宇宙弦新进展

为什么大自然的规律是现在这样的?为什么宇宙是由现在的各种客体组成的?这些客体又是如何起始的?宇宙是如何获得现在这样的结构的?这是当代物理学家力图解决的四大问题。现在,上述问题的试探性答案已经开始显现。本文从以下几方面进行讨论、介绍近年来宇宙弦理论取得的新成果:1.宇宙结构的起源问题;2.宇宙的拓扑缺陷;3.作为物质种子的宇宙弦;4.超导宇宙弦;5.反常超导弦的W玻色子凝聚;6.宇宙弦的若干稳定性问题;7.宇宙弦催化质子衰变。     

宇宙的构成和哥白尼原理

构成宇宙的物质的绝大部分居然与人们所熟知的通常物质不同,仅仅只有大约4%是通常的原子物质.新近宇宙学观测认为,70%左右的宇宙能量是不结团并具有负压力的,这些占据统治地位的神秘的暗能量,使得宇宙在加速膨胀.暗物质大约占到了宇宙总能量的26%,它的本质并未了解清楚,人们猜测它们由在早期宇宙中形成的粒子所组成.宇宙微波背景辐射的贡献只占了0.01%,然而它能提供宇宙时空结构、宇宙早期历史甚至于最终命运的信息.我们宇宙的构成是哥白尼原理另一种形式的体现.     

揭秘暗物质

在宇宙学中,暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质.据科学家推测,暗物质是从137亿年前宇宙大爆炸过程中形成的.我们目前所认知的部分大概只占宇宙总资源的4％,而暗物质占据宇宙的23％,还有73％是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量.     

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.     

宇宙或在冰冷中死去

宇宙正在加速成长 在大约150亿年前,宇宙只是一个聚集了巨大能量和物质的小点,在某种未知条件的启动下,这个小点爆炸了,这就是“宇宙大爆炸理论”的主要内容,也是科学家对宇宙诞生的猜想.宇宙大爆炸之后,它就不断地膨胀,也就是说,宇宙就像一个生命体一样在不断地长大.在宇宙的“成长”过程中,不断地产生新的天体,一些老的天体也在不断地死去,就像是人体的细胞一样.     

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.     

宇宙的"黑暗时代"

光明宇宙 宇宙看似没有尽头.四百年前伽利略把望远镜对准星空,从那时起我们接收并破泽了无数的天外信号--恒星、星云、星团、星系和星系团发出的光.它们是我们探索宇宙的航船,带领我们向宇宙海洋的深处前进.只要有光,我们就不会迷失方向.四百年间,这个光明宇宙的边缘扩展了上千万倍.就在写这篇文章前不久,我们刚刚收到某个遥远星系发来的信号.     

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     

大宇宙

还在远古,当古希腊罗马的哲学家提出最早的"宇宙系统"时,研究宇宙学的问题就已使学者们踌躇不安.宇宙概念的含义随着科学发展而变化.哥白尼(Коперник)和开普勒(Кеплер)的宇宙,实际上并未超出太阳系的范围.这个范围内的恒星,是处在"由冰和晶体"组成的、按现代宇宙尺度来说半径是极小的天球之中.研究所及的宇宙部分的边界不断在扩大.在18世纪和19世纪的交合点上,多亏赫歇尔(Гершель)的研究方出现了总星系的图景,这是一     

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     

宇宙迷雾知多少

仰望星空,浩瀚无限的宇宙总会让我们肃然起敬,也会激发我们的好奇心,思索一个自然之谜.人类在宇宙中是独一无二的吗?宇宙有中心吗?宇宙有多少岁?宇宙的命运可以预测吗?带着这些疑问让我们来共同探索一下:     

生命:一个难解的宇宙之谜

与宏大的宇宙相比,地球竟是如此的"渺小":只相当于目前已发现的宇宙尺度的10-22.在广阔无垠的宇宙之中,地球简直就是一粒"微尘".然而,就在这个宇宙的"微尘"之上,却存在着一种生命现象,居住着众多的生物,人自然是它们当之无愧的代表.尽管人的生命是如此脆弱:与星球的寿命相比,人的一生只及星球的十亿分之一;宇宙尺度的温度只要变化10-10,人类便会化为乌有.然而,这个生灵又是如此伟大:人类利用所掌握的知识,能够对存在已上百亿年的宇宙进行探索,并将宇宙的奥秘了解得越来越清晰.就连人类也不由得发出惊叹:生命竟如此神秘而富有魅力!     

