非奇异宇宙的理想气体自相似模型

通过引力作用下理想气体运动连续性方程的无量纲化,根据量纲理论Π定理,以尺度因子R(t)为物理量统一度量基准,发现了引力作用下理想气体宇宙模型的自相似性和一系列R(t)的解析解.基于R(t),可建立对应的、具有非欧氏几何特性的均匀膨胀时空坐标系S(t,ξ,θ,φ),并获得一个密度ρ为常数、速度u为零、压强p不为零的理想气体宇宙解.在这个解的形式中,光子红移量z所表现的是光子传播距离r,当红移量z较小时两者成正比(即哈勃定律).由均匀膨胀坐标系还可推导出Robertson-Walker度规(k= 关键词： 宇宙 自相似 哈勃定律     

诱导引力理论中宇宙场的三次量子化

诱导引力与爱因斯坦引力难以用目前的实验来区分.在研究诱导引力的宇宙量子场论时,通过对宇宙场的三次量子化,发现在希格斯场的真空期待值附近,即使无任何其它物质场存在,宇宙也可以从“无”(nothing)通过量子隧道过程而创生,其创生宇宙遵从Planck分布.但这种从无到有的宇宙创生过程是无法从真空经典爱因斯坦引力理论中得到的. 关键词：     

诱导引力理论中的Baby宇宙

本文讨论诱导引力理论中Baby宇宙的量子效应.我们证明了在诱导引力理论中Baby-Parent宇宙相互作用是非定域的,并论证了在低能极限下诱导的宇宙学常数为零.这一论证并不依赖于诱导势的细节.     

熵力:对引力的新阐释

人人都感受到引力的存在,但要阐明引力究竟是什么却非易事.虽然引力已被牛顿和爱因斯坦先后发现的定律成功地描述,但我们仍不清楚宇宙的基本性质是如何结合起来产生所观察到的现象的.现在,荷兰阿姆斯丹大学的理论物理学家弗林     

从罗伯森到今天的宇宙学

爱因斯坦创立了引力的现代理论——广义相对论.这一理论将引力和宇宙学都几何化了.爱因斯坦本人曾设想过一种空间封闭的定态宇宙.弗里德曼发现(或猜想)了一种爱因斯坦场方程的非定态解.哈勃发现了遥远星系的红移,从而证实了宇宙膨胀演化的观念. 罗伯森采取了一条在逻辑上和数学上都严格的途径.在假定宇宙是严格均匀和各向同性的情况下,他找出了所有可能的“宇宙学”.他的结果和弗里德曼的猜测一致但更为可信. 罗伯森继后还探讨了这个解的所有观测性质:如天体的红移、角大小、亮度等与光从发射到接收所经历的时间的关系. 1965年发现了宇宙微…     

超弦与M理论

 1.弦与相互作用统一理论20世纪物理学的两个最伟大成就是量子论与相对论。量子场论描述微观世界的基本粒子及其相互作用。广义相对论作为引力理论描述像星体、星系、黑洞及宇宙一类大尺度、巨质量体系。理解一般物理系统要么利用量子场论,要么求助于广义相对论,不会交叉动用这两个不同的理论体系。但是的确存在一些极端物理情景既涉及巨质量(需要广义相对论)又牵连极小距离尺度(需要量子场论),这类体系的正确理解必须建立在一个广义相对论与量子场论相互协调的框架内,换句话说就是需要量子引力理论。     

