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…     

星系团之间的交流

 虽然大爆炸发生在很久以前,但是宇宙诞生之初产生的热光子仍然弥漫宇宙,形成宇宙微波背景(如图).这些古老的光子揭示了大爆炸许久之后诞生的星系团的运动特点.这些光子穿梭于星系团的热气体中,热气体增加了光子能量,缩短了其波长,导致所谓的苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应(Sunyaev-Zel'dovicheffect), 亦称SZ 效应, 因两位俄罗斯科学家在天文学家发现之前预言了该效应而得名.不过他们也同时预言星系团的运动也会影响光子,却至今都未观测到.有天文学家在7 月20 日出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters) 报道, 他们已从数以千计的星系中归纳出微弱信号,探测到所谓的运动学苏尼亚耶夫- 泽尔多维奇效应.正如人们所料,该结果发现星系团之间在引力的影响下,倾向于做着相向运动.进一步的观测可能更具启示：这将有助于确定令宇宙膨胀加速的神秘力量的性质.     

今日国外物理

 1 美学者获得宇宙暗物质研究新成果据美联社报道,美国天文学会年会的一份研究报告表明:暗物质可能占宇宙物质的90%.华盛顿大学发现的证据表明:一些星系团包含的暗物质肯定比原先认为的要多得多;麻省理工学院一学者说,德国的ROSAT卫星测得鲸鱼座星座NGC720星系的热气发出的X射线,发现其引力场是椭圆形的,被一巨大暗物质晕包围着,而常见的可见星未能解释这一现象.加利福尼亚州一国家实验室可望一年内确定包围银河系暗物质是由木星样的或其他物质组成.     

早期宇宙中的巨型星系团

天文学家们看到了最大的星系团,位于遥远的早期宇宙中。据估计,这个遥远的星系团所包含的质量相当于一千个大型星系。该发现进一步提供了证据,证明一种叫做“暗能量”的神秘力量是存在的。     

当代物理学正酝酿新的重大突破

宇宙的组成是什么?在宇宙中，除了人们常见的各种发光的星球、星系、星系团、类星体……等等发光天体，是否还存在着不发光的天体，或不发光的物质?     

作为宇宙信使的X射线

60年前,里卡多·贾科尼团队用探空火箭首次探测到了来自太阳系以外的X射线辐射,从此打开了人类探索宇宙的一个全新的窗口.与我们所熟悉的可见光天空不同,在"看不见"的X射线宇宙,明亮的发光天体涵盖了黑洞、中子星、白矮星等致密天体,星系团和星系中弥漫的大量不可见的高温气体,以及各种剧烈的灾变事件.它们代表着宇宙中最为奇特的天...     

科学家们在星系团的尺度上证实了红移效应

 检验引力现象很简单：通过二楼的窗子走出去(禁止付诸实践),看看会发生什么！但是要想检验爱因斯坦的引力理论--广义相对论,难度就要大得多。该理论的内容是：一个物体的引力会使其周围的空间和时间扭曲。尽管研究人员在太阳系的尺度上证明了广义相对论,但是在整个宇宙的尺度上验证该理论是更具挑战性的。
哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的拉德克·沃杰塔克(Radek Wojtak)带领一组研究人员着手检验广义相对论的一个经典预测：光在逃离引力场的时候会损失能量,引力场越强,光损失的能量就越多。结果,从一个星系团中心散发出来的光子应该比星系团边缘的光子损失的能量更多,因为星系团中心区的引力最强。星系团是包含了成千上万个星系的大型天体系统。因此在波长上,来自星系团中心的光比来自边缘的光更长,移向光谱的红端。这个效应被称为引力红移现象。
沃杰塔克及同事知道,测量单个星系内的引力红移会很困难,因为星系内引力红移效应非常小,而且需要将这种红移效应跟个体星系的轨道速度以及宇宙膨胀造成的红移效应分离开来。研究人员从斯隆数字巡天计划中搜集了8000 个星系团的数据,他们通过平均这些数据处理了这个问题。“这样做是希望通过研究星系团中星系之间的红移分布特点来发现引力红移效应,而不是分别查看各个星系的红移效应,”沃杰塔克解释说。
果然,研究人员发现正像广义相对论预测的那样,星系团中的光发生了红移,而且与到星系团中心的距离成比例。“我们可以测量出星系之间红移效应的微小差别,可以看得出来自星系团中心区星系的光不得不爬出那里的引力场,而来自边缘星系中的光可以较为轻松地散发出来,”沃杰塔克说。2011 年9 月28 日,这些发现发布在《自然》(Nature)杂志在线版上。
除了证实广义相对论之外,这些研究结果也有力地说明了拉姆达冷暗物质宇宙模型。这个已经流行于世的宇宙学模型表明宇宙的大部分是由不可见物质构成的,这种物质与构成恒星和行星的普通物质不发生相互作用。这项检验结果也支持暗能量的存在,暗能量是似乎正在使宇宙膨胀的一种神秘力量。     

