宇宙真空量子涨落、宇宙弦及宇宙不均匀性的起源

宇宙中的物质分布是相当不均匀的,有的地方密度高,有的地方密度低,形成各种尺度的成团结构.例如,星系、星系团、超星系团等是高密度区;巨洞则是低密度区.宇宙学中一个待解决的课题,就是说明为什么会有这种非均匀性. 首先,有很强的证据表明,宇宙在早期是相当均匀的,没有今天所观测到的非均匀性.最主要的证据是微波背景辐射的各向同性.观测证明,3K背景辐射的各向异性不超过万分之一,甚至十万分之一.背景辐射是宇宙早期遗留下来的,因此它的高度各向同性标志着宇宙早期物质分布的均匀性.其他的均匀性证据是:二.各种天体中的氦含量相当一致,按重…     

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     

中国科学有发现电荷-宇称-时间反演对称性破缺迹象

 一个由中国科学院高能物理所和中国科学院国家天文台科研人员组成的研究小组,通过一种用宇宙微波背景辐射偏振检验CPT对称性的新方法,取得了重要成果：发现电荷-宇称-时间反演(CPT)对称性破缺迹象。据介绍,现代宇宙学的研究表明,宇宙中存在着一种神秘的暗能量。如果这种暗能量随宇宙的膨胀而演化,并与电磁场有某种相互作用(陈省身·西蒙斯相互作用),就有可能破坏CPT定理成立的条件,这会使光子的偏振方向传播中发生改变。宇宙微波背景辐射光子是我们能看到的来自宇宙最遥远的光子,研究小组设计出了一种用宇宙微波背景辐射偏振检验CPT对称性的新方法,使检测灵敏度大大提高。在用这种方法分析了美国WMAP卫星和Boom     

宇宙红外背景辐射

与本文标题相关的一个话题“宇宙微波背景辐射”，大家已经比较熟悉了。它是大爆炸的余辉，对其各向异性的观察和研究将帮助宇宙学家深入了解大爆炸之后延续38万年的期间内所发生的那些事。我们今天所看到的微波背景辐射图像，其相应的红移z=200。     

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。     

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。     

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…     

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…     

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．     

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.     

从罗伯森到今天的宇宙学

爱因斯坦创立了引力的现代理论——广义相对论.这一理论将引力和宇宙学都几何化了.爱因斯坦本人曾设想过一种空间封闭的定态宇宙.弗里德曼发现(或猜想)了一种爱因斯坦场方程的非定态解.哈勃发现了遥远星系的红移,从而证实了宇宙膨胀演化的观念. 罗伯森采取了一条在逻辑上和数学上都严格的途径.在假定宇宙是严格均匀和各向同性的情况下,他找出了所有可能的“宇宙学”.他的结果和弗里德曼的猜测一致但更为可信. 罗伯森继后还探讨了这个解的所有观测性质:如天体的红移、角大小、亮度等与光从发射到接收所经历的时间的关系. 1965年发现了宇宙微…     

寻找一个自洽的常数

正在宇宙学发展的历程中,最伟大的发现是天文学家哈勃意识到了宇宙在膨胀。这一突破为我们了解宇宙年龄、微波背景辐射和宇宙大爆炸奠定了基础。哈勃是一位拥有天时地利人和机缘的天文学家。1923年,利用美国加州威尔森天文台2.5 m胡克望远镜,他在"旋涡星云"中观测到了造父变星,这类变星具有很好的周期-光度关系,可以用来测量距离。所得距离     

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。     

宇宙学标准模型浅释

一提起宇宙学,大家会觉得很玄,这是因为宇宙学主要是一种考古的学问。人们对于远古时代的一切因其陌生,又没有机会去留神,总不免产生许多悬念和玄机。其实,20世纪50年代初物理学家伽莫夫已经提出了宇宙大爆炸的假设,并预言了会有微波背景辐射的存在。一直到20世纪60年代,彭齐亚斯等人的无意的发现才使宇宙学得到人们的广泛相信和支持,乃至物理学家温伯格写了一本著名的     

2001年物理学成果的回顾(Physics Stories of the Year for2001)

美国物理学会在 2 0 0 1年 12月总结了一年来 (2 0 0 1年 )在物理学各个领域内所得到的新成果 ,现在我们将这些成果列举如下 :在宇宙学方面有 :在宇宙线微波波谱背景上观察到第二和第三峰值 ;在早期宇宙时期探测到“再电离”时代 (ｒｅ -ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎｅｒａ)和对精细结构常数作试探性的证明 .在原子与原子核物理学方面有 :在气体中光线的有效阻塞与存储 ;对原子核的气液相图给出第一个实验公式 .在高能粒子物理学方面有 :在Ｂ介子衰变时观察到违反ＣＰ的现象 .在凝聚态物理学方面有 :在Ｃ60 晶体 (在 117Ｋ处 )和硼化镁 (在 4 0Ｋ处…     

第六讲超弦理论与宇宙学的挑战

超弦理论从根本上改变了人们对时空的看法，时空在弦论中只是一种宏观体现．弦论中的非经典时空影响早期宇宙的发展，在一些观测宇宙学的实验中人们也许会发现弦论的效应，例如微波背景辐射的功率谱的反常．最近发现的暗能量也对弦论宇宙学提出了挑战．     

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．     

大爆炸理论

  大爆炸理论是研究宇宙的一种方法。几千年以前人们关于“天圆地方”的争论就是对宇宙的研究的开始。哥白尼 “日心说”的提出,冲破了“地心说”的束缚,宇宙学的研究取得重大突破。在1917年,著名科学家爱因斯坦建立广义相对论后,很快就应用于宇宙学的研究,掀起宇宙学的热潮。直到现在最成熟的宇宙学理论——大爆炸理论的提出,使得宇宙学的研究又达到一个高峰。然而研究的脚步并没有停下,一直在前进。     

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?     

Science评出2003年度十大科学成就:找到暗物质和暗能量存在的新证据位居榜首

今年，Wilkinson微波背景各向异性探测器(WMAP)和Sloan数字巡天(SDSS)天文观测以其对宇宙学参数的精确测量，进一步强有力地支持了大爆炸宇宙学模型，这在人类探索宇宙奥秘和物质基本结构的道路上无疑是一个光辉的成就，这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代，其发