第四讲暴涨宇宙学的研究与进展

文章简单介绍了标准(大爆炸)宇宙模型的成功和困难，着重介绍了暴涨宇宙学的研究历史和最近的进展，并展望了今后人们可能的关注方向     

关于宇宙结构形成演进的数字化模拟

从宇宙大爆炸的最初几分钟直到今天,想要定量理解我们所观察到的关于宇宙的海量数据,宇宙学家们无疑面临着巨大的挑战。令人不可思议的是,现代宇宙学在这样一场大战中竟然取得了伟大的胜利——仅仅使用6个参数(万有引力常数、真空介电常数、真空导磁率、真空光速、普朗克常数、电子或质子电量),便可以构建"标准模型",进而解释形形色色的宇宙学问题。标准模型与观察数据的结合确认,我们     

反物质和暗能量

 上个世纪,人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用的道路上取得了辉煌的成就,建立了描述微观世界的粒子物理标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学标准模型。粒子宇宙学将微观世界和宇观世界、粒子物理学和天文学结合起来,研究早期宇宙这一极端条件下的物理规律,探讨基本粒子的相互作用的统一。近代宇宙学研究表明,在宇宙演化过程中经历了暴涨(Inflation)阶段。基于粒子物理的标量场理论,暴涨宇宙学不仅为经典大爆炸宇宙模型中的初始条件和疑难给予了答案,而且提供了一个描述宇宙大尺度结构成因的合理理论,并为近年观测所支持。     

粒子物理和宇宙学

粒子物理学的研究对象是基本粒子,其尺度范围小于10-13cm,质量小于 10-23g,是所谓的微观物理学.宇宙学的最小研究对象是星系,其尺度范围大于 1019cm,质量大于1039g,是所谓的宇观物理学.热大爆炸宇宙模型使两者发生了密切的联系.近十几年来,这种联系日益深化,一方面使宇宙学臻于成熟,另一方面也推动着粒子物理学的发展. 以可靠的物理规律为基础的宇宙学研究,是在有了广义相对论之后才开始的.宇宙的膨胀则是在1929年Hubble发现了河外星系的退行规律后才逐渐被认识的.四十年代末,Gamow及其合作者以宇宙膨胀的观念为基础,首先成功地讨论了宇宙…     

你听说了吗?——来自24届国际高能物理会议的消息

 之一:自七十年代以来,高能物理与宇宙学的研究联系越来越密切,因而近几届国际高能物理会议上都安排一个有关宇宙学方面的报告.在1988年举行的第24届会议上报道了一种新的宇宙模型.宇宙有可能不是创生出来的我们的宇宙在膨胀,这一事实早为天文学家所确定.在此基础上,四十年前,物理学家盖莫夫及其合作者阿尔弗创立了大爆炸宇宙学.     

关于宇宙学常数问题的知识要点和几点思考

大爆炸宇宙学告诉我们,宇宙正在膨胀。如果我们的宇宙主要包含的是基本粒子型物质,那么宇宙将是减速膨胀。但是,对于今天我们观测到的宇宙来说,发现它在最近过去的几十亿年间却在加速膨胀!这预示着,宇宙中的主要能量形态不是基本粒子型物质,而是某种新的能量形态。对这种“新的”能量形态,其实科学家早有察觉和分析。它的最简单的可能性就是宇宙学常数。然而宇宙学常数的物理本质和内容却并不简单。这篇短文,就是主要介绍了宇宙学常数的一些基本知识和我们对它的一些思考。爱因斯坦方程中最自然出现的一项是宇宙学常数(简称cc)项,cc的值任意…     

大爆炸理论

  大爆炸理论是研究宇宙的一种方法。几千年以前人们关于“天圆地方”的争论就是对宇宙的研究的开始。哥白尼 “日心说”的提出,冲破了“地心说”的束缚,宇宙学的研究取得重大突破。在1917年,著名科学家爱因斯坦建立广义相对论后,很快就应用于宇宙学的研究,掀起宇宙学的热潮。直到现在最成熟的宇宙学理论——大爆炸理论的提出,使得宇宙学的研究又达到一个高峰。然而研究的脚步并没有停下,一直在前进。     

宇宙年龄问题上的疑难

宇宙年龄是大爆炸宇宙学中的一个关键性的问题．文章对这问题的缘由、历史以及现状作了阐明．重点讨论了哈勃常数的实测值大小在宇宙年龄问题中的核心作用     

哈勃常数危机

哈勃常数定量刻画了当前宇宙的膨胀速率,精确测定哈勃常数是现代宇宙学的一个重要科学问题.近年来,哈勃常数的局域直接测量值与全局模型拟合值之间出现了越来越严重的偏差,其中局域直接测量值来自于晚期宇宙的局域距离阶梯测量结果,而全局模型拟合值来自于早期宇宙的微波背景辐射对宇宙学标准模型的观测限制.如果该偏差不是由其中任何一种观测手段的观测误差和系统误差所致,那么很有可能意味着存在超出宇宙学标准模型的新物理.本文从观测和模型两方面简述该哈勃常数危机问题,并结合作者近年来对此问题的研究从观测和模型两方面进行展望.     

