寻找宇宙“幽灵”

<正>广义相对论在揭开宇宙奥秘的同时,也引发了无数未解之谜,比如,宇宙"幽灵"暗物质、暗能量以及引力波等,无数科学家因此而踏上了寻找之路爱因斯坦的广义相对论诞生100年来,在揭开宇宙奥秘的同时,也引发了一些至今仍未解开的谜团,其中,暗物质和暗能量这两个宇宙"幽灵",被视为21世纪物理学研究的最重要问题之一。普通物质只占宇宙总质能的4.9%暗物质和暗能量是如何"现形"的?上海交通大学鸿文讲席教授、粒     

当生活邂逅相对论

<正>今年是爱因斯坦提出广义相对论100周年,这个伟大理论把引力描述为空间和时间的弯曲,颠覆了人类对宇宙的认识,开启了近代物理学上一个全新的领域。那么,相对论到底是神马东西,它又是怎样被提出来的?改写宇宙认知法则关于爱因斯坦和广义相对论的故事,还要从1915年说起。1915年秋天,德国威廉皇家物理研究所。所长阿尔伯特·爱因斯坦的心情不太好,他正在遭遇学术上的瓶颈——10年前,狭义相对论的提出震动了物理学界,那一年也因此被命名为"爱因斯坦奇迹年"。此后,他     

时间箭头--史蒂芬·霍金名著《时间简史》片断撷英

史蒂芬·霍金是20世纪享有国际盛誉的伟人之一。他撰写的《时间简史———从大爆炸到黑洞》一书是一本通俗读物,探讨了我们对天体物理学以及时空本质的认识的外在局限性。此书发人深省,它介绍的当今有关宇宙的最重要的科学思想,读后让人领略到当代一个最富有想象力、影响深远的思想家的智慧。史蒂芬·霍金因患卢伽雷氏症(股萎缩性侧索硬化症)禁锢在一张轮椅上达20年之久,但他身残志坚,开创性地研究了宇宙理论,他对黑洞开创性的研究为我们提供了宇宙源于何时这一难题的线索。霍金教授以其敏锐的风格向我们展现了人类的“世界图景”:从亚里士多德时代开始研究到1915年爱因斯坦的突破进展,一直到今天这些年轻卓越物理学家令人激动的新观点。时间有初始吗?它又将在何地终结呢?宇宙是无限的还是有限的呢?带着这些最根本的问题,霍金回顾了有关宇宙的重大理论———包括所有的疑问、反论以及尚未解决的矛盾。他认真地解释了伽利略和牛顿的发现,紧接着一步一步地将人们引向爱因斯坦的广义相对论(研究宏观问题),然后又将人们引向本世纪其它重要理论———量子力学(研究微观问题)。最后他探讨了世界范围把广义相对论和量子力学结合成重力量子理论这种统一的理论,试图解决尚未解决的全部难题———他告诉人们为什么     

广义相对论引力场方程光速不变解及其启示

对广义相对论基本理论进行了一次系统的检查,重新强调了坐标的意义,纠正了以往因坐标意义不清带来的混乱.在球对称的情况下求解出引力场方程的光速不变解,揭示黑洞不是广义相对论的必然预言.重新导出行星轨道进动的方程,指出以往推导中的错误.实现了广义相对论引力理论与狭义相对论力学在弱场近似下的衔接.证明场方程的耦合常数并不唯一,可由原来的-8πG修改为4πG.揭示暗物质暗能量是物质的属性,而非独立的存在.给出一个活的、各方面正在逐渐加强的宇宙,与以往那个逐渐衰亡的宇宙形成宣明对比.     

