宇宙学中国科学院高能物理研究所课件

1、物理前沿、科学前沿按照Victor Weisskopf （19082001）： a）纵向：小到粒子；大到天体、宇宙 b）横向：从简单到复杂(生物) V. Weisskopf1908-2001人手的尺度在粒子与宇宙中间UniverseQuarkLepton宇 宙 学在宇宙学中也有自己的两个前沿： a）早期宇宙 b）晚期宇宙表 天体物理领域获诺贝尔物理奖的8个年度、11个天体物理项目、15位天体物理学家1967HBethe核反应理论研究，恒星能源的发现1970HAlfvn磁流体力学中的基本工作和发现1974M.Ryle综合孔径技术，A.Hewish脉冲星的发现1978A.A.PenziasR.W.

2、Wilson宇宙微波背景辐射的发现1983SChandrasekhar恒星结构与演化的理论研究；W.A. Fowler宇宙中化学元素起源的理论和实验研究1993RAHulseJHTaylor发现一种新类型脉冲星，开辟了引力研究新的途径2002RDavis Jr.MKoshiba宇宙中微子的观测RGiacconi宇宙X射线源的发现2006JCMatherGFSmoot宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现344510944背 景现代宇宙学提出的背景牛顿力学框架不能用来研究宇宙学。广义相对论能为现代宇宙学提供正确的研究框架。Einstein静态宇宙（1917）、Friedmann动态宇宙（1922

3、）。Hubble发现宇宙在膨胀（1929）。观测支持“宇宙学原理”，那是以星系为“分子”的均匀气体。宇宙膨胀的发现宇宙膨胀的发现Hubble关系 Friedmann宇宙模型Einstein静态宇宙使爱因斯坦放弃宇宙常数宇宙膨胀曲线k=+1 封闭，有限 k=0 平直，无限 k=1 开放，无限哈勃年龄（1/H0）真实年龄小于哈勃年龄必有诞生时刻大爆炸宇宙学 1946：Gamow 1大爆炸宇宙学的提出Gamow: 1946根据膨胀倒退回去，必有个起始点。膨胀带来宇宙的演化，从高温、高密绝热膨胀降温、降密，经历各个演化阶段。可以明确计算每时每刻宇宙物态的变化、各种物理过程的发生以及引起的各种观测特征。

4、今天大尺度均匀，推到早期是真正的由粒子组成的均匀气体。Feynman 名言 “物理学家具有这样的习惯，对于任一类现象，研究它们的最简单例子，把这称为物理，而把更复杂的情况，看作其它领域的事。” R. P. Feynman宇宙学基本关系式温度（K）能量（eV）时间（秒）时代物理过程1032102810-44Planck时代1028102410-36大统一时代10-35,-33暴胀阶段暴胀过程101310910-6强子时代101110710-2轻子时代10101061中微子脱耦中微子脱耦510951055电子对湮灭电子对湮灭1091053分核合成时代轻核素生成31030.338万年复合时代微波背景

5、辐射4亿年第一代恒星生成再电离星系大尺度结构形成2.7310-4137亿年现代核合成时代中微子脱耦温度核合成温度 TS 109 K 4He丰度： (p/n)S基本上是(p/n)D1/0.224，但要作中子衰变等修正。与观测结果相符。按Boltzmann分布TD1010 K质子、中子是两个能级。为什么？光子数与重子数相差10个量级原初核素成分的演化核素丰度的确定Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 nB/s 6.2 10-10相当于 B=(1.8 4.3)10-31 (g/cm3)核素丰度可以确定重子物质密度（可见物质密度）可见物质含量明确时间与

6、效率宇宙早期许多事情均发生在极短时间内。重要的是效率，而不是时间。从物理上看，效率决定于碰撞次数。宇宙早期，高温高密，碰撞十分频繁，正是高效时期，完全可以理解。例：煤燃烧高温高效。复合时代复合温度 Tr 3000 K(宇宙年龄38万年) 等离子体状态转化为中性原子气体 宇宙变成透明按 ，复合时代的辐射成为今天的2.7 K微波背景辐射。 微波背景辐射是什么？电视机屏幕上在没有节目时呈现的雪花噪声中就包含有微波背景辐射,无处不在！微波背景辐射是宇宙38万岁时从3000度的高温等离子体状态转化为中性气体而遗留下来的残留余辉，现在的温度只有约2.725度。它是宇宙中最完美的黑体辐射。微波背景辐射高度各

7、向同性19641965A.A. Penzias，R.W. Wilson：3.51.0 (7-cm处)From Scott Kay LectureCOBE FIRAS成果（J. Mather et al. 1990, ApJL, 354, 37）9分钟内即测得宇宙微波背景辐射的完整的黑体谱：196465这张图涉及两个诺贝尔奖COBEDMR成果(G. Smoot et al. 1992, ApJL, 396, 1)在不同的方向上，果然发现有10-5大小的温度起伏，不同的颜色代表不同的温度。这是所能看到的宇宙的最早图象。好比看到了“上帝”的脸。分辨率低。今天幼年微波背景辐射的各向异性：COBE（上）

