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。     

黑洞

 自从宇宙原初火球发生大爆作以来,两百亿年过去了,宇宙间的万事万物,都在不停地发生着变化.而唯一不变的,就是时空的拓扑结构.在我们的时空拓扑的框架之内,大质量星体演化的最终产物之一,就是黑洞的形成.现代广义相对论理论预言,黑洞将大量地存在于我们的宇宙之中.所以,我们说黑洞不仅是天体物理学家的研究对象,而且是一些科幻小说家的热门话题.     

幻能与宇宙末日

大破裂(big rip)——一种新的宇宙末日图景使当今的宇宙加速膨胀的理论发展到一个新的极端，Dartmouth学院的物理学家Robert Caldwell和他在Caltech的同事Marc Kamionkowski及Nevin Weinberg提出：如果假设中的使宇宙加速膨胀的暗能足够大，它将克服把物体束缚在一起的万有引力、电磁力与强力,不仅星系问的空间继续增加，星系本身也     

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。     

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。     

宇宙起源梗概

2007年5月14日《长江日报》报道,宇宙的年龄约为137亿岁。赵峥的《黑洞与弯曲的时空》第127页中不加推导地说宇宙是从极小尺度10^-35m和极高温度10^32K大爆炸形成的,……。这是怎么回事？这些都涉及“宇宙起源”问题。“宇宙起源”既是一个古老的问题,也是当今自然科学的前沿之一,更是一个复杂深奥的理论问题。盛传20世纪20年代,只有两人能理解广义相对论,而今百万人能理解其梗概（参考霍金：《时间简史》p167）。     

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…     

普朗克卫星与宇宙微波背景辐射

 目前对于宇宙起源的认识主要来自于热大爆炸宇宙理论。根据这一理论,在宇宙的极早期,物质以高温高密的等离子体形式存在,并且处于热平衡状态。由于大量自由电子会与光子频繁发生散射,使得光子的平均自由程很短,宇宙处于不透明的状态。     

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．     

勒梅特（Lemaitre，Abbe Georges Edouard 1894-1966）比利时天文学家（Astronomer，Belgium）

比利时天文学家勒梅特（他又是一位天主教神职人员），1927年独立地求出爱因斯坦方程的弗里德曼（前苏联数学家，曾提出引力场方程的各向同性通解，称弗里德曼宇宙模型）解。他的文章发表在一家不知名的比利时杂志上，他设想，宇宙早期处于极端稠密的状态，现在宇宙中的全部物质集中在一个大约只有太阳30倍大的球里，他把这个球称为“原初原子”，像一个巨大的原子核，宇宙起源于这个“原初原子”的爆炸。他的学说比较粗糙，是后来的大爆炸宇宙学说的先河。     

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。     

宇宙演化与热寂说

在已成熟的宇宙演化理论的基础上,文章作者重新讨论了Clausius提出的热寂问题.宇宙演化指其组分和宏观面貌的变化.主要是微观结团和宏观结团.从物理原理上讲,这些结团过程是力学的,而不是热力学的.力学过程一定程度上破坏了原有的热平衡,热力学则倾向于恢复热平衡.所有已知的物理规律,包括热力学在内,都在宇宙演化中起着它应起的作用.作为后果,宇宙的熵在演化中一直是增加的.克劳修斯把热力学第二定律用于宇宙是正确的.可是他认为宇宙的熵会极大化并不正确.这是因为在演化过程中会出现组分粒子的退耦.     

一个八维Kaluza-Klein宇宙模型

本文讨论了一个八维Kaluza-Klein宇宙模型.它不仅自洽地包含Georgi三族SU(11)大统一模型,而且得到了与观测宇宙一致的物理解.在这一模型中,通常四维的宇宙标度因子记作R₃而额外维度的宇宙标度因子记作R₄,它们的物理性质可分成四个阶段来描述.第一阶段,R₃和R₄都在膨胀;第二阶段,R₃是一个inflation解而R₄是个常数;第三阶段,R₄开始坍缩到它的极小值,而R₃继续单调地增加;第四阶段,R₄稳定在Kaluza-Klein半径R_KK而R₃通常的FRW方式膨胀,这时四维的宇宙常数为零.     

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。     

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：     

宇宙极早期的剧涨

 在为数众多的宇宙演化理论中,目前为大多数科学家所接受的就是热宇宙标准模型,即我们通常所说的大爆炸学说.大爆炸学说是建立在爱因斯坦的广义相对论和近代物理理论基础上的,它得到了与观察事实相符合的一系列结论,譬如:它可解释目前的宇宙处在膨胀之中和宇宙中氦的丰度等,并预言了宇宙中存在3K微波背景辐射(已于1965年由彭齐斯和威尔逊证实,他们俩为此荣获了1978年度的诺贝尔物理学奖金).但是,就像通常刚建立的物理理论一样,随着研究的进一步深入,科学家们发现了它的几个致命缺陷,这些缺陷可归纳为以下几点:一、视界问题.这是在解释可观察宇宙的大尺度均匀性时所遇到的问题.在微波背景辐射的研究中已证实宇宙有一个非常重要的特征量--宇宙等效温度,简称宇宙温度.根据微波背景辐射中已测出的辐射能量密度及其频率,再利用普朗克黑体辐射公式,就可知道当今的宇宙温度为2.7K;这说明了宇宙在大尺度范围内是处在热平衡之中的(否则就没有宇宙温度可言).但大爆炸理论诉告我们:在混沌初开时,宇宙是一个灼热的奇点.但随着爆炸过后,需要多长时间才能达到热平衡状态呢?     

九十年代是宇宙学的黄金时代

 暂时我们还只有一些不完备的规律,这些规律制约着宇宙在所有非极端情形下的行为.现在看来这些规律都只是某个有待我们发现的统一理论的一部分.我们正在不断地取得进展,可能到本世纪末我们就能找到这个理论.     

暗能密度测量的新结果

宇宙膨胀的加速是由一种排斥力引起的 .虽然这种所谓的“暗能”被认为占宇宙的 2 / 3左右 ,但是一开始谁也不知道暗能是由什么组成的 .爱因斯坦在 1917年所预言的不随时间变化的“宇宙常数”是对暗能的一种可能的解释 .对暗能还有一些更奇特的解释 ,例如quintessence理论、包括     

试论弗里德曼对演化宇宙学的贡献

从历史角度，依据史实论述了本世纪２０年代初前苏联数学家弗里德曼在爱因斯坦广义相对论的基础上，建立时空为动态的宇宙模型，提出宇宙不稳膨胀的理论，发展并完善了相对论对宇宙的解释，以及对现代演化宇宙学作出的重要贡献。     

中微子质量与宇宙超大尺度结构

由>10²Mpc的宇宙超大尺度结构推知我们的宇宙委可能主要是由热暗物质(中微子)所组成,其质量m_v～10^－1eV(0.16eV).