宇宙學(xué)前沿講座

1、宇宙學(xué)前沿講座宇宙微波背景輻射暗能量暗物質(zhì)弦宇宙學(xué)宇宙微波背景輻射原初核合成結(jié)束后,宇宙氣體處于電離狀態(tài)光子處于熱平衡熱碰撞：主要是與自由電子的湯姆遜散射宇宙年齡4*105年，宇宙溫度：0.3eV 大部分電子和原子核結(jié)合為中性原子電子密度迅速降低光子碰撞率急劇減少,最后完全失去碰撞機(jī)會(huì)：光子退耦光子與宇宙其它粒子幾乎沒有相互作用：背景光子或背景輻射場(chǎng)此時(shí)的光子狀態(tài)將被保留下來中性原子形成和光子退耦： 同一過程的兩個(gè)方面宇宙微波背景輻射：大爆炸理論主要預(yù)言今天應(yīng)該能觀測(cè)到微波背景觀測(cè)：大爆炸理論的重要證據(jù)最早的觀測(cè)：1965年微波背景的進(jìn)一步研究和觀測(cè)： 從中獲取更多早期宇宙的信息現(xiàn)測(cè)到天體的光

2、是該天體在很久以前發(fā)出的 該天體很久以前的樣子今天觀測(cè)到的背景光子應(yīng)來自遙遠(yuǎn)的地方退耦前光子狀態(tài)被最后一次光子電子散射抹掉： 看不到光子退耦以前宇宙的模樣大爆炸理論：宇宙早期高度均勻最后的散射面是球形，球面上氣體等溫今天觀測(cè)到的光子來自于最后散射面從不同方向作測(cè)量,應(yīng)測(cè)到同樣的輻射強(qiáng)度背景光子在形成前很接近熱平衡：任一方向上輻射強(qiáng)度與頻率的關(guān)系滿足黑體輻射關(guān)系COBE的觀測(cè)結(jié)果理論：背景輻射形成時(shí)溫度0.3eV(3000K)現(xiàn)測(cè)背景輻射溫度：2.75K這些光子的紅移：z=1100由此可知背景光子從退耦到現(xiàn)在的時(shí)間，最后散射面離我們的距離（理論上我們可以觀測(cè)到的最遠(yuǎn)距離）光子從最后散射面到地球的

3、過程中有可能與一般物質(zhì)相互作用(如被星際物質(zhì)散射)星系發(fā)出的光和背景輻射一樣會(huì)被觀測(cè)到它們對(duì)背景輻射的影響非常小地球相對(duì)均勻的宇宙背景有相對(duì)運(yùn)動(dòng),如地球的公轉(zhuǎn)及銀河系的轉(zhuǎn)動(dòng)及相對(duì)運(yùn)動(dòng)觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)引起多普勒效應(yīng)：不同方向上測(cè)到的背景溫度有差別要得到真正來自最后散射面的背景輻射,要消除這些噪音和效應(yīng)的影響早期宇宙有微小的密度起伏微波背景輻射也有微小的起伏觀測(cè)：不同方向背景輻射溫度有微小的差別溫度分布伽莫夫提出大爆炸理論時(shí)學(xué)術(shù)界普遍不信任這個(gè)理論沒人想到用實(shí)際觀測(cè)來證實(shí)或證偽背景輻射的存在Dicke，Peebles(1960年代初普林斯頓大學(xué))打算讓年輕人Roll和Wilkinson制作儀器來測(cè)量背

4、景輻射的溫度他們無疑會(huì)成功地測(cè)到背景輻射背景輻射的發(fā)現(xiàn)他們意外地得知貝爾實(shí)驗(yàn)室在射電波段測(cè)到了背景輻射的信號(hào)Penzias，Wilson：射電天文研究，調(diào)試20英尺角形反射天線的背景噪音測(cè)到的背景噪音溫度為6.7K： 2.3K來自大氣層 0.9K來自天線內(nèi)的歐姆損耗 剩下3.5K不知來源天線中不明噪音是貝爾實(shí)驗(yàn)室老問題，實(shí)用上不需要弄清其來源Penzias和Wilson執(zhí)著地要弄清它把天線拆開，弄走了在里面做窩的鴿子一番努力，排除了不明噪音來自天線內(nèi)部或鄰近環(huán)境的可能，沒有發(fā)現(xiàn)起因只能確定這是一個(gè)來自遠(yuǎn)處的輻射信號(hào)幸運(yùn)：貝爾實(shí)驗(yàn)室離普林斯頓大學(xué)很近兩組人接觸討論后分別寫了一篇論文，發(fā)表在同一期