科学家们在星系团的尺度上证实了红移效应

 检验引力现象很简单：通过二楼的窗子走出去(禁止付诸实践),看看会发生什么！但是要想检验爱因斯坦的引力理论--广义相对论,难度就要大得多。该理论的内容是：一个物体的引力会使其周围的空间和时间扭曲。尽管研究人员在太阳系的尺度上证明了广义相对论,但是在整个宇宙的尺度上验证该理论是更具挑战性的。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的拉德克·沃杰塔克(Radek Wojtak)带领一组研究人员着手检验广义相对论的一个经典预测：光在逃离引力场的时候会损失能量,引力场越强,光损失的能量就越多。结果,从一个星系团中心散发出来的光子应该比星系团边缘的光子损失的能量更多,因为星系团中心区的引力最强。星系团是包含了成千上万个星系的大型天体系统。因此在波长上,来自星系团中心的光比来自边缘的光更长,移向光谱的红端。这个效应被称为引力红移现象。
沃杰塔克及同事知道,测量单个星系内的引力红移会很困难,因为星系内引力红移效应非常小,而且需要将这种红移效应跟个体星系的轨道速度以及宇宙膨胀造成的红移效应分离开来。研究人员从斯隆数字巡天计划中搜集了8000 个星系团的数据,他们通过平均这些数据处理了这个问题。“这样做是希望通过研究星系团中星系之间的红移分布特点来发现引力红移效应,而不是分别查看各个星系的红移效应,”沃杰塔克解释说。
果然,研究人员发现正像广义相对论预测的那样,星系团中的光发生了红移,而且与到星系团中心的距离成比例。“我们可以测量出星系之间红移效应的微小差别,可以看得出来自星系团中心区星系的光不得不爬出那里的引力场,而来自边缘星系中的光可以较为轻松地散发出来,”沃杰塔克说。2011 年9 月28 日,这些发现发布在《自然》(Nature)杂志在线版上。
除了证实广义相对论之外,这些研究结果也有力地说明了拉姆达冷暗物质宇宙模型。这个已经流行于世的宇宙学模型表明宇宙的大部分是由不可见物质构成的,这种物质与构成恒星和行星的普通物质不发生相互作用。这项检验结果也支持暗能量的存在,暗能量是似乎正在使宇宙膨胀的一种神秘力量。     

"引力"七问

1 引力是什么 牛顿在17世纪就认识到宇宙中任何地方的一切物体的引力作用方式是相同的,且两物体间的吸引力与它们的质量的乘积成比例,与它们距离的平方成反比,即著名的"引力的平方反比律."爱因斯坦在20世纪初发表的广义相对论是研究物质在空间和时间中如何进行引力相互作用的理论,它将平方反比律解释成时空因物质和能量的存在而发生畸变的结果,并把牛顿理论包含在内.     

字宙观察中Lyman—a圆形斑的偏振晕圈

2000年,在一项“年轻宇宙的星系辨认”的巡天计划中,天文学家发现了两个巨大的正在发光的气体云团．两者从地球上看过去就像是两片圆形斑（blob）,它们所处的时代是：宇宙的年龄仅仅25亿岁左右,那时大部分恒星已经形成．圆形斑的范围非常之大,发光气体云的尺度要比其包围的星系尺度大100倍．     

