宇宙是无限和有限的统一

本文通过人类对宇宙认识的发展,阐明:1)宇宙在空间上是无限的,但无限不能脱离有限孤立存在。无限和有限是对立的统一,有限转化为无限,无限转化为有限。历史上形形色色的宇宙无限论和有限论,从牛顿的经典宇宙模型到现代宇宙学,都不能正确认识有限和无限的辩证法,结果都走上了形而上学和唯心论。2)宇宙在时间上也是无限的。宇宙万物不断发展,宇宙总体无始无终,宇宙不动论是错误的,人类对宇宙的认识发展深刻阐明:宇宙是绝对无限和相对有限的对立统一。     

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。     

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     

空间间接探测暗物质粒子

正在过去的几十年间,人类对于整个宇宙的认识有了飞跃式的发展,取得了辉煌的成就。基于近年天文观测的结果,一个暗物质暗能量暴涨的宇宙学标准模型被建立起来。我们的宇宙组成,如图1所示:已知的基本粒子只占整个宇宙的5%左右,而27%左右是不发光的暗物质,68%左右是类似真空能的暗能量。寻找暗物质粒子,研究暗能量的本质等,结合微观世界和宇观世界,结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪物理学和天文学的一     

利用中性氢21厘米吸收线系统直接测量宇宙膨胀加速度

 物理测量在方法和精度上的进步使得我们对物质世界和宇宙的本质有了越来越深刻的认识,特别是对宇宙学参数的精确测量把我们带进了精确宇宙学时代。     

决定宇宙演化前景的判据

 1998年6月3日,从清晨5时起,中央电视台连续3小时直播美国发现号航天飞机运载α磁谱仪升空实况的同时,还向大家介绍了许多宇宙学的知识。宇宙学的发展大大深化了人类对宇宙起源和演化的认识,为了解物质结构和相互作用提供了新的统一图景。     

从流浪地球到宇宙迷航——2019年诺贝尔物理学奖解读

2019年诺贝尔物理学奖同时授予了系外行星和宇宙学领域,诺奖委员会给出的理由是"为我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出的贡献"。这两个领域在近二三十年内展现出了蓬勃的生机,系外行星和外星生命的研究到了本世纪伴随先进技术的发展有了爆发式的发现;进入新世纪后,宇宙学领域已经获得4次诺贝尔奖,分别是宇宙背景探测者卫星、宇宙加速膨胀的发现、引力波的探测,以及此次诺贝尔物理学奖,它们使当代宇宙学获得了广阔的发展前景。文章就本次诺奖热点话题展开,对系外行星和宇宙学两大领域做概括性的科普解读。具体介绍马约尔和奎洛兹在系外行星领域的发现,系外行星的探测手段和发展前景,以及宇宙学领域的发展简史,皮布尔斯在该领域的贡献,和目前宇宙学领域的一大研究热潮,即原初引力波的探测。作者借此文抛砖引玉,期待更多年轻学者能加入到天文学和宇宙学的研究中,在新时代的浪潮下推动该领域获得更重大的突破。     

在近代物理学“基础课”中介绍宇宙学概念

目前的近代物理学基础课程包括了狭义相对论、原子物理和量子力学初步,是力学、热学、电磁学和光学的后继课程,应属于普通物理范围。宇宙学则是现代物理的前沿学科,它的基本概念和发展正日益引起人们的关注。我们认为,在近代物理基础课程中向学生介绍宇宙学的一些基本概念是很有必要的、也是可行的。 在讲授狭义相对论时,不少学生很容易把物体的速度不能超过光速推广到整个宇宙。这时我们向学生介绍宇宙学中的哈勃定律,即星系远离地球而去的速度与星系离地球的距离成正比关系:v=H_0d(其中哈勃常数H_0=150公里/秒·千万光年,d是星系离地球的距离,v是星系退行速度)。如果d≥v/H_0(c:光速)则该星系的退行速度将超过光速,它所发出的光于将不能到达我们地球。并向学生简单介绍大爆炸宇宙模型和膨胀宇宙的概念,解释夜为什么是黑的。这时,学生很容易理解夜黑是宇宙膨胀的结果。 讲授完普朗克黑体辐射后,可进一步介绍宇宙学中微波背景辐射概念。指出宇宙背景辐射谱相当于约     

