柳暗花明的宇宙--暗物质和暗能量发现的意义

人类仅有数千年的文明史,我们仅对宇宙间平日常见的4％的普通物质具有较为深刻的认识,而宇宙中更多的是我们看不见、摸不着的暗物质和暗能量,人类对它们的认识每前进一步,我们的一切将会发生翻天覆地的变化。     

暗能量

最近的宇宙学观测表明,人类熟悉的原子物质(重子物质)只占宇宙总能量的4%左右,而剩下的能量成分都是看不见的暗物质和暗能量,其中暗物质占23%,暗能量占73%.当前,暗物质和暗能量的起源和物理本质都不清楚,揭开它们的神秘本质是现代基础科学所面临的最大挑战之一.暗物质虽然神秘,但是它所产生的引力是和原子物质一样的正常引力.而暗能量就不同了,它更加神秘莫测,它产生的引力实际上是一种排斥力.正是由于暗能量的排斥力的驱动,我们的宇宙现在正在加速膨胀.暗能量在当前的物理学理论框架下面临着严重的问题.实际上,它的物理本性和量子引力理论有着深刻的联系.因此,暗能量的理论研究将为自下而上地建立一个完整的量子引力理论提供重要的线索.在简要论述了与暗能量相关的各种问题来龙去脉的基础上,描述了这个领域的概况.     

关于暗物质与暗能量参数化的统一模型

构建暗物质与暗能量参数化的统一模型．通过利用与哈勃参数相关的关系式（4）．我们给出了一个能统一暗物质与暗能量的参数化的态方程．由此方程出发,导出了相关的一些宇宙学量与红移量之间的关系．通过计算,我们发现暗能量态参数和减速因子的现在值ω0DE,q0以及转换红移计与超新星观测数据的结果符合得很好．进一步,通过分析暗能量未来的演化趋势,否定了宇宙大劈裂（Big Rip）的命运．     

暗物质暗能量的性质与相互关联

最近英国学者据帕拉纳尔天文台的观测数据分析,对宇宙暗物质暗能量研究取得了一些进展．若认为宇宙暗物质是费米型中微子ｖ０ｅＦ及其超对称伴子中性微子Ｕ－０ｅＢ组成,则据天体演化的2类自由流阻尼标度给出的质量、半径计算式,总结出暗物质特性,结果与观测基本相符,支持热暗物质说,同时也讨论了暗物质与暗能量的相互关联．     

宇宙未来的命运是“大坍塌”还是“大分裂”

若宇宙为光子热平衡态和引力束缚态并存的系统,光子平衡态占优势则宇宙必然膨胀;若它遭到削弱或破坏,引力束缚态占优势,则宇宙将由膨胀转为收缩(坍塌).引入宇宙早期和宇宙晚期核子概念,则宇宙演化与核子演化间存在相互关联.给出暗物质即υe,F的超对称伴子U-e0,B,有较大质标,若它迫使宇宙总质量大得过了头,宇宙将发生坍塌.宇宙由膨胀转为收缩的条件是:当晚期核子的质量减小到现时光子质量的上限,则光子平衡态遭到削弱,引力束缚态占优势.在转入收缩之前宇宙为减速膨胀.     

暗能量与暗物质的统一

大量可信的证据表明暗物质造成了许多漩涡星系的平坦的自转曲线;在爱因斯坦引力场方程中加入暗能量的能量动量张量后,通过假设星系中的暗能量是非均匀、球对称分布的,同样得到星系NGC3198的平坦的自转曲线,因而可认为暗物质和暗能量是同一种物质的两种表现,初步统一了暗能量和暗物质.     

宇宙起源及宇宙命运

引入宇宙早期核子概念,认为宇宙不是起源于时间为0、空间为0的点大爆炸,而是起源于t=10-62s,T=1051K,r=10-52cm“超微黑洞”的大爆炸.爆炸后宇宙是一个光子热平衡态和引力束缚态共存的系统,光子热平衡态占优势,迫使宇宙膨胀.tc=10-35s,宇宙对应的温标为1014GeV,并在tc=10-35~10-32s间发生暴胀、相变.暴胀、相变中形成的多成分粒子宇宙,是现时粒子的超对称性伴子,有较大的质标.“中性微子”质量m-U0e,B=230 GeV,它是暗物质,当暗物质使宇宙总质量多得过了头,宇宙即由膨胀转入收缩.     

暗能量与暗物质相互耦合的观测限制

暗能量是一种引起宇宙加速彭胀的排斥力,探索暗能量的性质是目前天文学和理论物理领域中最突出的问题之一。提供选取暗能量状态参数为常量和变量（随红移变化）的2种模型,并考虑在模型中加入一种被广泛采用的暗能量耦合形式Q=3αHρm进行数值模拟讨论。应用最新的观测数据对耦合模型的相关参数进行限制,得到了暗因子耦合强度的上限。对常量和变量耦合模型,〖JP3〗在1σ,2σ和3σ置信度内,代表耦合强度的参数分别为α≤0.017 6(0.022 5)(0.027 3)〖JP〗和α≤0.020 6(0.027 8)(0.034 5)。研究表明,这2种模型可给出与目前的观测结果相一致的参数范围。     

暗能量与暗物质相互耦合的观测限制

暗能量是一种引起宇宙加速彭胀的排斥力,探索暗能量的性质是目前天文学和理论物理领域中最突出的问题之一。提供选取暗能量状态参数为常量和变量(随红移变化)的2种模型,并考虑在模型中加入一种被广泛采用的暗能量耦合形式Q=3αHρm进行数值模拟讨论。应用最新的观测数据对耦合模型的相关参数进行限制,得到了暗因子耦合强度的上限。对常量和变量耦合模型,在1σ,2σ和3σ置信度内,代表耦合强度的参数分别为α≤0.0176(0.0225)(0.0273)和α≤0.0206(0.0278)(0.0345)。研究表明,这2种模型可给出与目前的观测结果相一致的参数范围。     

主宰宇宙命运的暗物质

宇宙是膨胀的还是坍缩的,或者宇宙既不膨胀也不坍缩,这种命运完全取决于暗物质对宇宙物质密度的贡献。     

从万有引力出发对黑洞、暗物质和暗能量的分析与理解

万有引力具有两个基本特性:普适性和纯粹吸引作用,重力系统的能量则必须是正定的.从万有引力出发,在牛顿力学的基础上进行简单推导得到了一些关系式,对黑洞、暗物质和暗能量等一些物理课题进行一定程度的分析和理解.     

