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.     

编后

在整个人类文明中,最令人着迷的问题大概要算宇宙的创生了.宇宙学很象考古学,考古学家根据大量化石和零星的“遗迹”复制出人类远古时代的模型,宇宙学家则致力于探寻宇宙早期自然过程所留下的“遗迹”,并以此推断出宇宙早期结构.那么宇宙创     

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     

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.     

闭合宇宙的新观测证据与宇宙学的危机

<正>宇宙学的研究已经进入到一个精确宇宙学时代.普朗克卫星以前所未有的精度精确测量了宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)上的微小温度涨落和极化,这些测量结果为宇宙学参数提供了强有力的限制[1].总体来说,普朗克观测结果明确支持一个仅含有6个基本宇宙学参数的宇宙学模型,即所谓的宇宙学常数冷暗物质(Λ colddarkmatter,CDM)模型.目前,空间平直的CDM模型被普遍视为一个宇宙学的标准模型,因为该模型的预言与几乎所有的宇宙学观测都符合得很好.但近年来宇宙学也遭遇到非常严峻的挑战.最主要     

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。     

宇宙学常数Λ≠0时复合时期的电离率和最后散射面

非零宇宙学常数在Ｈｕｂｂｌｅ常数取值较大时对大爆炸宇宙学模型具有现实意义,计算了宇宙学常数不为零时复合时期电离率的演化和最后散射面的位置,所得结果可应用于计算宇宙微波背景辐射的涨落。     

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     

解读宇宙的起源——2006年诺贝尔物理学奖简介

2006年度诺贝尔物理奖授予了在宇宙学研究领域取得杰出成果的美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特。他们发现的宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性强烈地支持了大爆炸宇宙学模型并开启了“精确宇宙学”时代的大门。COBE之后宇宙学研究取得了一系列重大的进展。近年WMAP、SDSS等天文观测更加坚实有力的支持了大爆炸宇宙学模型,并对物理学提出了一些重大的、尖锐的挑战,诸如什么是暗物质?暗能量的物理本质是什么?     

WMAP将要告诉我们什么?--谈人类对宇宙演化的探索

我们的宇宙是何时开始、如何开始、为何开始的 ?它又将如何变化 ?它的最终命运又将如何 ?这是任何一个有好奇心的孩子都会问的问题 ;而对宇宙学家来说 ,对宇宙起源及最终命运的探索却既是一个十分古老的话题 ,又是一个非常热门的前沿问题。爱因斯坦在 2 0世纪的头 2 0年中奠定了我们将宇宙作为一个整体来认识的基础。 2 0世纪 2 0年代 ,美国天文学家哈勃通过对遥远星系光谱线特征的研究 ,证实了宇宙在膨胀。之后 ,宇宙学家们构造了各种宇宙学模型 ,做出各种预言。而模型与真实宇宙之间的相容性必须由观测来检验 ,正是现在WMAP (微波各向异…     

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     

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:     

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     

宇宙学与暗能量

宇宙暗能量的发现是近年来宇宙学中最重要的进展。在这之前，宇宙学已经历了大爆炸宇宙学和暴胀宇宙学两个阶段，暗能量的发现使得它发展到了精确宇宙学（或和谐宇宙学）的新阶段。     

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。     

自然界的基本规律能否进化?

近来,在研究宇宙膨胀早期阶段的物理宇宙学文献中,以及在哲学和自然科学方法论的著作中,越来越经常地谈论自然界的规律有可能发生变化的思想。按照标准宇宙学的模型,早期宇宙实质上是一架巨大的“加速器”;其中以自然方式显示出来的能量条件,在地上实验室中原则上不能重新产生出来。对于把高能条件下的各种基本相互作用统一起来的理论公式进行间     

宇宙演化的奇思妙想

星空和宇宙的奥秘,自古以来吸引着人们,许多学者为探索这一奥秘的科学真理付出了毕生的心血甚至生命.1916年,现代物理学的奠基人爱因斯坦用广义相对论揭示了时间和空间的辩证关系;1919年,爱因斯坦又发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》一文,这篇论文成为现代宇宙学的奠基之作. 那么,宇宙是如何诞生和发展的?它的未来又会如何呢?一些站在宇宙学前沿、思想敏锐的科学家,根据爱因斯坦的理论,用他们的心智和才学描绘出一幅幅绚丽多彩、气势宏伟的宇宙蓝图.     

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。     

宇宙的起源—大爆炸宇宙学介绍

关于宇宙起源,历史上曾经出现过各种各样的想象和神话传说。但宇宙的起源本身却是一个科学问题。20世纪以来,人们在宇宙观测中取得了越来越多的重大发现,从而逐渐建立起大爆炸宇宙学模型。大爆炸宇宙学模型的背景20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离人们而去。1929年哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来,得出了     

从夸克到宇宙

物理学家已经建立了一种描述我们周围普通物质特征的粒子和力的标准模型.同时,天体物理学和宇宙学空间观测已经揭示出,我们对宇宙的图像的认识是不完备的,宇宙大约96%的份额不是由普通物质构成的,而是由其他一些神秘的东西--暗物质和暗能量--构成的.我们已经认识到,实际上我们并不知道宇宙的大部分是由什么构成的.认识这种未知的"新"宇宙有赖于研究物质最基本单元及其性质的粒子物理学的突破性发现.