2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性

相传约137亿年前我们的宇宙起源于“盘古开天地式的大爆炸”，能量密度和温度均超高无比，却绝无什么特殊的“爆炸”中心，在足够大的尺度上均匀且各向同性，一直持续膨胀至今．刚开始的时候，随着宇宙温度的迅速降低，若干基本粒子物质相继浮现，宇宙早期的核合成过程制备形成了宇宙时空中第一代恒星形成之前的大致原初元素丰度分布．宇宙“大爆炸”发端时空中的能量场应当有量子涨落；耦合演化到后来呈现的物质场中，这些微弱而此起彼伏的涨落逐渐被引力在各种不同层次上放大，从而最终形成宇宙时空中不同尺度的物质结构系统（包括超星系团、星系团、星系、球状星团、恒星、行星等）．伴随着宇宙膨胀，有一个温度不断下降的热电磁辐射场被“捂”在物质场中；大约在389000年以后，这个热电磁辐射场基本不再与物质相互耦合作用，但它依然带有早期物质场中各处涨落的信息烙印．基于Einstein创立发展的广义相对论（1915年），Einstein（1917年）、Friedmann（1922年）、Lemaitre（1927年）、de Sitter（1932年）开辟了近代理论宇宙学的先河．Hubble（1929年）公布了遥远的星系退行速度正比于它们到我们的距离的划时代观测事实．基于宇宙元素丰度和核合成物理，Gamow，Alpher和Herman于1940—1950年大胆设想了宇宙“大爆炸”的物理框架图像．Penzias和Wilson（1964年）在贝尔试验室从事微波天线研究时意外地发现了2．7K宇宙微波背景辐射．经过多年的精心设计和准备，Mather和Smoot（1989—1994年）领导的“宇宙背景探索器”（COBE）空间试验精确地测量宇宙微波背景辐射的黑体谱和微弱的各向异性涨落；他们俩因此荣获2006年度的物理诺贝尔奖．90年来，科学家们众说纷纭，唇枪舌战，搜索证据，编造理论．随着地面、高空和空间综合试验及理论研究的持续迅速发展，精确宇宙学的时代已经到来．     

黑洞及其视界附近的物理规律

 人类对黑洞的认识过程在1796年,法国天文学家拉普拉斯在他的著作《宇宙体系论》中就预言:如果它引力足够强,光速也不足以成为逃逸速度的话,我们可能会看不见它。宇宙中最大的天体可能是完全看不见的,这种观点是建立在牛顿引力理论基础上的,当时没有任何办法能够验证他的想法。直到100年后,爱因斯坦发表了广义相对论,它在基本概念上与牛顿引力理论完全不同。在广义相对论中,空间和时间构成了一个四维时空,时空的几何性质与物质,通过爱因斯坦引力方程联系起来,物质是引力的源,也决定了时空的弯曲。广义相对论发表后不久,德国天文学家史瓦西立即对球对称的情况求出了爱因斯坦引力方程的解。     

时间标度与甚早期宇宙疑难问题

注意到绝对时间和绝对温标分别是在牛顿第二定律和卡诺定理引理成立的前提下所确立的时标和温标,则引力理论方程与大统一理论的动力学方程,比如关于电磁学的麦克斯韦方程组,可能实际上也规定了两个不同的时标.大统一理论时标和引力时标之间在宇宙演化历史不同时期的差异也许能为最近的一些宇宙学观测提供合理的解释.文章将表明,如果两者之间存在合适的差异,则视界问题可以得到自然的解决而暗能量概念的引入也变得没有必要.考察距离观察者不同远近的双星体系中由引力行为决定的转动周期和由大统一理论决定的某个衰变动力学过程特征时间,比如来自X射线双星体系的X射线辐射,比照两者在宇宙不同历史时期的差异,或能为我们的猜想提供观测证据.     

诱导引力中的虫洞解

诱导引力与爱因斯坦引力难以用目前的实验来区分。本文在研究诱导引力的量子宇宙学时,发现在希格斯场φ的真空期待值附近,即使无任何其它物质场存在,也存在一个虫洞解,而这种解是无法从真空经典爱因斯坦引力理论中得到的。 关键词：     

大尺度有效引力的E(2)规范理论模型

微波背景辐射的低l极矩的各向异性可能不能用微波背景辐射静止系boost到本动参考系来解释,我们推断boost对称性在宇宙学尺度上缺失,又由于单纯结合广义相对论和物质结构的标准模型不能解释星系以上尺度的引力现象,需要引入暗物质和暗能量.而迄今为止所有寻找暗物质粒子的实验给出的都是否定结果,暗能量的本质更是一个谜.因此,我们假设洛伦兹对称性是从星系以上尺度开始部分破缺,以非常狭义相对论对称群E(2)为例,用E(2)规范理论来构造大尺度有效引力理论,并分析了此规范理论的自洽性.从这些讨论中发现,当物质源即使为普通标量物质时,contortion也一般非零,非零contortion的存在会贡献一个等效能量动量张量的分布,它可能对暗物质效应给出至少部分的贡献.我们从对称性出发修改引力,有别于其他的修改引力理论.     

