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。     

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。     

“宇宙学的革命”专题报告之一——从超新星考察时-空

从２０世纪２０年代以来，宇宙学家就知道宇宙在膨胀，星系间的距离拉得越来越大。不过他们始终认为，在引力约束下，膨胀已经趋缓。但是完全出乎意料，新近对遥远爆炸星的观察结果，意味着宇宙在以更快的速度增长。果真如此，那末宇宙间一定充塞着某种未知的物质和能量形态，它们的“引力”是相排斥的而不是相吸引的。对于物理学家来说，认为存在着至今尚未发现的能量，这是异端思想。然而 １９９８年５月，在以“宇宙中的失踪能量”为主题的会议上，与会的６０位宇宙学家投票表决，有４０位表示接受这个新的发现。 １０多年来，天文学家怀…     

“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…     

中微子天体和类星体红移

类星体引力透镜现象的证认和中微子静质量可能不为零的发现,给宇宙学带来了一类新的问题:宇宙中的非均匀分布的质量成分对宇宙天体的视性质或观测性质(如红移、光度等)有怎样的影响? 在标准宇宙学中,天体的视性质被认为是它的内禀性质受了宇宙膨胀作用后的结果,这相当于只考虑了均匀分布的质量成分的引力影响。而实际上,宇宙中的质量分布虽然在大尺度     

减速因子的进一步确定

减速因子q_0在宇宙学中的地位,如同哈勃常数H_0一样,是一个特征宇宙性质的重要参量,当q_0>1/2时,宇宙是封闭的,当q_0<1/2时,宇宙是开放的。利用类星体来确定减速因子q_0是目前宇宙学中最活跃的课题之一.对于     

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     

爱因斯坦引力理论中非线性标量场的虫洞浇

1987年霍金首先提出的虫洞是极早期宇宙中联系两个不同拓扑的时空的瞬子解[1,2]瞬子把两个不同拓扑的时空通过量子隧道效应联系起来.这种虫洞在量子宇宙学、弦及量子引力理论中起着很重要的作用.关于引力理论中弦及Branes理论的研究告诉我们,Branes的低能等效场是非线性Bom-Infeld型的[3-7],在研究了Bom-Infeld(B-Ⅰ)标量场的量子宇宙波函数[8]以后,接着就要研究的是非线性B-Ⅰ标量场的虫洞解,本研究在标量场变化率(φ)很小及很大两个极限条件下求出了虫洞解.     

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:     

爱因斯坦-杨振宁方程的简单内解

按照最近提出的引力规范理论的一种方案,引力场由爱因斯坦-杨振宁方程描写。本文在空间均匀各向同性的假定下,求出了这组方程关于无自旋理想流体物质的无挠内解。考虑带有“宇宙学项”的无旋、无挠的爱因斯坦一杨振宁方程及相应的守恒方程:     

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!     

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…     

暗能量的理论问题

暗能量是近几年宇宙学的重大发现之一。它的存在给宇宙学、引力理论和统一理论提出了一个重大难题。我们简要解释目前存在的各种暗能量理论和模型。指出暗能量的最终理解将深化宇宙学和统一理论的研究。     

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。     

爱因斯坦引力理论中非线性标量场的虫洞解

198 7年霍金首先提出的虫洞是极早期宇宙中联系两个不同拓扑的时空的瞬子解[1 ,2 ] .瞬子把两个不同拓扑的时空通过量子隧道效应联系起来 .这种虫洞在量子宇宙学、弦及量子引力理论中起着很重要的作用 .关于引力理论中弦及Ｂｒａｎｅｓ理论的研究告诉我们 ,Ｂｒａｎｅｓ的低能等效场是非线性Ｂｏｒｎ Ｉｎｆｅｌｄ型的[3 - 7] ,在研究了Ｂｏｒｎ Ｉｎｆｅｌｄ(Ｂ Ｉ)标量场的量子宇宙波函数[8] 以后 ,接着就要研究的是非线性Ｂ Ｉ标量场的虫洞解 ,本研究在标量场变化率 ( φ)很小及很大两个极限条件下求出了虫洞解 .在 φ很小时 ,求得虫洞…     

大尺度有效引力理论与洛仑兹破缺

微波背景辐射的多普勒效应可能意味着在宇宙学尺度上洛仑兹boost不变性的破缺,假定洛仑兹对称性从星系尺度上开始部分破缺,以非常狭义相对理论模型的对称群为例,构造了其相应的规范理论作为大尺度上的有效引力理论,发现这些洛仑兹破缺的引力模型共同特征是即使物质源为普通标量物质时,时空挠率和contortion也一般不会为零,而广义相对论在这种情况下给出零挠率和零contortion,时空联络为Levi-Civita联络.非零contortion的存在贡献一个等效的能量动量张量分布,在星系乃至星系团尺度上的静态解中扮演暗物质角色,在宇宙学尺度上的类Roberson-Walker膨胀解中扮演暗物质与暗能量的角色,很可能会贡献一部分暗物质、暗能量效应.以Sim(2)为例,特别研究了其规范理论的自洽性,包括Maurer-Cartan方程在Sim(2)上的闭合性和以及由Jacobi恒等式在Sim(2)上导致的第一和第二Bianchi恒等式.     

宇宙学平坦问题的非暴胀解

按照标准宇宙学,宇宙空间曲率有正、负和零三种。如果宇宙物质的平均密度大于临界密度3H_0~2/8πG(H_0为描述现在宇宙膨胀率的哈勃常数,G为引力常数),则曲率为正;小于时,曲率为负;两者相等时曲率为零。天文学家认为宇宙空间曲率接近于零,即宇宙是平坦的。美国宇航局1989年11月发射上天的“宇宙背景探测器”卫星搜集的数据进一步肯定了这一平坦     

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.     

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.