中微子在其他学科研究中的应用

 目前宇宙学研究认为,中微子生成于137亿年前宇宙诞生后持续扩张、冷却的过程中。理论认为,这些中微子形成了绝对温度为1.9K(-271.2℃)的宇宙背景辐射(有别于另一种宇宙大爆炸理论所预言的"微波背景辐射",其温度为2.7K)。宇宙中其他能量的中微子源于星体活动和超新星爆发的过程。因此,随着宇宙的诞生,便有了中微子的存在。     

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．     

第二讲宇宙微波背景辐射

简单介绍了近年来关于宇宙微波背景辐射在观测上取得的重大进展，以及有关它的解释、理论和意义．宇宙微波背景是我们了解宇宙奥秘的一个至关重要的窗口．在未来几年，它还将扮演更加重要的角色．     

从2006年诺贝尔物理学奖谈起

2006年诺贝尔物理奖表彰马瑟和斯穆特教授,以他们为首的学者利用宇宙背景探索者卫星(COBE)的数据,证实宇宙微波背景辐射的黑体形式,并发现各向异性。这是对精确宇宙学这些重要成果的肯定。诺贝尔奖的网站记载了当天对斯穆特教授的电话采访:“作为这些观测的结果,作为被证实的大爆炸理论,现在很好地被接受了。是这样的吗?”斯穆特教授立即回答:“大爆炸理论是被接受的宇宙论。(我们)绝不能完全证实任何理论,不过,它是被接受的宇宙论。”在肯定大爆炸宇宙论的同时,斯穆特教授强调“绝不能完全证实任何理论”。这无疑是正确的;但也反映了以广…     

测量宇宙的温度

现在已确定宇宙微波背景的均匀性要好于104分之一,这是难于用通常的宇宙学解释的,因为由宇宙相反方面到达我们这里的微波不会有时间从大爆炸开始而达到热平衡。自1965年第一次发现之后,微波背景成为在数十亿年前宇宙处于很混乱时期这样一种宇宙“图景”的依据,因此天文学家对微波背景有极大兴趣.已测出微波背景的等价温度为2. 76 K,除去由于地球运动引起的微小各向异性外,在天空的各部分是相同的.一种称为“爆胀模型”的宇宙学理论是这样解答均匀性问题的,假设与我们今天探测到的微波背景相对应的宇宙部分在一段较早时期内是相互关联的(因…     

宇宙大爆炸中生成的氘气

在宇宙最初几分钟时的元素合成（大爆炸核合成）问题是核天体物理中的重要问题。这一合成过程产生的氘与氢的比值（D／H）是固定的，与我们在今天的宇宙中所看到的一样，大爆炸过程也产生了原初的轻的原子，这些原子又形成星体，根据加州理工学院的研究人员的研究结果，通过测量宇宙微波背景辐射被“宇宙黑暗年代”中存在的中性气体吸收的情况，可以计算出D／H比值。（“宇宙黑暗年代”大约处在大爆炸后十万年到十亿年之间．）氢和氘吸收不同波长的宇宙微波背景光子，这种测量需要观测由空间不同位置上氢与氘气体密度的变化所引起的吸收的微小涨落。例如，宇宙中具有高密度的氢原子区域比低密度区域要吸收更多的宇宙微波背景光子。     

宇宙将永远膨胀下去

 大部分宇宙学家认为,宇宙─-它目前的膨胀速度比以往任何时候都缓慢─-最终或者会逐渐地实际上停顿下来,不再膨胀;或者膨胀停止后会重新开始收缩。现在,两位研究人员表明,根据来自宇宙背景辐射探测卫星（ＣＯＢＥ）测量到的数据,可以判断;宇宙将会无限期地膨胀下去．微波背景辐射存在的踪迹遍及整个宇宙,它被认为是宇宙大爆炸的遗迹．在天空的不同区域,这一辐射的温度有着轻微的差别,其数值为十万分之一左右．人们认为,这种差别为星系的形成──当宇宙处于青的期时──提供了线索．爱因斯坦的广义相对论指出,宇宙会拥有三种可能模型中的一种,每种模型同时也决定了宇宙的命运．     

南极望远镜首次探测到宇宙微波背景辐射中的B-模式光偏振

<正>一个观测团队使用南极望远镜(SPT),已经对宇宙微波背景辐射(CMB)中的B-模式光偏振做出了首次探测(见图1)。在CMB中,这种具有微妙卷曲特性的偏振光组分早已被预言存在。作为宇宙大爆炸模型的关键预言之一,它的被证实将为暴胀理论的最终测试铺平道路。Chuck Bennett是美国马里兰州霍普金斯大学CMB观测站的首席科学     

宇宙的起源与未来——大爆炸宇宙论简介

 大爆炸宇宙论的产生,得益于天文学家们三个主要观测结果。第一个,也是最值得注意的一个观测结果是:1929年,埃德温·哈勃发现,宇宙的主要成分--与我们的银河系相类似的星系,象宇宙弹片一样在巨大爆炸后正彼此逃离开。如果宇宙正在膨胀,一个似乎是不可避免的结论是:它的过去必定是非常小的。这要求必须将某个瞬间作为宇宙诞生的时刻,即膨胀开始之时,哈勃的发现是真正重要的发现,尽管宇宙已非常古老了,但它不会无限早地存在着。可以想象,膨胀倒转回去,象电影倒过来放映一样,天文学家们据此推断,宇宙大约诞生于150亿年前发生的一次大爆炸。第二个观测结果是所谓“宇宙背景辐射”--大爆炸火球冷却以后余辉的存在,它支持了大爆炸理论。令人惊讶的是,在大爆炸事件发生150亿年之后,这种宇宙背景辐射仍充满空间的每个空隙。     