宇宙膨胀与人类之命运

我们生活在其中的宇宙因星系团之间空间的伸展而膨胀.这是1916年广义相对论方程式所预言的,但甚至爱因斯坦一开始也不接受这一结论.而当埃德温·哈勃(Edwin Hubble)及其同事于1920年代末发现本星群以外星系的红移后,才使天文学家们认识到宇宙正在膨胀."你的腰围在增大这纯粹是生理现象.不能责怪宇宙膨胀."美国德克萨斯大学的物理学家理查德·普赖斯(Richard Price)如是说,他曾计算出有些物体会因宇宙膨胀而伸展而另一些则不然.     

暗物质的困境

 远在30年代,天文学家惠兹克已注意到,在星系团中,星系的绕行速度是如此之快,按理,它们无法稳定地呆在星系团中.他推测存在某种看不到的物质,提供了引力“胶质”.70年代,又发现银河系边缘的恒星运动速度,要比理论家预言的快得多,这也暗示着有大量的暗物质弥漫于星际空间.以后,对旋涡星系旋转情况所作的射电和光学观测表明,它们被暗物质晕所包围.分析了很多星系对和星系群的运动之后,人们确信,星系所含物质的总量,要比其可见的大得多.故天文学家断言,宇宙并不仅仅含有组成我们身体、地球和星星的那类通常物质.所谓通常物质,是指由重子(质子、中子等)组成的物质.而其他粒子,诸如电子,它们数量虽多,但对宇宙质量的贡献是很小的.     

暗物质之谜三例

1.2006年,天文学家对子弹星系团的观测,发现了暗物质存在的直接证据:观测显示,两个星系团高速相向运动,碰撞时,构成星系团物质主体的炽热气体相互排斥,形成了外形像子弹头那样的气团,但两星系团内的暗物质却不为所动,继续保持原有的速度.     

海市蜃楼发生时能够返回地面之光线的初始角探讨

从真空中光速最大事实和折射定律(或光线轨迹方程)出发,证明:大气中能够返回地面之光线的初始角α是不能任意的,且当α大于某个值α_m时,从某点发出的光线不可能返回地面,同时给出影响α_m的其他因素.     

标准宇宙学中减速参量q_0的确定

我们评述了各种不同的测定宇宙减速参量q_0的方法。它们共分三大类:第一类通过对宇宙平均质量密度的测定而得到q_0的;第二类、第三类则直接利用河外星体的视角径—红移关系以及视星等—红移关系(θ-z,m-z方法)得到q_0的。第一类得到的q_0值总是小于1/2(1/2是宇宙封闭和开放的临界值);与星系成协的物质按系列,即按单星系→双星系→多星系→小群→大群→Abell星系团→超星系,随系统尺度的增大而增大。由氘丰度和锂丰度的观测值而得的重子密度则位于上述系列的左端。θ-z方法应用于星系或星系团得到的结果是很不确定的。用于较远的射电源,其结果是θ∝z-1,这在标准大爆炸模型中是没有物理意义的(除非这些源的膨胀速度大于宇宙膨胀速度)。m-z方法(哈勃图)已用在最亮团星系以及那些被各种不同的光度归类或光度指标分类的类星体子集,在光度不随宇宙时减小(即无光度演化效应)的假设下所得的q_0值,一般总大于1/2,因此宇宙是开放还是封闭的这个重要问题将取决于如下二个因素,即究竟是光度演化起决定作用还是一种准均匀的、不发光的非重子的物质分布的存在起决定作用?我们倾向于支持后者,因为后者利用了平均密度...更多提供的线索,而前者则不然,从方法论观点来看,后者更为可取;再则,最近具有非零质量的电中微子的发现     