从万有引力出发对黑洞、暗物质和暗能量的分析与理解

万有引力具有两个基本特性：普适性和纯粹吸引作用,重力系统的能量则必须是正定的．从万有引力出发,在牛顿力学的基础上进行简单推导得到了一些关系式,对黑洞、暗物质和暗能量等一些物理课题进行一定程度的分析和理解．     

再论暗物质、暗能量、引力波-中微子及力的统一问题——从宇宙微波背景辐射B模偏振之发现的物理学意义谈起

进一步探讨暗物质、暗能量、引力波-中微子及力的统一问题,结果认为:(1)以宇宙大部分星系合并成的重力真空星的类似局部暴涨解释了宇宙加速膨胀的可能是暗能量的高比例之源;证明哈佛—史密森天体物理学中心等BICEP2望远镜发现的宇宙微波背景辐射的B模式偏振信号,可能是宇宙暴涨与上述的类似局部暴涨的引力波叠加作用的结果。(2)英国《自然》杂志发表的76个"黑洞"探测所发现的强大的磁场,客观上较强有力地支持作者提出的"黑洞"(暗星)的夸克星模型:由1/3基本电荷的正负夸克以类似于金刚石的正四面体"空间点阵"组成。质能守恒定律提示1/3基本电荷的夸克可能是空心结构。(3)进一步支持"黑洞"(暗星-夸克星)作为暗物质的候选者的可行性。     

宇宙的奥秘

宇宙中的暗东西不仅有暗能量,还有暗物质。它参与组成了约25％的宇宙。     

宇宙大爆炸及宇宙演化

给出了宇观天体和微观粒子质量、半径的统一计算式,计算结果与实验基本相符.认为宇宙大爆炸是"超微黑洞"(即前宇宙)的大爆炸,否定了点大爆炸的传统观点.爆炸后的宇宙背景是光子热平衡态和引力束缚态共存的系统,平衡态占优势则宇宙必然膨胀.暗物质、暗能量的本质是什么?它们会怎样左右宇宙的命运?最后也阐明所谓的"大沙漠"区并非一无所有,它分布着三代费米子的超对称伴子--三代玻色型粒子成员.     

宇宙大爆炸及宇宙演化

 给出了宇观天体和微观粒子质量、半径的统一计算式,计算结果与实验基本相符．认为宇宙大爆炸是“超微黑洞”（即前宇宙）的大爆炸,否定了点大爆炸的传统观点．爆炸后的宇宙背景是光子热平衡态和引力束缚态共存的系统,平衡态占优势则宇宙必然膨胀．暗物质、暗能量的本质是什么？它们会怎样左右宇宙的命运？最后也阐明所谓的“大沙漠”区并非一无所有,它分布着三代费米子的超对称伴子——三代玻色型粒子成员．     

具有奇异物质与暗能量作用的宇宙模型

研究了具有奇异物质与暗能量作用的4维宇宙模型,获得了一些新的宇宙解,这些解可用于解释宇宙加速膨胀;采用天文观测数据确定宇宙中物质与暗能量比例,此外,还根据观测数据估计了宇宙年龄.     

暗能量宇宙学的研究进展

介绍了暗能量宇宙学相关课题研究的一些最新的研究进展.作者多年来一直致力于暗能量问题的研究,近年来在暗能量相关课题方面开展了大量的研究工作,在若干方向取得了一系列有意义的进展.对这些课题研究的进展进行了简要介绍,主要内容包括:暗能量宇宙学模型的观测限制研究,暗能量与暗物质耦合参数的宇宙学测量,在宇宙学中称重中微子与搜寻惰性中微子的研究,遗迹中微子在银河系中的引力结团研究,利用引力波观测开展宇宙学参数估计的研究,暴胀宇宙学模型的观测限制研究.     

具有奇异物质与暗能量作用的二维Brans-Dicke宇宙模型

本文研究了具有奇异物质与暗能量作用的二维Brans-Dicke宇宙模型,并获得了一些新的宇宙学解,这些解可用于解释宇宙加速膨胀;此外,对二维Brans-Dicke弦引力模型中的宇宙学解进行了探讨,发现弦气体具有负能密度这一奇特性质,这一结果可导致早期宇宙的暴涨.     

负物质的基本定律和其作为暗物质的理论检验——负物质与Higgs机制和暴涨宇宙等的关系

基于发展Dirac的负能态得到最完备的对称结构提出的负物质,其主要特征是与所有正物质之间都是斥力.这样正负物质通常是两类拓扑分离的区域,是不可见的.因此负物质可以作为暗物质最简单的候选者.对暗物质最近提出的幻影(phantom)就是负物质.Higgs机制也许是正负物质的乘积.如果正负物质在量子涨落中同时产生,则可以导致暴涨宇宙,它从一无所有中产生.假设负物质可以屏蔽正物质,则可见天象应该显示季节效应.此外得到负物质假设可以预言的8个结论,并提出检验负物质存在的某些方法.最后基于自然定理的无矛盾公设,提出负物质的两个基本原理和三个基本定律.