膨胀的宇宙

远去的星系 如果说太阳系的年龄是50亿岁,那么整个宇宙的年龄又该是多大呢? 从1912年开始的一系列研究工作为回答这一问题打下了基础。那一年,美国天文学家斯莱弗发现,仙女座大星云的光谱线稍稍移向红端。这表明它正在向我们奔来。及至1917年,斯莱弗共研究了15个星系的光谱线,结果发现有13个星系都在离开我们,而且它们退行的速度很快;平均每秒600多千米。     

新的膨胀宇宙

在过去四年中,宇宙学标准大爆炸理论中某些缺陷已经导致宇宙最开初历史的一个新模型的发展。这个模型叫做新的膨胀宇宙,对于最初10~(-30)秒以后所有的时间,它与以前对观察到的宇宙所采用的描述是精确一致的。然而,对于最初这段极短的时间,情况就极其不同了。按照这个膨胀模型,宇宙经历一个短时期的异常迅速的扩张或“膨胀”,在这个膨胀中,宇宙的直径以一个比以前认为的速度或许要大10~(50)倍的因子而增加着。在这个惊人增长的喷射中,从虚无中创造出了宇宙间所有物质和能量。这个膨胀过程对现在的宇宙也有重要的意义——如果新模型是正确的,那么我们至今观察到的区域仅是整个宇宙极小的一部分。     

我们膨胀的宇宙

曾几何时……实际上,在天文学历史上还是不久前的事,科学家认为宇宙是恒定不变的。单个的星体或星系犹如植物或动物的出世和死亡那样,也有来有去。但是,以前科学家通常认为,我们今天所见的宇宙基本上一如既往。     

膨胀的宇宙……

按照现代宇宙学中最有影响的大爆炸宇宙论和暴涨宇宙论,宇宙起源于一个高温、高密度的"原始火球"的大爆炸,它正处于膨胀之中.     

宇宙膨胀的减速

在现代标准宇宙学模型中,有两个重要的参量;哈勃常数H_0及减速因子q_0。哈勃常数标志着现今宇宙的膨胀速率,它和目前宇宙的年龄t_0有直接的关系.宇宙年龄大体上就等于哈勃常数的倒数,即t_0≈H_0~(-1)。自从1929年啥勃首次确定H_0值以来,测量方法     

宇宙在膨胀吗?

哈勃发现宇宙不是静态的,而是发展着的东西。这个发现肯定是本世纪河外天文学中最重要的发现。能与宇宙普遍稳步膨胀的观点抗衡的天文学家不多。但是,最近J.F.Nicoll,D.Johnson,I.E.Segal与W.Segal关于中度靠近的星系之红移及其表观亮度之间关系的挑战性统计研究,威胁到这个简单而又意味深长的图景。在普遍膨胀中,星系的后退速度(在经验上就是它的多普勒红移)应该与这个星系的距离成正比。     

剧烈膨胀的甚早期宇宙

《剧烈膨胀的甚早期宇宙》所论述的理论是1980年以来宇宙学上的又一重要进展。它以大统一理论中的真空对称破缺的相变为基础,使一些宇宙学的疑难问题得到了解决,但此理论至今还在争论和发展中。     

照亮通向加速膨胀宇宙之路

在罗伯特·基什内尔(Robert Kirshner)的大会学术报告中,这位哈佛大学的天体物理学家带领听众穿越了137亿年的宇宙演化史,以及一百年的人类对宇宙的研究史——他甚至还在报告过程中吃了一小片南瓜饼.     

中微子为主膨胀宇宙中的空洞

最近对星系分布的观测发现,在宇宙空间存在着尺度为40—100 Mpc的巨大空间。在持续膨胀的宇宙图景中,非辐射物质的成团过程自然地伴随着普通物质密度很低的区域的形成。问题在于这些区域的尺度能达到多大。这就是本文讨论的问题。     

膨胀宇宙的几个未解之谜

2003年,笔者曾写过一篇"WMAP将要告诉我们什么?——谈人类对宇宙演化的探索".彼时,恰逢威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)发射两周年,即将得到首批观测数据,而距1998年发现宇宙加速膨胀刚刚过去几年,探索宇宙演化和命运的新热潮正如火如荼.如今,18年过去了,宇宙学研究上取得了哪些进展和突破?还有哪些未决问题等...     

