理學(xué)類(lèi)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

理學(xué)類(lèi)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)第一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)兩位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者：John

Mather,

Senior

astrophysicist

atNASA’s

Goddard

Space

Flight

CenterGeorge

Smoot,

Professor

of

Physics

atUniversity

of

California,

Berkeley2006年物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)是關(guān)于：Nobel

prize

for

Big

Bang

research第二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月J.

Matehr

and

G.SmootJ.

Mather

et

al.,

1990,

Astrophys.

J

(Letter)

354,

37;

G.

Smootal.,

1992,

Astrophys.

J

(Letter)

396,

1第三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Nobel

獎(jiǎng)提名第四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Nobel

Prize10-5K第五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月The

main

contents1。大爆炸宇宙學(xué)2。早期宇宙概況3。幾個(gè)簡(jiǎn)單公式4。光子的退耦5。光子的背景輻射6。多極各向異性和星系形成條件7。宇宙中正反物質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)的形成8。暗物質(zhì)與暗能量9。粒子物理，LHC與ILC10。展望第六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月熱大爆炸宇宙學(xué)1。熱大爆炸宇宙學(xué)

宇宙介質(zhì)可以看成由星系為“分子”所構(gòu)成的

“氣體”，宇宙學(xué)原理認(rèn)為宇宙介質(zhì)在大尺度下是均勻的。Hubble膨脹

哈伯發(fā)現(xiàn)星系對(duì)銀河中心的退行速度與距離成正比第七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Hubble

定理1+z是紅移，是光的Doppler效應(yīng)，v是天體相對(duì)我們地球觀測(cè)者的速度，Hubble觀測(cè)到的公式僅是近似。但這個(gè)觀測(cè)的意義是否定了靜止宇宙的理論，指出宇宙在膨

脹，從而導(dǎo)致了熱大爆炸理論。第八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙學(xué)H是hubble

常數(shù)牛頓認(rèn)為成團(tuán)愛(ài)因斯坦開(kāi)始認(rèn)為靜止宇宙

宇宙應(yīng)起源于120－150億年前，能量高度密集的小區(qū)域通過(guò)熱大爆炸形成今天的觀測(cè)宇宙。第九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙形成于熱大爆炸1232。早期宇宙概況遠(yuǎn)古的宇宙中不可能有星系星系是均勻宇宙氣體碎裂的產(chǎn)物微小擾動(dòng)會(huì)發(fā)展成局域結(jié)團(tuán)3 膨脹的宇宙來(lái)自大爆炸（密度，溫度無(wú)限？）“Big

Bang”!3

強(qiáng)子，質(zhì)子，中子從夸克產(chǎn)生，是宇宙演化的產(chǎn)物，E＝200MeV(T=1012K)t=10-4

s化學(xué)元素也是演化的產(chǎn)物,E=1-10

MeV

(T=1010K)3-30

min（6）原子和分子是宇宙演化中產(chǎn)生的,E＝13.6

eV(T=104

K)第十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月幾個(gè)簡(jiǎn)單公式3。幾個(gè)簡(jiǎn)單公式愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論空間,時(shí)間和物質(zhì),真空能的關(guān)系λ為宇宙常數(shù)RW度規(guī)第十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月幾個(gè)簡(jiǎn)單公式?起到斥力的作用，和普通物質(zhì)的引力正好相反。在輻射為主的早期宇宙在物質(zhì)為主的今天宇宙第十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Decoupling能是要13把.6氫e電V,4。光子的退耦原子的復(fù)合過(guò)程氣體中的電子在與質(zhì)子的熱碰撞中會(huì)結(jié)合成氫原子，同時(shí)放出光子，這過(guò)程是可逆的。氫的結(jié)合

離，光子能量要大于它。只要高能光子足夠多，反過(guò)程的發(fā)生率大于宇宙膨脹率，電離和復(fù)合達(dá)到統(tǒng)計(jì)平衡。第十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Decoupling當(dāng)溫度下降后，(T=1eV),高能光子處于Planck分布的高頻尾巴，能量超過(guò)13.6eV

的光子只有10－4，但光子數(shù)比質(zhì)子數(shù)多9個(gè)量級(jí)，因而

一個(gè)氫核仍被105高能光子包圍，不會(huì)出現(xiàn)中性氫。但溫度出現(xiàn)在指數(shù)上，溫度再下降不多，但氫核周?chē)母吣芄庾友杆贉p少，在T＝1eV下復(fù)合過(guò)程變得重要。第十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月｀Planck