5、天體物質(zhì)雜志上Penzias和Wilson的論文僅有一千字左右：微波背景輻射發(fā)現(xiàn)是宇宙學(xué)發(fā)展中最重大的事件之一Penzias和Wilson： 1978年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就微波背景輻射問題本身而言， Penzias和Wilson的發(fā)現(xiàn)不足以令懷疑者信服單一頻率（4080兆赫）測(cè)量無法證實(shí)理論預(yù)言的背景輻射具有黑體輻射譜特征此后十年：發(fā)現(xiàn)這種各向同性信號(hào)在許多波長(zhǎng)上都存在，定出的相應(yīng)溫度大體一致證實(shí)背景輻射具有黑體譜：必須在毫米和亞毫米波段進(jìn)行測(cè)量這樣波段上地球大氣的影響變得復(fù)雜麻煩背景輻射譜的形狀，80年代末前沒有共識(shí)COBE (宇宙背景探測(cè)者衛(wèi)星，1989年) 地球大氣外測(cè)量真正確定背景輻射具

6、有黑體譜DMR (COBE上另一套儀器)：背景輻射在不同方向上的溫度差異不同方向上相隔10。兩點(diǎn)溫度差的平均結(jié)果：理論：結(jié)構(gòu)形成的下限是10-6如果 ，到今天星系還來不及形成60105/TT60101/TT 2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：約翰-馬瑟和喬治-斯莫特(美國)：發(fā)現(xiàn)黑體形態(tài)和宇宙微波背景輻射擾動(dòng)現(xiàn)象 COBE對(duì)背景輻射擾動(dòng)測(cè)量的精度很低更多宇宙早期信息和宇宙現(xiàn)狀的了解：必須提高測(cè)量的精度WMAP (2001年，威爾金森微波各向異性探測(cè)器，美國國家航空航天局)：背景輻射在不同方向溫度的測(cè)量精度得到很大提高WMAP Planck(2007年)： 提供最高分辨率的CMB圖像微波背景輻射擾動(dòng)譜

7、測(cè)量：可以推斷宇宙許多整體參量，如哈勃常數(shù)、物質(zhì)比例等宇宙平坦性的精確測(cè)定也來自對(duì)微波背景輻射測(cè)量WMAP結(jié)果十分支持宇宙暗能量的存在，并對(duì)其所占的比例也有很強(qiáng)的推斷與其它宇宙觀測(cè)結(jié)合，測(cè)得的宇宙模型中各參數(shù)的精度可以得到進(jìn)一步提高暗能量1998年，超新星觀測(cè)結(jié)果： 宇宙正在加速膨脹愛因斯坦方程宇宙加速膨脹總物質(zhì)壓強(qiáng)p和密度的關(guān)系：+3p0，p-1/3)3(34pGRR 壓強(qiáng)：輻射物質(zhì)p=/3，一般物質(zhì)p=0宇宙加速膨脹：現(xiàn)在宇宙介質(zhì)中存在具有負(fù)壓物質(zhì)，并且占很大比例引力作用使宇宙膨脹減速，負(fù)壓強(qiáng)提供斥力，使宇宙加速膨脹具有負(fù)壓引起宇宙加速膨脹物質(zhì)：暗能量最簡(jiǎn)單的暗能量：真空能量或宇宙常數(shù)愛因

8、斯坦，1917年：靜態(tài)宇宙模型，在引力方程中引入宇宙常數(shù) 一種壓強(qiáng)p=的物質(zhì)負(fù)壓強(qiáng)提供斥力：平衡引力得到靜態(tài)宇宙幾年后，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)宇宙膨脹初步跡象愛因斯坦敏感地接受了這些發(fā)現(xiàn)的啟示，去掉了宇宙常數(shù)量子場(chǎng)論：真空能量，每一個(gè)場(chǎng)都有一個(gè)基態(tài)，其能量不為零這種能量的性質(zhì)和宇宙常數(shù)一樣，愛因斯坦方程不能區(qū)分它們理論得出的真空能量非常巨大，其密度比宇宙物質(zhì)密度大一百多個(gè)量級(jí)超新星實(shí)驗(yàn)：如果暗能量是宇宙常數(shù)(真空能量)，它占宇宙總密度的70%左右現(xiàn)狀：不知道暗能量到底是什么超新星觀測(cè)和微波背景輻射： 暗能量的大概性質(zhì)暗能量的候選者很多：如宇宙中均勻存在的一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)暗能量也許并不是真實(shí)存在： 宇宙的加速膨