暗能量和加速膨胀的宇宙

1998年发现的宇宙加速膨胀是当代科学中最重大的课题之一.理论上,宇宙的加速膨胀可能意味着当前宇宙中约三分之二的能量密度是由一种新的能量组分,即暗能量所提供的也可能意味着爱因斯坦提出的广义相对论在宇宙学尺度上需要修正.暗能量和修正引力这两种完全不同的物理机制可以给出完全相同的宇宙背景膨胀历史,但却预言不同的结构形成过程.因此,我们可以通过观测宇宙的大尺度结构形成和演化来区分这两种不同的物理机制,揭示宇宙加速膨胀背后的物理规律.宇宙大尺度星系巡天是研究宇宙加速膨胀机制的重要探针之一.基于星系巡天,我们可以通过测量重子声波振荡(baryonic acoustic oscillations,BAO)和红移空间畸变(redshift space distortions,RSD)两种特殊的星系成团属性,同时测量宇宙的背景膨胀和结构形成历史,进而分别开展暗能量性质以及引力研究.SDSS(Sloan Digital Sky Survey)三期的BOSS(Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)巡天是近期完成的世界最大规模的星系巡天.通过对10000平方度左右天区的观测,BOSS获取了近一百万条星系光谱.基于BOSS的观测,我们对暗能量和引力性质开展了深入研究,并发现了暗能量的动力学迹象.目前正在巡天的e BOSS(extended Baryonic Oscillation Spectroscopic Survey)项目以及后续的DESI(Dark Energy Spectroscopic Instrument)和PFS(Prime Focus Spectrograph)等大型巡天将在更高的红移、以更高的精度测量BAO和RSD,这将为宇宙加速膨胀机制的研究提供关键的观测支持.     

美天文学家计算出新的宇宙膨胀速度

<正>美国科研团队采用新方法测量宇宙膨胀速度(即所谓哈勃常数)。此前两项研究发现,宇宙目前的膨胀速度比早期预测的膨胀速度快,而新数值则缩小了两者差距。芝加哥大学天文学家利用红巨星测量得出的哈勃常数为69.8km/(s·Mpc),即一个星系与地球的距离每     

宇宙加速膨胀助力三位科学家荣获诺奖

十三年前,天文学家和物理学家各自发现了斯塔克效应:浩瀚宇宙就像一个巨大的充气球,正在加速膨胀。当时许多科学家都认为,星系引力一定会使宇宙扩张速度放缓。如今,两个研究小组却因其戏剧性的观测,分享了2011年度诺贝尔物理学奖。他们的发现改变了人们在天文学、宇宙学和粒     

宇宙弦与宇宙结构

在遥远的古代,人类就试图弄清恒星在空间的分布方式。以现代观测手段为基础的宇宙学理论已能解释宇宙的演变过程,所谓宇宙“大爆炸”模型就是一个非常成功的理论。该理论认为所有物质和能量曾集中在一十时一空点内,随后才膨胀成今天这个样子。大爆炸模型对于为什么其它星系正在远离我们提出了解释,该模型还预言整个宇宙充满了一个低温微波辐射,     

电子、光子与癌的信息

《电子、光子与癌的信息》是曾堃等历经8年研究的成果,作者在掌握了大量临床数据的基础上,提出了一些对早期癌诊断的新观点。此项研究曾获1988年国家发明奖。     

含宇宙弦或整体单极子的Schwarzschild黑洞热力学性质

当具有渐近平直边界条件时,黑洞热力学遵循Bardeen等提出的四条基本定律。而对于不具有渐近平直边界条件的Schwarzschild型黑洞,这四条定律是否仍然成立值得研究。因为近来人们发现一些规范理论可导致诸如整体单极子、宇宙弦等一类拓扑缺陷。这些拓扑缺陷代表了在早期宇宙中可能出现的物质。它们的出现可能会在宇宙中引起一些重要的、     

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     

人工智能、物理学、宇宙和科幻

<正>2018年5月28日,复旦大学举办的上海论坛进行了题为“脑科学与机器学习：下面是什么？”（Brain Science and Machine Learning:What Next?）的高端对话,由复旦大学新闻学院教授张力奋主持,演讲嘉宾包括英国皇家学会院士、2017年“大脑奖”得主彼得·达扬（Peter Dayan）,伦敦大学学院计算机系教授李兆平,复旦大学物理学系教授施郁,复旦大学哲学学院教授徐英瑾,小i机器人公司CEO朱频频。我的演讲主要讨论了人工智能与物理学的交叉。     

粒子与宇宙

宇宙学是研究宇宙整体的性质、结构、运动和演化的科学。人类研究物质世界,向大的方面开拓,这就是宇宙学;向小的方向深钻,这就是粒子物理学。近年来的进展表明,这两个似乎是南辕北辙的学科竟     

人类与宇宙

<正>地球上,我们独霸称雄:现代人是星球上最聪明、影响力最大、破坏性最强的物种。我们强势,自己命名整个地质纪元:人类纪。然而,还存在一个完整的宇宙。我们该如何用宇宙的尺度来衡量它?人类真的是宇宙间唯一的智慧生命吗?如果有