分布Planck分布中的高能光子數(shù)第十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Temperature今天的背景光子溫度在復(fù)合時(shí)的紅移,那時(shí)宇宙年齡大約為2X105年在這段時(shí)間內(nèi)變化非?？斓谑?yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Decoupling

of

Photon等離子體氣體中光子的退耦光子主要是和自由電子散射每個(gè)光子在單位時(shí)間內(nèi)的碰撞次數(shù)是在復(fù)合開(kāi)始后自由電子密度的驟然下降使光子碰撞頻率下降,光子開(kāi)始退耦.第十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月光子得完全退耦

退耦的發(fā)生使碰撞率Γ與宇宙膨脹率H競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果當(dāng)復(fù)合率Xp=0.1(np/(np+nH))時(shí)Γ/H=15,90%原子已復(fù)合,但仍有足夠的自由電子以維持光子的熱平衡,退耦發(fā)生在復(fù)合之后當(dāng)Xp=4X10-3時(shí)光子退耦,2.4X105年,從這時(shí)起光子成了無(wú)碰撞組分,它將在由中性原子組成的氣體中飛行,當(dāng)然它今天應(yīng)當(dāng)存在。第十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月黑體輻射黑體輻射光在黑體中多次散射，成熱平衡狀態(tài)。黑體輻射的光源是t=2.4X105年時(shí)星系為形成前中性原子氣體由于這個(gè)最后散射面是均勻且等溫，觀測(cè)到的背景輻射應(yīng)高度各向同性。由于光子從有頻繁碰撞到失去碰撞的轉(zhuǎn)化很快，從最后散射面放出的光子動(dòng)量分布是Planck分布。我們看到的黑體輻射就是宇宙光子背景輻射。第十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月一個(gè)故事那么今天的Teff發(fā)現(xiàn)和證實(shí)：Princeton大學(xué)的Dicke和Peebles認(rèn)識(shí)到背景輻射對(duì)熱大爆炸宇宙學(xué)的重要，準(zhǔn)備尋找，Penzias和Wilson在調(diào)試頻率為4080MHz的角形天線，在沒(méi)有信號(hào)時(shí)測(cè)定了本底，擬合溫度為T(mén)(θ)=(4.4+2.3secθ)K發(fā)現(xiàn)它是無(wú)法排除的來(lái)自遠(yuǎn)處的噪聲。從而得到諾貝爾獎(jiǎng)。但它僅是一個(gè)頻率上的，由于實(shí)驗(yàn)很困難，大氣影響很難排除，不能在地球上完成第二十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月新的Nobel

獎(jiǎng)這是COBE測(cè)量的最后結(jié)果。在星系形成后的宇宙中，不同部分有了不同溫度，宇宙介質(zhì)已沒(méi)有了統(tǒng)一的熱平衡。例如太陽(yáng)的熱輻射譜合黑體輻射譜相差很大。只有在早期，宇宙才能是整體達(dá)到高度熱平衡的系統(tǒng)。背景輻射譜與黑體輻射譜的高度一致指出它是來(lái)自早期宇宙，支持了熱

大爆炸理論。第二十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月星體起源COBE的另一個(gè)結(jié)果多極各向異性（偶極各向異性主要是由于銀河系運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的紅移改變）預(yù)示宇宙介質(zhì)不能完全均勻。早期宇宙各處溫度和密度有微小起伏，它是后來(lái)結(jié)構(gòu)形成的種子。正是因?yàn)檫@種小起伏，由引力構(gòu)成今天的星體。第二十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月Nobel獎(jiǎng)的工作

