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1、宇宙学和理论物理中的基本问题李 淼 中国科学院理论物理研究所2006年全国博士生学术论坛，科学院研究生院宇宙学从一开始注定和理论物理联系在一起，我们可以 列举下面的一些例子：1) 爱因斯坦的广义相对论和宇宙学的开端。2) 核物理和宇宙学中轻元素合成。3) 宇宙学对中微子代数的限制。4) 暴涨宇宙论和量子场论的关系我们今天要讨论的问题都是理论物理中没有解决的问题：1）暗能量2） 暗物质3） 物质的起源（重子不对称的起源）4）真空的选择宇宙中的暗组分最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能 量占总能量的74，暗物质占 22，物质仅占4。1）暗能量暗能量的发现：1998年，两个研究Ia型超新星小组宣布发现暗能
2、量暗能量被认为是宇宙膨胀加速的原因。Ia型超新星就像 路灯，它们看起来比过去的“标准宇宙学”预言的要更 加远离我们：暗能量的存在也得到其他宇宙学观测实验的支持：1. 微波背景辐射的功率谱2. 星系团的功率谱3. 弱引力透镜效应4. 实验室的直接测量？暗能量的性质？1）宇宙学常数（真空能）2）标量场的能量（quitessence, phantom, ）3）爱因斯坦广义相对论在大尺度上的修改4）密度不均匀性的结果5）暗能量理论上的两个基本问题1）暗能量为什么这么小，因为真空零点能的贡献和场 论的截断有关，最通常的估计是2）暗能量为什么不为零，而且和暗物质密度差不多 （宇宙学巧合问题）。上百个机制被
3、提了出来，但没有一个得到公认。暗能量问题基本上是一个量子引力的问题。目前存在的模型大致可以分为以下五类：（1）超对称/超引力，超弦理论。 （2）人择原理(anthropic principle)。 （3）调节机制。 （4）改变爱因斯坦引力理论。 （5）量子宇宙学。最近出现第六类理论，就是所谓的全息暗能量理论。最后，我想说，t Hooft2004年在北京说的话也许是有 先见之明的，就是，我们拥有的是100 wrong theories about dark energy.我们研究暗能量正如盲人摸象2）暗物质1933年，Zwicky就提出了暗物质的概念。1968年，Silk（Silk dampin
4、g, 密度涨落消失）1974年起，更多的观测证据证据之一证据之二弱引力透镜效应证据之三，Silk damping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25 % 暗物质， 5% 重子暗物质的性质1）不发光2）今天还存在于星系和星系团中3）大爆炸发生后就存在，大于重子密度4）相互作用非常微弱5）不破坏核合成暗物质到底是什么？1）不可见重子（有很多问题，不大可能）2）中微子，困难：不容易集团，质量需要大于20ev，Sterile中微子的可能性存在3）新粒子处于平衡态的粒子：neutralinos, Kaluza-Klein, 处于非平衡态的粒子：axions, gravitinos
5、, 毫无疑问，要回答暗物质到底是什么的问题，我们不能 仅仅依靠宇宙学观测。明年就要完成建设的欧洲大型强子对撞机（LHC）很有 可能发现暗物质粒子。3）物质的起源宇宙中有大约4的物质，但没有反物质。物质的起源和正反物质不对称有关。Sakhanov条件：重子产生的条件: 重子数不对称 CP 破坏 非平衡过程 G(DB0) G(DB174GeV时，B和L被“清洗”。目前两个方向：1）弱电重子合成。2）“轻子合成”。1）弱电重子合成 (Kuzmin, Rubakov, Shaposhnikov)开始的时候，B=L=0通过一级相变达到非平衡状态产生不为零的B和L2）“轻子合成” (Fukugita, Y
6、anagida)从L不守恒的过程产生不为零的L场论中的反常将不为零的L部分转换成不为零的B和谐模型（concordance model)74%暗能量4重子物质22暗物质4）真空的选择真空的选择可以说是理论物理和宇宙学的终极问题，内 涵包括：1）时空为什么是4维的？2）物理学常数为什么是这样的？ 相互作用强度 粒子的质量3）宇宙学参数为什么是这样的？ 为什么能量有三种组分？ 为什么密度涨落是这么大? 为什么宇宙有这么大？例如超弦理论解释说，时空是10维的或者是11维的，之 所以有宏观的4维时空，是因为Landscape也就是说，基本理论中允许很多不同亚稳态真空存在， 我们的宇宙不过是很多可能宇宙
7、中的一种。Multiverse当然，大多数人不能接受landscape和multiverse这样的 理论。一个正确的真空选择的解答需要更多的理论和实验方面 的工作。前面三个问题可以看成真空选择问题的三个侧 面。不能是弦论也好，还是其他什么基本理论也好，需要面 对的是正面回答我们前面讨论的三个问题，以及给出一 个合理的真空选择机制。My religion consists of a humble admiration of the illimitable superior spirit who reveals himself in the slight details we are able to perceive with our frail and feeble mind. Albert Einstein仰慕无边的造物主用具体细节揭示她的存在，而我们卑 微的理解力可以理解这些具体而微细节，这就是我的宗 教。阿爱因斯坦