9、脹只是四維宇宙膜在其它維數(shù)上運(yùn)動(dòng)的投影量子場(chǎng)論中巨大真空能量和現(xiàn)實(shí)的差異：對(duì)理論提出了挑戰(zhàn)：?jiǎn)栴}：為什么暗能量密度這么小(10-47GeV4) (與粒子物理能標(biāo)的差異)問題：為什么今天暗能量密度和一般物質(zhì)密度在同一量級(jí)，是巧合還是由于什么深刻的物理暗物質(zhì)核合成結(jié)果：宇宙中重子物質(zhì)所占比例最多只有5%超新星實(shí)驗(yàn)和微波背景輻射測(cè)量的結(jié)果：除暗能量外一般物質(zhì)應(yīng)該還有30%的比例宇宙中應(yīng)該有很大一部分非重子物質(zhì)組分沒有直接觀察證據(jù)，所以稱其為暗物質(zhì)： 與光子沒有相互作用或相互作用非常弱 不能通過電磁波被觀測(cè)到，并不發(fā)光最有力證據(jù)：星系外圍的平坦速度曲線星系中央一般存在大量恒星，亮度最大，外圍分布少量的

10、恒星，再向外分布著極少量的氣體和塵埃，再向外一般認(rèn)為其物質(zhì)密度非常低，幾乎看不到任何物質(zhì)，可以看作沒有物質(zhì)存在 測(cè)量星系中分子圍繞星系轉(zhuǎn)動(dòng)的速度以確定星系的質(zhì)量及其密度分布：星系最外圍分子的環(huán)繞速度幾乎不隨其半徑而變化，形成平坦速度曲線曲線可延伸到距星系中心很遙遠(yuǎn)的地方離心力和引力平衡關(guān)系：星系外圍的密度分布結(jié)果：這些區(qū)域分布著大量的物質(zhì)，總量遠(yuǎn)大于星系中可觀測(cè)區(qū)域的物質(zhì)總量幾乎所有星系中都有類似平坦速度曲線，這種暗物質(zhì)的總量遠(yuǎn)大于核合成得到的重子質(zhì)量上限，宇宙總物質(zhì)20%以上現(xiàn)狀：不清楚暗物質(zhì)是什么 星系速度曲線暗物質(zhì)在星系的密度分布暗物質(zhì)和電磁場(chǎng)的相互作用非常弱，暗物質(zhì)粒子之間的自相互作用

11、也非常弱暗物質(zhì)候選者非常多，沒一個(gè)被普遍認(rèn)可粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中沒有符合條件的暗物質(zhì)候選弦宇宙學(xué)弦論：物質(zhì)基本組成不是一個(gè)點(diǎn)，是一條會(huì)振動(dòng)的弦，弦不同振動(dòng)模式構(gòu)成了不同的基本粒子弦論中粒子間相互作用和點(diǎn)粒子間相互作用的模式非常不同，但也有相似之處弦及其它基本物理假設(shè)：時(shí)空的維數(shù)只有在10維或11維時(shí)，超弦理論才能自洽我們生活的宇宙時(shí)空是四維的KaluzaKlein理論，CalabiYau空間弦理論的膜解：我們的宇宙在一個(gè)4維膜上，這個(gè)4維膜可以在其它的維數(shù)上運(yùn)動(dòng)，這種膜的整體運(yùn)動(dòng)可以導(dǎo)致生活在膜上的我們觀測(cè)到一些特殊的現(xiàn)象，如可以是宇宙的加速膨脹，甚至是星系外圍的平坦速度曲線除了引力，其它相互作

12、用都被限制在膜上其它存在的膜也可以對(duì)我們的宇宙產(chǎn)生一定的影響科學(xué)的價(jià)值Robert Rathbun Wilson v. s. Senator John Pastore Pastore: Is there anything connected with the hopes of this accelerator that in any way involves the security of this country? Wilson: No sir, I dont believe so. Pastore: Nothing at all? Wilson: Nothing at all. Pastore: It has no value in that respect?Wilson answer It has only to do with the respect which we regard one another, the dignity of man, our love of culture. It has to do with whether we are good painters, good sculptors, great poets.