奇异矮星系:暗物质迷失?

<正>宇宙的起源是什么?其主要成分是什么?宇宙是如何演化到今天丰富的结构的?这都是现代宇宙学需要回答的问题.最近几十年时间里,现代宇宙学取得了令人瞩目的成就,奠定了标准宇宙学模型的基础.在标准宇宙学模型下,宇宙主要由暗物质和暗能量组成,我们熟悉的重子物质只占宇宙总比例的4.7%^[1].这一标准模型成功地解释了跨越宇宙学时标和尺度的众多观测现象,包括红移1000左右的宇宙微波背景观测、星系的大尺度成团性、弱引力透镜测量的宇宙剪切,以及由赖曼-阿尔法森林示踪的小尺度功率谱等.     

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.     

时空拓扑——宇宙创生的遗迹

在整个人类的文明中,最令人着迷的问题大概要算宇宙的创生了.在东方和西方的每一种文明里几乎都可以找到有关宇宙创生的猜测和议论.然而,所有这些议论都是属于玄学的或神学的,而不是物理的.也就是说,至今对于宇宙的创生还没有用物理学的方法——理论与观测相互对证进行讨论过.在宇宙创生问题中,最令人困惑的是,宇     

从星体残骸中诞生的人类

1927年,比利时天文学家勒默第指出:在零时刻,宇宙的物质和能量实际上杂乱地挤成一大堆,直径可能不超过几光年.他把这叫作“宇宙蛋”.而当代卫星技术获得的数据使得科学家们确信宇宙是由创世大爆炸形成的,而生命形态就是从“宇宙蛋”爆炸后的残体中进化而来的.     

21 cm宇宙学的探索——天籁与鸿蒙实验

自宇宙大爆炸结束,中性氢广泛分布于宇宙,为研究从宇宙黑暗时代、宇宙黎明与再电离时期,直到再电离之后的宇宙历史、精密测量物质分布提供了重要探针.但是迄今为止,由于灵敏度的限制,中性氢观测还主要局限于近邻宇宙.要进行更高红移的观测,必须在比其强几个数量级的前景中将21 cm信号提取出来,这对观测设备的设计和数据处理分析都提出了极高的要求.近年来,国际上出现了很多针对21 cm的观测实验, 21 cm宇宙学正处在突破的前夜.我国也开展了21 cm宇宙学的探索性实验.本文介绍了暗能量射电探测关键技术实验(天籁实验阵列)和绕月超长波天文观测阵列(鸿蒙实验)的基本情况和研究进展.天籁实验阵列位于新疆巴里坤县红柳峡观测站,是用于试验中红移的大尺度结构21 cm强度映射的关键技术.鸿蒙实验则拟发射一个线形编队的卫星阵列,环绕月球飞行,进行全天频谱和干涉成像观测.这将打开一个新的观测窗口,并探索宇宙黑暗时代和宇宙黎明.     

探索宇宙的新奥秘

就在短短的几年前,科学家们认为他们已经弄清楚了宇宙的起源.而且总结到宇宙是在100亿年至150亿年前,一个无限稠密和炽热的时空点发生一次大爆炸中开始形成的.宇宙学家对宇宙的形状并不完全清楚,他们对宇宙的大小和寿命有着不同的看法.但他们的确同意这样一个基本观点:我们     

宇宙具有多重历史

宇宙在空间和时间中也许没有边界.初看起来,这似乎与彭罗斯和我证明的定理直接抵触.该定理指出,宇宙必须有过一个开端,即时间的边界.然而,正如在第二章中解释过的,存在另一种时间,称作虚时间,那是和我们感觉到正在流逝的通常的实时间成直角的时间.宇宙在实时间中的历史确定其在虚时间中的历史,反之亦然,但是这两种历史可以非常不同.特别是,宇宙在虚时间中可不必有开端或终结.虚时间正如同空间中的另一个方向那样行为.这样,宇宙在虚时间中的历史可被认为是一张曲面,像一个球面,一个平面或者一个马鞍面,只不过是四维而不是二维的.     

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.