黑洞量子理论的哲学意义

黑洞是爱因斯坦引力理论和时空结构的必然产物,是物理学中的一个奇特概念。1915年爱因斯坦提出广义相对论,为黑洞说的形成奠定了理论基础。其后德国人施瓦茨希尔计算出爱斯坦广义相对论复杂场方程的一个解:对于质量M相当于一个太阳的天体,其半径坍缩到3公里以内时,就会形成黑洞。目前,黑洞已经不仅仅是预言中的纯理论概念了;大多数天文学家和物理学家认为,宇宙中既然存在白矮星、中子星,如     

膨胀的多重宇宙

安东尼·阿圭雷博士(基础问题研究所科学副总监)在过去的十年中,宇宙学领域内发生了两件令人震惊的大事:一是宇宙学家们建立了一个真实的宇宙学"标准模型".通过结合一系列相对简单的对早期宇宙的猜想和已经证明的引力、核子、等离子和天体物理学知识,该理论能够适用于几乎所有现存的观测数据,并可重复测试和相互校验该模型的基本构成.二是科学家们意识到,通过宇宙膨胀--这一理论原本是为了解释构建"标准模型"所需的宇宙早期情况而提出的--目前所观测到的宇宙可能仅仅是一个巨大、复杂、多元的多重宇宙的"沧海一瞥",毫不足奇.多重宇宙的结构如何?我们所处的宇宙与其他宇宙关系如何?如果根据该理论推导出来诸多属性不一的宇宙,我们将使用哪些属性来与所能观测到的宇宙相互印证,以证明该理论的真伪?这些就是本文中两个主题人物所提出的一部分问题.亚历山大·维兰金(Alexander Vilenkin)是膨胀理论的先驱之一,亦是多重宇宙研究领域的顶尖科学家.理查·伊瑟(Richard Easther)则是一位致力于研究多重宇宙理论中一个最为微妙的方面的年轻科学家.他的研究方向是:如何在清点多重宇宙中的宇宙?     

横跨百年的科学求索

 Albert Einstein 在1915 年提出广义相对论,而Arthur Eddington在1919年对日全食的观察证实了光线在通过恒星的引力场时会产生轻微的弯曲,从而成为证明广义相对论成立的直接证据。一个世纪以来,广义相对论重塑了人类对宇宙的认识,并成为现代物理学的重要基石。然而,广义相对论的一个重要预言,即引力波,却始终没有揭开神秘的面纱。     

大爆炸前的宇宙宇宙学和超弦理论

像“宇宙膨胀”、“大爆炸”、“初始奇点”之类的专业术语，现如今已经成为我们日常用语的一部分。爆炸理论（Big Bang）是宇宙物理学关于宇宙起源的理论。根据大爆炸理论，宇宙是在大约140亿年前由一个密度极大且温度极高的状态演变而来的。本理论产生于观测到的哈勃定律下星系远离的速度，同时根据广义相对论的弗里德曼模型，宇宙空间可能膨胀。延伸（数学上同插值相反）到过去，     

球对称引力场方程的一些解

<正>引力场方程反映了引力场的存在和变化是由物质的分布及其运动所决定的,它的求解问题是广义相对论中的一个重要问题。本文讨论了“宇宙常数”不等于零的情况,得到一种场方程的一些球对称解。     

爱因斯坦对物理学的重要贡献

在20世纪初古典物理学出现危机的关键时刻,爱因斯坦是推动物理学革命思想的一面光辉旗帜。他独自发现了狭义相对论和广义相对论,从根本上改变了传统的绝对时空观念,将时空、物质和作用力通过对称性统一起来。从狭义相对论出发,他提出了质量和能量等价的公式,开辟了原子能的时代。从广义相对论和核能出发,他和一批科学家发展了宇宙构造和起源的模式,他提出的宇宙常数预示了产生排斥力的暗能量的存在。他和普兰克及玻尔一起是量子论的主要奠基人,他提出了集波动性和粒子性于一身的光量子学说,解释了光电效应,促进了量子波动力学的发现。他发展…     

宇宙真是诞生自“无”吗?

