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。     

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     

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”。     

暗能量研究进展

1998年,美国两个超新星观测团队发现,今天的宇宙是在加速膨胀的,而推动宇宙加速膨胀的是一种不为当时人们所知的物质组分——暗能量。暗能量的存在是近年来粒子宇宙学研究领域最重要的发现之一,并为随后一系列的天文观测实验所支持。暗能量的物理性质已经成为当今宇宙学的一个研究热点,近年来已经取得了巨大的进展。本文将会回顾一下近些年来国内外在暗能量研究方面,特别是在利用天文观测数据限制暗能量性质方面所取得的进展,并展望未来的天文观测实验研究暗能量性质的可行性。     

暗能量研究进展

1998年,美国两个超新星观测团队发现,今天的宇宙是在加速膨胀的,而推动宇宙加速膨胀的是一种不为当时人们所知的物质组分——暗能量。暗能量的存在是近年来粒子宇宙学研究领域最重要的发现之一,并为随后一系列的天文观测实验所支持。暗能量的物理性质已经成为当今宇宙学的一个研究热点,近年来已经取得了巨大的进展。本文将会回顾一下近些年来国内外在暗能量研究方面,特别是在利用天文观测数据限制暗能量性质方面所取得的进展,并展望未来的天文观测实验研究暗能量性质的可行性。     

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。     

暗物质研究新进展

 “暗物质”在现代天文学中指的是占有宇宙中绝大部分质量的、却不以我们可测的形式发光的物质形态。研究暗物质是现代宇宙学一个重要课题,暗物质的存在可以解释星系的一些反常动力学特征,及引力透镜等许多现象;暗物质的数量多少可以决定宇宙的膨胀可否一直进行下去,还可以从临界密度的角度检验暴胀宇宙论;而对暗物质的具体物质形态进行研究,则更是一个涉及多个学科领域的很有,吸引力的研究领域。     

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…     

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.     

精确宇宙学时代的暗物质问题

所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇的事物,这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的……假如一个年轻人,他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话,他应该去学习天文物理学。———杨振宁处于变革之中的宇宙学当今的宇宙学正处于一场重大变革的前夜。回顾不到10年前的情形,并与今天宇宙学的现状作一比较,就会清楚而深刻地感受到,在这短短的不到10年的时间里,宇宙学经历了多么大的变化。我们大家正有幸见证这场深刻的变革。例如,过去多少年人们一直都在谈论宇宙膨胀的减速并引入宇宙学基本参量q0(减速参量)来描述这种减速。在我…     

利用哈勃参数直接诊断标准暗能量模型

正宇宙加速膨胀的发现使得现代宇宙学和理论物理的研究面临一个重大的挑战。包括Ia型超新星、宇宙微波背景辐射(CMB)、重子声波振荡(BAO)等不同的观测方法,都证实了宇宙加速膨胀这一个现象,且探测的结果都和宇宙学常数项Λ不随时间演化的基本假设保持一致。尽管观测结果倾向于此,Λ不随时间演化这一个简单的假设却存在着争议。包括巧合性问题,精细调节问题还是没有得到很好的解决。实际上,很多暗能     

普朗克卫星:揭开宇宙深层次的秘密

文章对宇宙微波背景辐射这一学科做了简单的介绍,并根据普朗克卫星2015年的主要宇宙学结果,重点阐述了测定宇宙学参数、测量引力透镜、测量B-模式极化及其与南极BICEP实验的关系、检验宇宙暴胀模型、检测暗能量模型,以及寻找"丢失的重子物质"等问题,并对观测宇宙学未来的发展进行了展望。     

为什么宇宙学常数如此之小

1916年,爱因斯坦给出广义相对论场方程 其中R,g和丁分别是曲率、度规和能量-动量 张量,G是牛顿引力常数.然而,此方程不存在 静态宇宙解.在当时,宇宙的哈勃膨胀尚未被 观测到,爱因斯坦更倾向宇宙的静态模型.因 此,他在场方程左边又加上一项gμνλ,并把新引 入的未定参数L称为宇宙学常数.若λ为正,相 当于引入一等效于排斥力的项,它和引力的吸 引相抵消,使得有可能存在静态宇学解.当 星系红移测量表明宇宙并非静态之后,爱因斯 坦曾给韦尔写信说,如果字宙并非静态就去掉 宇宙学项. 可是,从现代量子场论看来,宇宙项很难去 掉.实际上,在场方程…     

“暗宇宙”之谜

 夜幕降临,星光灿烂,银河、星斗与皎洁的月光交辉相映,编织出美丽的夜空,这就是我们从小获得的知识:恒星、星云、星系……构成的浩瀚宇宙。然而,这只是个错觉,我们的宇宙实际上是“暗无天日”的,这就是2003年过去一年最新的科学成就:宇宙是黑暗的,或者说是个“暗宇宙”(请参阅封二精美彩图)。什么是暗宇宙?那是指组成宇宙的绝大多数物质和能量是不可见的,发光的物质和辐射只占宇宙物质的极小部分,这种不可见的物质和能量称为暗物质和暗能量。根据最新的测量,暗能量和暗物质合计占宇宙质量密度的96%,而我们熟知的恒星、星系等发光物质或重子物质仅仅只占4%。     

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     

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。     

第五讲暗能量和德西特时空

最近的天文观测表明，宇宙是在加速膨胀，而不是原来认为的减速膨胀．为解释加速膨胀，必须在宇宙的物质能量中引入暗能量这一成分，文章讨论了暗能量的可能侯选者，特别强调了宇宙常数问题、德西特时空问题以及和德西特时空相关的一些基本问题．     

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。     

高能核物理前沿：探寻夸克-胶子等离子体

 对于我们身处的物质世界,现代物理学认为它是起源于约150 亿至200 亿年前的一次宇宙大爆炸。在宇宙的早期,物质的温度和密度都相当大,整个宇宙体系达到平衡。初始的宇宙间只有正反夸克、轻子、胶子等一些基本粒子形态的物质。