8、；WMAP（下）全天图。WMAP的分辨率和灵敏度远高于COBE。Freedman & Turner, 2003, astro-ph/0308418COBE & WMAP25暴胀宇宙学19811982 GuthLinde2暴胀宇宙学总体上，大爆炸宇宙学十分成功。存在三大难题： 1）视界问题（因果性问题）； 2）平直性问题（几何）； 3）磁单极问题。一个重要预言。视界问题（因果性问题）与t的关系：Lhor(t)ct因果关系够得着的范围R(t)t1/2宇宙尺度因子（辐射为主情形）R(t)t2/3宇宙尺度因子（物质为主情形）Lhor随t的增长比R快tt0：nowtR：4105 yrtG：1036 sL

9、hor(t)1028 cm41023 cm3 1026 cmR(t)1028 cm1025 cm3 cm观测到的均匀在tG时包含(1026)3=1078个因果区暴胀示意平直性问题宇宙早期物质密度永远十分接近于临界密度！宇宙空间是平直的。为什么？除非有特殊机制保证如此！ 暴 胀磁 单 极应当存在不少，但未曾观测到过。暴胀机制可以有效将其稀释。“If you cant find them, dilute them.”暴胀的预言原来情况：今天的宇宙密度意味着早期密度有极高度的微调！暴胀的存在使之变得很自然。预言：在早期相当宽的情况下均要求今天的宇宙密度应非常接近临界密度，即： ，已为WMAP观测证实

10、。 宇宙加速膨胀的发现recent achievements3宇宙加速膨胀的发现（暗能量的提出）标准烛光与Ia型超新星宇宙加速膨胀的发现暗能量的提出：负压强宇宙物质成分观测结果： 可见0.04c （来自原初核合成） 可见暗 c 暴胀预言： totalc可见是重子物质，暗是暗物质。还应有什么成分？比较引力理论牛顿：广义相对论：物态： w0（非相对论）；1/3（相对论） 对于一般物质，w不可能是负的。宇宙常数相当于：w1 （Einstein）要加速必须有大的负压。新物理L.M. Krauss, Scientific American,1999减速加速38下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向

11、减速。39三种物质三种物质：普通物质（重子物质）；暗物质；暗能量。可以符合各种观测结果。拟合结果是：CMB功率谱（WMAP）G. Hinshaw et al, ApJS, 148(2003), 135红线代表最佳宇宙模型D.N. Spergel et al, ApJS, 148(2003), 175功率谱基波谐波极化1998-2003 : 和谐宇宙模型超新星微波背景辐射大尺度结构和谐一致可以看出，仅有可见物质和暗物质，不可能得到合理的结果。宇宙成分分配 Ostriker & Steinhardt, 2003, Science, 300, 1909暗能量：73%；暗物质：23%；发光物质：0.4

12、%（恒星和发光气体0.4%；辐射0.005%）；不可见的普通物质： 3.7%（星系际气体3.6%； 中微子0.1%；超重黑洞0.04%）A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509超新星微波背景辐射各向异性哈勃常数大尺度结构大爆炸核合成与宇宙常数接近结 语Inflation hasnt won the race, but so far its the only horse. Andrei Linde 2006年度邵逸夫天文奖$1,000,000Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt奖给宇宙加速膨胀的发现CO

13、BE、WMAP、SNIa：引用比较Mather, JC: 1990 ApJL, 354, 37-40 Times Cited: 303 COBESmoot, GF: 1992 ApJL, 396, 1 Times Cited: 1224 COBEBennett, CL: 2003 ApJS, 148, 1 Times Cited: 1315 WMAPSpergel, DN: 2003 ApJS, 148, 175 Times Cited: 2742 WMAPRiess, AG: 1998 AJ, 116, 1009 Times Cited: 2240 SNIaPerlmutter, S: 19

14、99 ApJ, 517, 565 Times Cited: 2256 SNIa 48 Before WMAPWMAPHigh precision 精确宇宙学的诞生Image Courtesy of NASA WMAP语 录 Using the forces we know now, you cant made the universe we know now. George Smoot现今宇宙学正处于一个重大的革命时期，正如哥白尼（N. Copernicus）的发现所带来的状况一样. Paul Steinhardt虽然我们还不知道暗能量是什么，但可以肯定地说，弄清楚暗能量将会对统一宇宙间的力和粒子提供至关重要的线索，而弄清楚它的途径要的是望远镜而不是加速器. M. Turner 语 录 续所谓暗物质、暗能量就是非常稀奇