子宇宙模型,当非线性标量场的参量λ>0时,仍能得到一个非奇性量子宇宙模型解.系统作用量取为:     

关于霍金的记忆

正史蒂芬·霍金的昔日同事们撰文回忆这位重要的宇宙学家,他的影响力早已超越了物理学界。霍金于1942年1月8日出生于英国牛津,先后在牛津大学学习物理学、在剑桥大学学习天体物理学。霍金的很多研究工作是研究广义相对论和量子力学之间的相互影响。1974年,他推导出他最著名的研究成果之一:黑洞的事件视界附近的量子效应将会导致黑洞发出黑体辐射。他1988年出版的科普著作《时间简史》,至今仍是向公众普及现代宇宙学最为成功的尝试之     

观测宇宙学

观测宇宙学是宇宙学的一个组成部分,它侧重于发现宇宙在大尺度时空上的观测特性,使现代宇宙学成为一门严肃的、自洽的自然科学。     

光子、热力学与膨胀宇宙

基于宇宙学观测以及含宇宙常数的广义相对论场方程建立的标准宇宙模型,存在着违背物理学基本规律的疑难,提示我们需要仔细审视宇宙动力学的物理基础.例如,同实物退耦后的背景黑体辐射光子数目不再随宇宙膨胀而变化,但宇宙学红移效应导致辐射温度反比于宇宙尺度下降,则背景辐射总能量也反比于宇宙尺度而不断减少,违背了热力学第一定律,损失的宇宙背景辐射能量到哪里去了?又如,宇宙常数对应的暗能量密度不随时间变化,膨胀宇宙中物质不断被创生,总能量随宇宙膨胀趋于无穷.在宇宙学中坚持能量守恒,需要限制暗物质和暗能量的基本物理性质,其中作为零质量玻色子的光子扮演着重要角色.基于爱因斯坦场方程同时又不放弃能量守恒定律的宇宙学模型,给出了和标准模型完全不同因而可以被观测证实或证伪的演化图景:暗物质同暗能量平衡状态下的匀速膨胀才是宇宙的常态,而减速或加速膨胀只是宇宙介质相变导致的瞬态过程.近期开始出现的高精度宇宙学观测结果对标准模型提出了挑战,而有利于能量守恒宇宙模型的预期.正在进行和计划中的宇宙学观测将最终判定2类模型,并且推动基本物理的发展.     

一种可能的Dirac宇宙学和广义相对论的统一理论

自1937年Dirac提出大数假说后,四十多年来出现了一系列可变引力常数的宇宙学模型,但大多数都在不同程度上存在困难。而且除Canuto等人提出的标量协变理论外,都不能解释广义相对论和Dirac宇宙学的矛盾。然而在Canuto等人的理论中引进了Milne的两种时标假说。Dirac曾经指出:Milne假说是和量子力学与经典力学的对应原理不一致的。因此迄今为止,尚未能建立起一种满意的统一Dirac宇宙学和Einstein广义相对论的理论。     

宇宙加速膨胀的射电直接测量研究获得重要进展

<正>最近,北京师范大学天文系张同杰宇宙学团队基于宇宙学中Sandage-Loeb效应也称Redshift Drift原理,提出了第一个宇宙加速膨胀的射电直接测量方法.传统方法是通过距离观测并且基于宇宙学哥白尼原理和爱因斯坦方程来测量宇宙加速膨胀,这是一种间接方法.新提出的方法是一种与宇宙学模型无关的直接测量方法.该研究工作于2014年7月25日在Physical Review Letters杂志上发表.20世纪20年代美国天文学家Hubble发现宇宙在膨胀,并根据当时少量的观测数据总结得出著名的Hubble定律,因此爱因斯坦也为自己构造了一个静止的宇宙而后悔不已.根据Hubble定律,通过观测河外星系的红移可以测量星系的退行速度,基本相当于宇宙整体膨胀的速度.既然宇宙在膨胀,那么宇宙膨胀是加速的还是减速的,如何测量宇     

广义相对论和引力理论的变革--相对论百年札记之二

发端于百年前的爱因斯坦相对论体系。包括狭义相对论、广义相对论和宇宙论，引起有关空间和时间、物质和运动、引力和宇宙等领域一系列重大进展。当前这个体系却面临着变革。有关暗宇宙观测数据的分析，是以爱因斯坦场方程和宇宙学原理为基础的。然而，结果却向以相对论和量子理论为基础的现代物理学提出重大疑难。这是物理学面临的空前挑战。     

耗散对量子系统分布函数的影响

在文献[1]中我们计算了一个一维量子耗散系统的准几率分布函数,发现半经典近似下的准几率分布函数和相应经典系统的分布函数有着比较显著的差别。分析文献[1]中(4)式及(5)式可知,量子力学效应通过系统的耗散     

宙学新进展

20世纪初的1901年,第一次诺贝尔物理学奖授予X射线的发现者以来,物理学已有了很大的发展。从物质的终极夸克到宇宙的尽头,科学家在不断地努力进行探索。 诺贝尔奖级宇宙学 不久前,现代宇宙学的进展使人们以为似乎终可解开宇宙起源之谜了。其主角是基本粒子的大统一理论。那么其后它的进展状况如何?诺贝尔奖级的大发现现在又在何处呢? 据有关专家讲,80年代,基本粒子宇宙学没什么进展,90年代的宇宙学则转换成更重实证的观测。 虽说都一概称做宇宙学,当前却有三大不同类型的研究。①对150亿光年这一宇宙可见范围的天体进行观测;②对宇宙可见限度内的波动的     

自然信息

宇宙是怎样创生的宇宙创生于约一百多亿年前的一次大爆炸已被当今的宇宙学观测事实所证实,然而作为一个完整的宇宙学必须回答宇宙是怎样创生的,或者说,必须回答人们常常会提出的质难:“宇宙在大爆炸以前是什么?”,直到不久前,人们对此的回答或者归之于牛顿的“第一