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”。     

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.     

宇宙学常数疑难

当代天文学的一系列观测事实都支持应该存在一个非零的正的宇宙学常数，但是，人们发现当前宇宙学常数值太小，而且宇宙学常数即真空能量密度与现在的物质密度巧合地具有相同的量级，然而现有物理学理论还无法给出合理的解释，因此宇宙学常数问题成为物理学和天文学上最重大的疑难之一。文章综述了近年来宇宙在加速膨胀这一重大的天文发现和宇宙学常数的观测结果以及当前理论物理学在宇宙学常数问题上的一些尝试。     

爱因斯坦的等效原理和广义相对性原理——问题实质和出路

精确宇宙学的观测表明,物理学必须面对以宇宙常数为特征的宇宙尺度。 有关宇宙观测的数据分析,是以广义相对论和宇宙学原理为基础的。然而,分析的结果却向爱因斯坦相对论体系和量子理论,以及以之为基础的现代物理学提出重大疑难。这是对物理学前所未有的、更为严重的全面挑战。     

惯性原理及其宇宙起源(下)

 四、常曲率空时惯性原理及其宇宙学意义常曲率空时相对性原理和德西特不变的相对论如何面对暗宇宙的尖锐挑战?为什么我们的宇宙在加速膨胀,一定不渐近平坦,而很可能具有一个正的极小宇宙常数,渐近于德西特空时?而按照通常的处理,德西特空时却带来一系列疑难;极小而又为正的宇宙常数也带来极大困惑。通行的看法是把宇宙常数等同于量子理论中“真空”的能量。可是,这样得到的宇宙常数值比观测值大了一百二十几个量级;考虑种种可能修正、包括超对称等等,也还要大几十个量级。理论与观测之间如此大的差别,前所未有。根本问题出在哪里?通常的作法是考虑种种动力学模型、修改引力场方程,甚至借助量子引力等等。     

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…     

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。     

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     

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     

不同密度物质分布对暴涨宇宙演化影响的研究

获得了相关于宇宙暴涨的具有一般形式的物质密度ρ的表达式,解出了表征宇宙标度因子演化的一般解,得到当宇宙学常数对物质密度的贡献大于零时有指数复合函数形式的一般暴涨,当宇宙学常数对密度的贡献小于零时宇宙有余弦复合函数形式的演化.当一般密度函数的参数取特殊值时,回到通常人们得到的解,而且找出了影响宇宙暴涨的一个新的动力学参数C.     

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.     

源自弦景观的有效Quintessence

最近V_(afa)等人提出了两个弦沼泽地的判据,并且在研究宇宙学中两个弦沼泽地判据所施加的约束条件时,发现暴胀模型通常与这两个判据很难相容.将这两个判据应用于当前时期宇宙的加速膨胀时,发现特定的quintessence模型可以满足这些限制,同时满足根据当前观测所施加的约束.基于大尺度洛伦兹破缺的宇宙学模型,我们得到了修正的Friedmann方程,在计算的过程中给出了三种可行的近似,并定义了一个有效的真空能量密度Λ_(eff),其行为对于弦景观表现为单调下降的类quintessence势能,对于大部分具有裸的正真空能量密度的沼泽地,有效宇宙学常数随时间的演化会出现局域极小.将光度距离的计算结果与天文观测值做对比,我们得到负宇宙学常数也可以使宇宙产生加速膨胀,因而用亚稳的de Sitter真空来解释宇宙后期的加速膨胀是不必要的,沼泽地猜想所导致的沼泽地模型与后期宇宙加速膨胀不相容性的困难也就不存在了.     

暴涨——宇宙年少时

热大爆炸宇宙学的成功：宇宙学的标准模型 工业上一种产品的成功,莫过于成为业界的标准。同样地,科学中一个理论的成功,莫过于被誉为标准模型。热大爆炸宇宙学,正是这样一个标准模型。在介绍今天故事的重点——暴涨之前,让我们回顾一下,作为现代宇宙学的标准模型,热大爆炸宇宙学,如何描述宇宙的现状、过去和未来。我们的宇宙,从诞生至今,已经有137亿岁了。这相当于人类几千年文明史的几百万倍。宇宙浩瀚无垠,当今科学尚不能确定整个宇宙空间的大小,是有限还是无限。然而,我们能观测到的宇宙总是有限的。     

探索加速膨胀的宇宙

<正>暗能量巡天项目对近2亿星系的观测将帮助我们确定宇宙的加速膨胀是否起源于宇宙学常数的驱动,还是起源于一种新的具有动力学性质的能量的驱动,又或是由超出广义相对论之外的物理所造成。1998年,两个研究遥远超新星的研究组分别宣布了宇宙膨胀在加快的观测证据,这震惊了物理学界。这一非凡的发现随后得到了其他观测的确认,因此在2011年被授予诺贝尔物理学奖。在这一发现后的15年间,天文学家已经采用不同的方法更加准确地测量了今天称为标准协和宇宙学模型中的与宇宙加速度相关的参数及其他的参数。     

爱因斯坦宇宙常数和宇宙中暗能量

综述了宇宙在加速膨胀的观察证据,从爱因斯坦场方程和动力学方程出发详细分析爱因斯坦引入宇宙常数在宇宙加速膨胀中的作用,探讨宇宙常数和宇宙中暗能量的关系．     

宇宙常数的Bulk流形的起源

关于宇宙常数问题是个至今没有解决的问题, 它的来源至今还没有一个共识. 从额外维的流形出发, 给出了宇宙常数的,bulk,流形起源的理论, 得到了不同情况下宇宙常数的取值和宇宙常数随时间演化的函数, 并且得到了可拟合现代天文观测的宇宙常数.     

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     

GW170817与标准汽笛宇宙学

GW170817实现了基于"标准汽笛"的首次哈勃常数H_0测量,开启了标准汽笛宇宙学的序幕。正在进行的双中子星并合引力波观测,有望在5年内测量H_0到约2%精度,提供解决H_0危机的独立而珍贵的数据。下一代的引力波实验,则将通过标准汽笛方法,精确测量宇宙膨胀速度和宇宙大尺度结构,限制暗能量状态方程,在宇宙学尺度上检验广义相对论。     

[306-730⑨]斥力在宇宙学中的应用

 自从爱因斯坦提出宇宙斥力之后,在宇宙学中开辟了对斥力的研究。本书给出斥力的计算公式和斥力常数的数值。应用斥力建立起后星系宇宙模型,从而解释了类星体的高红移;计算出类星体哈勃图中的拟合曲线,并且预言类星体的红移值不大于8。