宇宙虽然浩瀚无涯,也应该有一个开端。那么,在宇宙开始的一瞬间究竟发生过什么事情呢?物理学家对此有种种猜测。广义相对论和量子论是现代物理学的两大支柱理论,早庄20世纪80年代,就有物理学家利用这两个理论认真推测过庄宇宙诞生的那一瞬间所发生的事情。     

声音

<正>下期看什么?平行宇宙论宇宙并不是惟一的,而是有无数个!也许宇宙并不是惟一的,而是有无数个——这一匪夷所思的假设是当今物理学研究的热门话题。根据这一假设,我们生活的宇宙之外的其他宇宙被称为"平行宇宙(parallel universe)"。美国麻省理工学院的马克思·泰格马克(Max Tegmark)教授是平行宇宙研究领域的权威,他提出了一个更加令人难以置信的观点:在某一个平行宇宙里存在着"另一个你"——无论是外形上,还是性格都与你一模一样。     

广义相对论中的同时性定义

按照广义相对论时-空间隔的特性,同时性定义被严格地推广到广义相对论.同时性定义原是狭义相对论中的重要问题,过去一些文献将它推广到广义相对论时,忽视了广义相对论与狭义相对论在时空特性上的差别,因而在推广的过程中,出现了一些概念上或计算上的混乱和错误,影响了对广义相对论的正确理解.通过严格的论证,指出了这些混乱和错误,并予以了改正.     

暴涨宇宙与原初引力波

暴涨宇宙和原初引力波是当前基础物理学研究的热点.BICEP2团队在CMB中测量到大的张标比,这提供了暴涨宇宙的一个直接证据,证明了原初引力波确实存在,并在量子理论与广义相对论之间建立了桥梁.     

宇宙在膨胀！

今天，我们只要讨论到宇宙问题，就不能不应用到广义相对论。关于万有引力无法解释的“水星近日点进动”（第70页），也是由广义相对论加以正确说明的。     

线性引力的宇宙波函数

本文研究了1+1维线性引力的量子宇宙学,关于宇宙边界条件的Hartle—Hawking提案也被推广到1+1维理论.我们发现:对于正的宇宙常数,标度因子的演化与四维欧氏空时相一致.波函数具有振荡行为;对于负的宇宙常数,会出现指数膨胀和收缩的宇宙,波函数是指数型的.     

广义相对论与现代宇宙学的进展

广义相对论主要应用在宇观领域，研究宇宙的结构和运动。从本世纪二十年代起，开始建立现代宇宙学理论，这个理论预言宇宙在膨胀。近年来，随着天文观测的迅速发展，发现了许多新现象、新天体。积累了不少新资料。本文以广义相对论为理论依据，结合主要观测事实，对当前流行的现代宇宙学理论予以综述。     

引力的前世今生

 从牛顿万有引力公式到爱因斯坦的广义相对论,人们对引力的认识经历了一个曲折的过程。随着今天引力波的发现,让我们回顾一下在这一个世纪里人们对引力发展的认识过程^[1]。     

引力的Weyl-U(1)规范场理论及其宇宙

通过分析认为广义相对论不能自然地给出引力场(作为物质)的能量、动量这些重要的物理量。广义相对论体系是欠定问题,在自系统无定解。它和其他相互作用的理论形式较独立,有碍四种相互作用的统一。为了克服这些困难,本文提出了引力的Weyl-U(1)规范场理论。在相同近似下给出的结果和广义相对论一致,而表达方式更简明。文中得到一个宇宙模型,对时空有一些新观点。还提出了本理论对自然界一些解释不了的神秘现象的可能应用。     

科学是永无止境的前沿

<正>北京时间3月18日凌晨,来自美国哈佛大学史密森天体物理中心的科学家宣布,架设在南极的宇宙微波背景辐射探测器BICEP2捕捉到了宇宙暴涨时期遗留下来的宇宙原初引力波。这是爱因斯坦提出了相对论以来,人类首次直接探测到的引力波信号。这一发现无疑进一步夯实了爱因斯坦的广义相对论和量子理论这两大现代物理学理论的基础。多年以来,包括欧空局的普朗克卫星在内的全球多个天文台都在寻找原初引力波,然而这一次还是