然而從1977年起的十年中，分析四極各向異性的強(qiáng)度，受到精度限制得到零的結(jié)果。到80年代末，這上限異縮小到如果測(cè)量精度再高一個(gè)數(shù)量級(jí)后仍然得到零結(jié)果，那么這樣過(guò)小的密度起伏獎(jiǎng)來(lái)不及再今天形成星系，也就沒(méi)有我們了。COBE使用儀器DMR在1992年測(cè)到了微波背景溫度的四極各向異性為完全支持了熱大爆炸宇宙學(xué)理論。第二十三頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙中元素大爆炸核合成BBN這是一個(gè)比較復(fù)雜的核反應(yīng)鏈但大爆炸理論預(yù)言中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)之比為1：7，這個(gè)比例是由于中子與質(zhì)子的質(zhì)量差為1.29MeV，轉(zhuǎn)化停止的凍結(jié)溫度為0.8MeV。這結(jié)果意味今天He豐度為質(zhì)子的1/4。測(cè)量之為大約。第二十四頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月正反物質(zhì)不對(duì)稱(chēng)性7。宇宙中正反物質(zhì)的不對(duì)稱(chēng)性觀測(cè)宇宙中只有質(zhì)子，中子和帶負(fù)電的電子，而不存在它們的反粒子。從熱大爆炸理論它們應(yīng)該存在。Sakharov

提出三個(gè)必須的條件存在破壞重子數(shù)（輕子數(shù))守恒的相互作用CP破壞宇宙對(duì)熱平衡的偏離（至少在演化某一階段）第二十五頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月AMS計(jì)劃但也存在其他可能性，反物質(zhì)存在于我們廣闊宇宙的另一部分，它是和我們居住的部分完全分開(kāi)的。那么就有可能一些暗物質(zhì)顆粒會(huì)脫離它們的世界而飛到我們這兒來(lái)。我們的任務(wù)是找到它們。AMS

計(jì)劃Alpha

Magnetic

Spectrometer

(AMS)由丁肇中領(lǐng)導(dǎo)的龐大的計(jì)劃在太空中尋找反物質(zhì)流。第二十六頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙學(xué)的困難8。暗物質(zhì)與暗能量宇宙中可觀測(cè)的發(fā)光物質(zhì)，或重子物質(zhì)只占宇宙總能量的5％以下，暗物質(zhì)（冷暗物質(zhì)）占23％，70％以上是所謂的暗能量。暗物質(zhì)是什么？歷史上開(kāi)始認(rèn)為是中微子（熱暗物質(zhì)），現(xiàn)在認(rèn)為最可能是超對(duì)稱(chēng)粒子neutralino，或axion,

axionino

等。如何在地球上的探測(cè)器上檢驗(yàn)暗物質(zhì)流？第二十七頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙學(xué)的困難方法是讓暗物質(zhì)粒子與探測(cè)器中質(zhì)子或電子碰撞，我們測(cè)量帶電的質(zhì)子或電子的反沖軌道。測(cè)量是非常困難的。1972年我國(guó)云南高山宇宙線觀測(cè)站看到的一個(gè)特別事例。第二十八頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月宇宙學(xué)的困難暗能量更是一個(gè)非常難以理解的問(wèn)題新的觀測(cè)結(jié)果指出宇宙在加速膨脹！那么必須存在相當(dāng)于斥力的作用，從前面公式可以看出，宇宙常數(shù)和真空能都可以起到斥力作用。但這有帶來(lái)新的問(wèn)題，(hierarchy problem)。是否應(yīng)該有人擇原理？新的探討,quintessense,quintessensino,phantom,varying-mass

neutrinos

等等第二十九頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月第三十頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月哲學(xué)，物理學(xué)圖：大蛇圖宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量，非常長(zhǎng)的時(shí)間，是超出宏觀的宇觀物理粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的能量（相對(duì)而言），非常短的時(shí)間，是微觀物理。但它們卻是緊密相關(guān)的。因而我們有可能在地球的探測(cè)器上對(duì)宇宙學(xué)進(jìn)行研究。第三十一頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月粒子物理宇宙學(xué)LHC，ILC

和RHICLHC，14TeV,2007年開(kāi)始運(yùn)行，尋找Higgs，超對(duì)稱(chēng)粒子，等新物理的信號(hào)ILC，1－2

TeV，

？，精確研究新物理的性質(zhì)，探索更新的物理世界RHIC，尋找夸克－膠子等離子體，模擬早期宇宙(Little

bang)為進(jìn)一步檢驗(yàn)理論，提出新的物理思想奠定實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)第三十二頁(yè)，共三十六頁(yè)，2022年，8月粒子物理宇宙學(xué)10。展望熱大爆炸宇宙學(xué)取得了巨大成功，得到了天文學(xué)觀測(cè)的支持，今天沒(méi)有人懷疑這個(gè)理論的正確性還有許多未解決的問(wèn)題， 宇宙 期的In