虚像为什么能看得见

关于这个问题的说明,首先从两方面谈起,(1)眼睛如何能视物;眼球的光学系统,相当于一凸透镜,物体发出的光线,通过眼球折射后,将光线会聚在纲膜上,生一实像,因此视神经受到光能的刺激,产生视觉。(2)实像和虚像的形成和区别,这在一般物理课本上都有说明,在这里我们再概括的叙述一下:物体上的一点发出的光线,经过凹面镜反射或凸透镜折射后,当物距大于焦距时,各光线会聚在     

找寻暗物质的最新进展——丁肇中主持的AMS项目首批研究成果

1暗物质存在的发现1937年,天文学家弗·扎维奇(F.Zwick)发现,大型星系团中的星系的运动速度,远远超出星系团核心物质形成的结果,这表明除了人类已知的星系团核心物质对该星系的引力外,还存在其他物质的     

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．     

双缝衍射光强公式的矢量图解法

图1所示的实验装置中,点光源S位于透镜L1的焦点处,波长为λ的平行光线垂直照射双缝1、2.以衍射角为θ发出的衍射光线汇集于屏幕上的Pθ点.一般教材[1]采用较复杂的积分法推导该点的光强.本文采用直观的矢量图来讨论该问题.     

“暗流体”简介

关于暗流体(Dark fluid)的提出,还要从两个星系团内明、暗物质的分布谈起:子弹星系团在中心发光物质的两侧分布着引力很强的暗物质,而Abell520星系团所显示的景象则是一个被热气体环绕着的暗物质核心,但其周围却不见普通星系的踪迹.     

借助显微镜运用视探法测量液体折射率

如图1，MM’为空气和待测液体的分界面，MM’上方为空气，下方为液体S为液体中的某物体.S发出两条光线SOA、SO’B，当这两条光线进入人眼时，人就可以看到S的像．像S’的位置为AO和BO’的反向延长线的交点．     

宇宙磁场

磁场在宇宙中无处不在,贯穿各种天体。磁场对天体形成、辐射和演化起重要作用,也是宇宙线研究的基础。以前人们对宇宙磁场的理解主要是来自对地球和太阳磁场的测量和物理解释。近20年来,对宇宙更大尺度天体的磁场测量取得很大进展:发现了银河系具备沿着银河旋臂的几万光年尺度磁场,强度为2—4μG;发现了银河系晕里具有环向磁场,在银道面上下方向相反;发现了银河系中心有极向磁场的观测证据;发现了邻近旋涡星系可能具有万光年尺度磁场的证据;发现了星系团几千万光年范围内磁场存在的证据。宇宙学模拟也显示在宇宙超大纤维结构中应该有磁场存在。这些磁场可能都是宇宙早期产生并在天体形成和演化过程中得以发扬光大。     

怎样直接探寻暗物质

正探寻暗物质的含义顾名思义"暗物质",就是用任何波长的光,无论是极短波长的γ射线还是很长波长的无线电波都无法观察到的物质。当没有光线时,它是黑暗的,无法看到它;有光线时,它既不反射光,也不吸收光,是完全透明的,我们依然观察不到它。但是,自1993年以来,发现宇宙中存在暗物质的所有根据都是因为"引力"。因为这些暗物质与我们普通物质之间有"引力"作用,才使我们感知到暗物质的存在。暗物质不仅存在,而且在宇宙物质