宇宙的起源

Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｗ ．Ｈａｗｋｉｎｇ是剑桥大学教授、国际著名理论物理学家．他在弯曲时空中的量子力学、量子宇宙学、时空和宇宙的创生等一系列基本问题上作了大量开创性的工作．他在１９８６年曾访问我国．１９８８年３月他在美国加州大学伯克利分校就宇宙起源、小宇宙和黑洞的后裔以及时间的方向等问题作了一系列讲演．在讲演中介绍了当前引力物理和宇宙学研究中的最新进展和有关概念．内容深入浅出．本刊将对这三次讲演陆续报道，以飨读者．     

宇宙常数问题

在共形引力理论中, 宇宙项必为零. 当所有规范对称性自发破缺时, 产生的诱导宇宙常数之和与背景时空的弯曲效应抵消. 当背景时空为Minkowski空间时, 诱导宇宙常数之和为零. 而对称性通过Higgs机制破缺时, 必然伴生背景时空的相变.     

时间究竟是什么

物理学家们对于时间是什么有越来越多的争论,几十年来,他们试图将描述非常小的事物如何行事的量子力学理论与描述空间、时间和物质之间相互作用的广义相对论结合起来形成一个能描述整个宇宙的量子引力理论,加拿大佩里米特学院的理论物理学家斯莫林(L.Smolin)说:由于在广义相对论和量子理论中对于时间有迥异的概念,故如何在量子引力理论中协调时间的概念就成了一大难题.     

打压替代引力

正众所周知,爱因斯坦广义相对论描述万有引力,但一些试图替代相对论的引力理论也声称其合理性。不过,依据中子星并合时发出的引力波和电磁波观测,理论家们最近严格约束了这些替代引力。广义相对论(简称GR)非常成功地描述万有引力,覆盖行星、恒星、黑洞、星系等若干层次。GR预言宇宙的膨胀,但也有个短板:如何解释宇宙的加速膨胀。鉴于所有辐射、可见物质和暗物质等都施加向内"拽"的力,宇宙理应减速     

近距离牛顿反平方定律实验检验进展

为了统一描述自然界的四种基本相互作用,科学家提出了很多理论模型,其中很多理论认为牛顿反平方定律在近距离下会发生偏离,或存在其他的非牛顿引力作用,而理论的正确与否需要高精度的实验检验.国际上很多研究组在不同间距下采用不同的技术对反平方定律进行了高精度的实验检验,本文重点介绍华中科技大学引力中心采用密度调制法分别在亚毫米与微米范围进行的实验研究进展.在亚毫米范围采用精密扭秤技术,在对牛顿引力进行双补偿、抑制电磁干扰后,结合零实验与非零实验结果,在作用程为70—300μm区间对Yukawa形式的破缺给出国际上精度最高的限制.在微米范围采用悬臂梁作为弱力传感器,通过测量金球和密度调制吸引质量间水平力的变化来检验非牛顿引力是否存在,实验结果不需进行Casimir力和静电力背景扣除,是此间距下不依赖于Casimir力和静电力理论计算模型的两个结果之一.     

今日国外物理(七)

1 美学者认为广义相对论存在缺陷据《中国科学报》报载,美国康奈尔大学斯图尔特·夏比罗教授,用一台超级计算机模拟宇宙中一次巨大引力坍缩.从引力方面来看模拟结果,一团巨大的粒子云的形状象个足球——自行坍缩,消失点附近的区域将凝聚成有无限密度和引力的区域.但根据爱因斯坦的广义相对论原理,是不可能产生这些区域.夏比罗认为,这一模拟结果可能暴露爱因斯坦关于空间、时间、物质和万有引力理论的某一方面的缺陷.