为什么宇宙中的物质与反物质不等量

 宇宙学家认为在大爆炸中产生了相等数量的物质与反物质。如果物质与反物质粒子是严格地彼此相反的,它们应该已经发生湮灭而只剩下光子。然而,我们的宇宙是以物质为主的,这意味着大爆炸之后物质与反物质经历了不同的过程。为说明这种过剩的物质,粒子物理的标准模型预言,物质和反物质的衰变速率略有不同。     

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地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？     

高红移Ⅰ_a型超新星的搜寻和宇宙的加速膨胀

观测研究表明,Ⅰａ型超新星可以作为宇宙距离测量的标准光源．天文学家还从近邻Ⅰａ型超新星光变的研究中得出可靠地确定其最高光度的方法．在此基础上,国际上两个相互竞争的研究集体经过几年的不懈努力,对高红移超新星进行了搜寻和观测．他们各自独立地得到了相同的结论：宇宙学常数Λ＞０,宇宙在加速膨胀．这项研究结果将对宇宙学,星系和大尺度结构的形成和演化的研究产生重要影响．更重要的是,它把所谓“宇宙学常数问题”提到我们面前,不再能够回避．而这一问题的解决将有可能带来基础研究上的重大突破     

奥伯斯佯谬浅析

给出满足宇宙学原理的宇宙模型中计算星体视光度的一般公式，作为特例，导出“稳恒态”和“大爆炸”模型中星体视光度的表达式，结果表明这些模型是可以避免奥伯斯佯谬的。     

欣欣向荣的宇宙学

 一度被称为“天文学坟墓”的宇宙学现在正欣欣向荣。一系列丰富的科研成果和新仪器装置的研制,使人们感到宇宙学的前景是光明的。 长期以来,人们将１Ａ型超新星作为测量空间距离的“标准光强”,对它们的表观亮度的测量给出了它们的距离值。但是,这一方法很容易出错,不同的实验可以得到不同的结果。有人提出如何通过对衰减率和颜色进行校正的新方法,从而得到数值为５９±７的哈勃常数,它所相对的宇宙年龄约为１７０亿年。 宇宙学的另一个参数是ω,它是宇宙中的物质与阻止宇宙膨胀所需临界量的比。大爆炸膨胀模型预期ω必须精确等于１,宇宙才是“膨胀的”。     

皮布尔斯的物理宇宙

2019年10月8日,瑞典皇家科学院宣布将今年的诺贝尔物理学奖授予詹姆斯·皮布尔斯(物理宇宙学方面的理论发现)以及米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹(首次发现围绕类太阳恒星运动的系外行星)。在现代宇宙学一步步走向精确定量科学的过程中,皮布尔斯扮演了关键角色。文章对皮布尔斯在现代宇宙学研究中的奠基性工作进行了简要回顾,侧重介绍其在宇宙组份,宇宙演化,和宇宙结构形成方面的重要贡献。     

现代物理的前沿边缘科学

现代物理的前沿边缘科学邹旺宗，李睿，陈桂莲（湖北省物资学校武汉４３００７０）１暴胀宇宙学天体物理学是研究天体演化的物理过程的科学，宇宙作为一个整体是最大的天体，其物理过程是由大爆炸模型来描述的，根据这个理论我们今天观察到的宇宙起源于１００—１５０亿年...     

人类认识宇宙的足迹

人类认识宇宙经历了漫长的过程。天文学的不断发展对于历代哲学和科学技术的进步不断提出挑战。宇宙是怎样起源和演化的？宇宙的结构究竟如何？我们的宇宙将来结局如何甲这些仍然是现代宇宙学面临的课题。为了理解现代宇宙学,在这期彩色插页里,我们以一些精彩的画面回眸一下人类探索宇宙的历程,或许可以使我们更好地认识和理解宇宙学最新的发展方向。     

宇宙的创生和极早期

随着电影<宇宙与人>在全国各地的放映,对大爆炸宇宙学感兴趣的人越来越多.关于宇宙创生10-5 s以后宇宙演化的情景,本刊1996年第4期登载的康文秀、党兰芬两同志的文章<宇宙演化的最初三分钟>已做了介绍.本文拟对10-5 s以前的宇宙创生期和极早期的情景做一简介.     

弱引力透镜成为精确的巡天科学

正对暗能量巡天(DES)第一年数据的分析显示:利用弱引力透镜效应限制宇宙学参数的精度可与微波背景辐射观测相媲美。基于广义相对论,科学家经过几十年的努力成功地建立了宇宙学模型,即宇宙学常数Λ非零的冷暗物质(ΛCDM)模型。该模型解释了宇宙演化的方方面面,从原初均匀的等离子体到我们如今看到的行星、恒星和星系这一不均匀宇宙。不幸的是,ΛCDM模型与粒子物理标准模型有冲突,后者无法解释ΛCDM宇宙中的两个重要成分:约     

WMAP数据分析新结果所带来的困惑

最近,Science周刊在一篇关于威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）数据分析的焦点新闻中指出：我们只有一个宇宙,由于观察的范围有限,由于不可能进行可重复的实验,宇宙学家有时不得不面对进退两难的境地．