《相对论、宇宙与时空》连载——人类早期对宇宙的认识

今年是天文望远镜发明400周年．望远镜的发明彻底改变了人类仅凭肉眼观察天象的历史，使人类的视线得以深入宇宙的深处和遥远的过去．由于光信号的传播需要时间，我们看到的天体都是它们过去的样子，越远的天体图像越古老，因此望远镜不仅在看远方，而且在看历史．天文望远镜的出现，极大地加深了人类对宇宙和时空的认识，也极大地促进了天文学和物理学的发展．相对论和现代化时空理论、现代宇宙学的创立和发展，都离不开望远镜的贡献．本刊特以《相对论、宇宙与时空》为题，发表连载文章，以纪念发明天文望远镜这一科学史上的重大历史事件．更多的内容请参见本文作者的专著《物理学与人类文明十六讲》（高等教育出版社，2008年9月出版）．     

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…     

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。     

利用强引力透镜检验宇宙距离对偶关系

正宇宙学近年来发展迅速,人们对宇宙的物质组份、宇宙的形成与演化等都有了更加精准而深刻的认识。这些很大程度上都得益于对宇宙学距离的测量。不同于日常生活中测量距离的直观性,在宇宙大尺度上考虑到时空效应,距离的概念变得不同,具体地,要想测量宇宙学距离必须给定一个方案,这就好比日常生活上要想测量距离就需要得到尺子两段的刻度差。宇宙学上通常有两种测量距离的方案:光度距离和角直径距离。     

给宇宙做仿真

<正>强大的计算机让宇宙学家首次在宇宙背景里求解爱因斯坦那复杂得可怕的广义相对论方程。Tom Giblin,James Mertens和Glenn Starkman描述了这个仿真新时代如何改变我们对宇宙的理解。在希腊神话里,盖亚(地球母亲)从混乱中诞生,孕育了乌拉诺斯(天空之神)。从《旧约》的     

中微子宇宙学

 中微子在许多方面影响了宇宙的演化,是宇宙学研究中不可忽视的一种重要粒子。另一方面,宇宙学观测也为测定中微子的种类、质量和性质提供了强有力的工具。本文略述宇宙背景中微子的产生、对原初核合成的作用、中微子在宇宙结构形成中的影响,进而说明根据这些作用,可以利用现代宇宙学观测数据对中微子给出的测量和限制结果。     

宇宙探索纵横谈

无论是在中国还是在外国,人类的好奇心是探索大自然的一种永恒的动力。从宇宙学的角度来看,人类正确认识宇宙及地球在宇宙中的地位经历了漫长的过程。天文学是从仰望星空开始的,自有文字记载以来,人类对天象的观察至少已有五千年以上的历史。天文学是一门既古老又年轻的科学,也是一门最有活力的科学,其发展对于历代哲学和科学技术的进步不断提出挑战,亦曾对人类社会的进步产生过巨大影响。     

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。     

从静止宇宙向膨胀宇宙的发展

 当夜幕降临的时候,漫天灿烂的星斗,浩瀚无际的天空,为人们提供了巨大的想象空间(图1).可这巨大的空间是无限的还是有限的呢？宇宙是一直在演化着的,还是总是保持这个样子呢？关于这些问题,从古至今的人们一直就在研究着、争论着,构成了一部不断发展着的天文学和宇宙学的发展史.     

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？     

现代宇宙学概述

 现代宇宙学是天文学和物理学的分支学科, 它从整体角度研究宇宙的结构、运动和演化.事实上,自古以来人类对于宇宙的认识一方面依赖于观测和经验,另一方面依赖于思维和演绎推理.宇宙,按其原来的字义就是空间和时间的意思.中国古代先哲提出“四方上下曰宇,经古来今曰宙”、“天圆如张盖、地方如棋局”以及“浑天如鸡子,地如鸡中黄”等概念,古代所讨论的宇宙,不外乎大地及其周围的天空.哥白尼冲破了宗教神学的阻挠,纠正了托勒密地心说的错误,建立了日心说,引起了天文学的巨大革命.但是,哥白尼时代所指的宇宙实质上是太阳系.     

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…