遗迹引力波对宇宙微波背景辐射极化的影响

根据宇宙大爆炸理论的预言,宇宙经历了由暴涨阶段到辐射阶段到物质阶段再到如今的加速膨胀阶段.在辐射阶段所残留的退耦的自由光子便形成了现在人们所观测到的宇宙微波背景辐射.如果没有扰动,微波背景辐射将是各向同性的,但是在宇宙形成的初期存在各种各样的扰动,因此宇宙微波背景辐射呈现各向异性.针对由遗迹引力波对微波背景辐射极化所产生的各向异性的影响,重点讨论电场型极化和磁场型极化. 关键词： 遗迹引力波 微波背景辐射 极化各向异性     

宇宙背景辐射中各向异性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一.测量宇宙背辐射中大尺度的各向异性则是了解字苗整体性质的重要手段。 已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mK的一阶(偶极)各向异性,这是由于我们相对于背景辐射运动的结果.有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mK的四极各向异性[1].四极各向异性可能起源于宇宙的密度涨落,如果这一结果能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现. 美国加州大学及普林斯顿大学的 Lubin和 Fixsen等人近来分别在3mm及1.2cm波段对宇宙背景辐射…     

宇宙背景辐射各向导性测量的新结果

2.7K宇宙背景辐射的发现是现代天文学的重大成就之一。测量宇宙背景辐射中大尺度的各向异性则是了解宇宙整体性质的重要手段。已经观测到宇宙背景辐射幅度为3mk的一阶(偶极)各向异性。也有人在研究宇宙背景辐射更高阶(如四极)的各向异性,并曾报告过幅度为1mk的四极备向异性的结果[1]。如果这种四极各向异性能够得到证实,它将反映宇宙的大尺度结构,它可能起源于宇宙的密度涨落,因而对宇宙学研究来说,会是很有价值的新发现。 近年来,美国加州大学及普林斯顿大学的Lubin及 Fixsen等人分别在3mm及l.Zcm波段对宇宙背景辐射的各向异性进行了高精…     

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。     

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？     

第一讲微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史

文章对微波背景辐射的各向异性、偏振及宇宙电离的历史给出了评述性介绍．从大爆炸理论的预言，到观测的发现，到其各向异性及偏振的探测，微波背景辐射(CMB)向人们揭示了丰富的宇宙学信息．文章在对基本理论作了简单介绍后，着重讲述了最新的CMB的观测结果及其物理意义．特别对微波背景各向异性探测器(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，WMAP)的偏振观测及其对宇宙重新电离的限制给出了较详细的叙述．     

英美提出宇宙形成新理论

 据《科技日报》报道：英国剑桥大学和美国太空望远镜协会的科学家正在研究一种宇宙形成的新理论。这一理论认为,大爆炸发生前,宇宙还曾发生过另外一次大震荡,这意味着可能还有一个看不见的宇宙与现有的宇宙共存。这一称为“Ｍ论”的理论是由美国普林斯顿大学的保尔·斯坦哈特教授提出的,它主要研究宇宙大爆炸发生前的事件和时间。该理论认为,宇宙共有１１维空间,其中６维困绕成微小丝状可忽略不计。大爆炸发生前,宇宙是由两个４维平面构成的,其中一个平面是我们今天的宇宙,另外一个是“隐藏”的宇宙。     

宇宙起源与未来的探索

 宇宙的起源是目前科学界十分关注的问题,存在着多种模式,经过长期争论,大致可归纳为两种理论:一种是大家熟知的“大爆炸”学说;另一种为“稳恒态宇宙学理论”,该理论否认宇宙有起源。     

宇宙背景辐射告诉我们什么

本文讨论宇宙背景辐射的发现和实测研究在热大爆炸宇宙理论的确立中的重要作用．它包括四个要点：一、证实了早期宇宙确曾热至４０００Ｋ以上，二、证实了宇宙物质分布确曾是高度均匀的，三、证实了银河系与其他屎系一样，在宇宙空间有自身的运动，四、证实了早期宇宙中确有结构形成的种子存在。     

国外物理科普杂志精文提要

 COBE卫星就是宇宙背景探险者卫星(Comic Ba-ckground Explorer),它是1989年11月发射的.它取得了靠近银河北极处的9分钟观测数据.这些数据经过拟合,得到的温度是2.735±0.06K,这一结果与准确的黑体辐射谱无异.但最近几年,人们不断报告说,在波长小于1毫米的宇宙微波背景频谱中有大量正超,这一直令宇宙学家们感到困惑不解.今年1月,NASA戈达德空间飞行中心的约翰·马瑟在美国天文学会会议上发表了COBE的第一个频谱结果.     

引力波存在的直接证据被发现

<正>北京时间3月18日凌晨,哈佛大学-史密松天体物理中心的约翰?科瓦克博士向世界宣布,他和他的研究组利用设在南极的BICEP2实验设备,发现了宇宙大爆炸后产生的原初引力波存在的证据。困扰科学家数十年的物理学难题得到破解。这是自然科学的一项重要突破,具有极其深远的意义。BICEP2是"宇宙泛星系偏振背景成像"的英文缩写,它是建在南极冰盖上的一组射电天文望远镜阵列,科学家用它对天空进行扫描,对"宇宙微波背景