宇宙學(xué)和理論物理中的基本問題教學(xué)課件

宇宙學(xué)和理論物理中的基本問題李淼中國科學(xué)院理論物理研究所2019年全國博士生學(xué)術(shù)論壇，科學(xué)院研究生院宇宙學(xué)從一開始注定和理論物理聯(lián)系在一起，我們可以列舉下面的一些例子：愛因斯坦的廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)的開端。核物理和宇宙學(xué)中輕元素合成。宇宙學(xué)對(duì)中微子代數(shù)的限制。暴漲宇宙論和量子場(chǎng)論的關(guān)系…………我們今天要討論的問題都是理論物理中沒有解決的問題：1）暗能量2）暗物質(zhì)3）物質(zhì)的起源（重子不對(duì)稱的起源）4）真空的選擇宇宙中的暗組分最近觀測(cè)宇宙學(xué)資料，宇宙中暗能量占總能量的74％，暗物質(zhì)占22％，物質(zhì)僅占4％。

1）暗能量暗能量的發(fā)現(xiàn)：2019年，兩個(gè)研究Ia型超新星小組宣布發(fā)現(xiàn)暗能量暗能量被認(rèn)為是宇宙膨脹加速的原因。Ia型超新星就像路燈，它們看起來比過去的“標(biāo)準(zhǔn)宇宙學(xué)”預(yù)言的要更加遠(yuǎn)離我們：暗能量的存在也得到其他宇宙學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)的支持：微波背景輻射的功率譜星系團(tuán)的功率譜弱引力透鏡效應(yīng)實(shí)驗(yàn)室的直接測(cè)量？？暗能量的性質(zhì)？1）宇宙學(xué)常數(shù)（真空能）2）標(biāo)量場(chǎng)的能量（quitessence,phantom,……）3）愛因斯坦廣義相對(duì)論在大尺度上的修改4）密度不均勻性的結(jié)果5）……暗能量理論上的兩個(gè)基本問題1）暗能量為什么這么小，因?yàn)檎婵樟泓c(diǎn)能的貢獻(xiàn)和場(chǎng)論的截?cái)嘤嘘P(guān)，最通常的估計(jì)是2）暗能量為什么不為零，而且和暗物質(zhì)密度差不多（宇宙學(xué)巧合問題）。上百個(gè)機(jī)制被提了出來，但沒有一個(gè)得到公認(rèn)。暗能量問題基本上是一個(gè)量子引力的問題。目前存在的模型大致可以分為以下五類：（1）超對(duì)稱/超引力，超弦理論。（2）人擇原理(anthropicprinciple)。（3）調(diào)節(jié)機(jī)制。（4）改變愛因斯坦引力理論。（5）量子宇宙學(xué)。最近出現(xiàn)第六類理論，就是所謂的全息暗能量理論。最后，我想說，‘tHooft2019年在北京說的話也許是有先見之明的，就是，我們擁有的是100wrongtheoriesaboutdarkenergy.我們研究暗能量正如盲人摸象

2）暗物質(zhì)1933年，Zwicky就提出了暗物質(zhì)的概念。1968年，Silk（Silkdamping,密度漲落消失）1974年起，更多的觀測(cè)證據(jù)證據(jù)之一

證據(jù)之二弱引力透鏡效應(yīng)證據(jù)之三，Silkdamping.證據(jù)之四，宇宙微波背景輻射Boomerang+WMAP25%暗物質(zhì)，5%重子暗物質(zhì)的性質(zhì)1）不發(fā)光2）今天還存在于星系和星系團(tuán)中3）大爆炸發(fā)生后就存在，大于重子密度4）相互作用非常微弱

5）不破壞核合成暗物質(zhì)到底是什么？1）不可見重子（有很多問題，不大可能）2）中微子，困難：不容易集團(tuán)，質(zhì)量需要大于20ev，

Sterile中微子的可能性存在3）新粒子－處于平衡態(tài)的粒子：neutralinos,Kaluza-Klein,……－處于非平衡態(tài)的粒子：axions,gravitinos,……毫無疑問，要回答暗物質(zhì)到底是什么的問題，我們不能僅僅依靠宇宙學(xué)觀測(cè)。明年就要完成建設(shè)的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）很有可能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子。

3）物質(zhì)的起源宇宙中有大約4％的物質(zhì)，但沒有反物質(zhì)。物質(zhì)的起源和正反物質(zhì)不對(duì)稱有關(guān)。Sakhanov條件：重子產(chǎn)生的條件:重子數(shù)不對(duì)稱CP破壞非平衡過程 G(DB>0)>G(DB<0)可能的物理質(zhì)子衰變CP破壞老的大統(tǒng)一解釋：大統(tǒng)一肯定破壞重子數(shù)守恒。大統(tǒng)一能標(biāo)上的粒子X衰變新觀察到的直接CP破壞過程ε’：大統(tǒng)一的解釋存在磁單極問題。標(biāo)準(zhǔn)模型在標(biāo)準(zhǔn)模型中B不守恒，但B-L守恒。T>174GeV時(shí)，B和L被“清洗”。目前兩個(gè)方向：1）弱電重子合成。2）“輕子合成”。1）弱電重子合成(Kuzmin,Rubakov,Shaposhnikov)－開始的時(shí)候，B=L=0－通過一級(jí)相變達(dá)到非平衡狀態(tài)－產(chǎn)生不為零的B和L2）“輕子合成”(Fukugita,Yanagida)－從L不守恒的過程產(chǎn)生不為零的L－場(chǎng)論中的反常將不為零的L部分轉(zhuǎn)換成不為零的B和諧模型（concordancemodel)74%暗能量4％重子物質(zhì)22％暗物質(zhì)

4）真空的選擇真空的選擇可以說是理論物理和宇宙學(xué)的終極問題，內(nèi)涵包括：1）時(shí)空為什么是4維的？2）物理學(xué)常數(shù)為什么是這樣的？－相互作用強(qiáng)度－粒子的質(zhì)量3）宇宙學(xué)參數(shù)為什么是這樣的？－為什么能量有三種組分？－為什么密度漲落是這么大?－為什么宇宙有這么大？例如超弦理論解釋說，時(shí)空是10維的或者是11維的，之所以有宏觀的4維時(shí)空，是因?yàn)椤璍andscape也就是說，基本理論中允許很多不同亞穩(wěn)態(tài)真空存在，我們的宇宙不過是很多可能宇宙中的一種。Multiverse當(dāng)然，大多數(shù)人不能接受landscape和multiverse這樣的理論。一個(gè)正確的真空選擇的解答需要更多的理論和實(shí)驗(yàn)方面的工作。前面三個(gè)問題可以看成真空選擇問題的三個(gè)側(cè)面。不能是弦論也好，還是其他什么基本理論也好，需要面對(duì)的是正面回答我們前面討論的三個(gè)問題，以及給出一個(gè)合理的真空選擇機(jī)制。Myreligionconsistsofahumbleadmirationoftheillimitablesuperiorspiritwhorevealshimselfintheslightdetailsweareabletoperceivewithourfrailandfeeblemind.－Albe