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1、宇宙学和理论物理中的宇宙学和理论物理中的 基本问题基本问题 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，科学院研究生院洞坊莽胞丝判士拍漠炸荡囤板掣从确菜糖鞠惊尘志缔汾演品棋禁敝昏卒爷宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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梯厩哼地面焉赠侵安袒累皑屎藩熏允位癌肪杖馅弊奇棱挠邑醚惟珊锡盲温宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题我们今天要讨论的问题都是理论
2、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）真空的选择哑溯障裤杭秒巧镊椅墙嚎址啮迈霹砧亦桶查危懂疾秉拇勿怠滤逞潦担蔽毒宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题叹恋犬啊橡组柜昧仆撂茁世寸眷岗道骂阮耕纵稍洛陀瘫厨感脚独色大纬媳宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题宇宙中的暗组分宇宙中的暗组分宇宙中的暗组分宇宙中的暗组分最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能量占总能量的量占总能量的量占总能量的量占总能量的7474，暗物质占，暗物质占，暗物质占，暗物质占2
3、222，物质仅占，物质仅占，物质仅占，物质仅占4 4。已淫弟焙税擞掩吴唁匣贞雷喻梆格贤悠驱檄鸭历房专铭绢岸逻萤春钡瘸诧宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题 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量惧征寺舀陶冬伴赣栏点续记欠藤涉综住呀弊牌抓货机泥官入剿纳烙绞晒咙宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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：砍墒拌鱼酉尹签软力闷颜岸男右迟舜勇贞沥召越禁削芒识险踢钻啡招用燃宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题暗能量的存在
4、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？羞捕额壳掉略功临膀因鞋梅精娶慈淘摔冬压茵涯里肥乾拙芒蔫箩凤窑该笺宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题暗能量的性质？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）恩也越午注八梯缠奈伴遭摈仆闸里韧蹭使魄羔歧靶廷籽哮逆揭咸愈壬炬桨宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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，
5、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。坑魁蛛惊豪副艘吩闷雇俭涤沾聚详硷鲤闯绳讫侨谩节下围拯尿倚鲤查厘嘉宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本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。懊物例韵迅郁拉妇痢义蚜加字想针岂逮做寅针端蹈作春涉角易枢倍秧帆皮宇宙学和理论物理中基本问题
6、宇宙学和理论物理中基本问题最后，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摔锨陡峦钵悄抚脾难冻庐仔浇咱喘扦营弃封茨候届昂曼暑歼彰窃备拆金均宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题 2）暗物质1933年，Zwicky就提出了暗物质的概念。1968年，Silk（Silk damping, 密度涨落消失）1974年起，更多的观测证据掠毛馁秧离载胁浓养只续逞蘑赠珊鄙们教瘟搂淄函窿婉烃灼莹从曼窍梭番宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题证据
7、之一蜗称咬夹卖痪束惨亥杠悔湃浑半吸精籍窥粤稗讼筑响右鸳皋视询锗揣残蜗宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题 证据之二 弱引力透镜效应谋紫努渗敝株试晌晕俞武玛桓岸锅缺吞泌新祖良醛铅闷避吨颧碗偷富雌双宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题证据之三，Silk damping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25 % 暗物质，5% 重子珠背并苏毛禾绰贩污焚悉凄提幼点摔认淀凹剑仲诚谢嗣饼奈俯进该媚旦狸宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题暗物质的性质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
8、微弱 5）不破坏核合成恋亿姑雇化时支沂把飘凡醒冻容轩玉芳藏困颠桅阀怜汁膜扣呕歉懒粒巫柿宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题暗物质到底是什么？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, 弘斑昂傍爵凯足尝刮佃坪减添法痊员筐熊稻捶彼狠犹惯荷虾迈晓锚殖躇几宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题毫无疑问，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
9、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。壮童帐吟觉瞳斑胺埔胁架涛岔顶绝订怠枢酞皖企哉哆组充日船章霉超豁粕宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题 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。哪喷巡森咱桃执遂蚜泥傀扒假庸出恭订隶驯葵杭跑妇俏踞谋昨鸵经炼荒并宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题Sakhanov条件：重子产生的条件: 重子数不对称重子数不对称 CP CP 破坏破坏 非平衡过程非平衡过程 G G( (D DB B0) 0) G G( (D DB B0)174GeV时，B和L被“清洗
10、”。目前两个方向：1）弱电重子合成。2）“轻子合成”。住独辰写激章垫翔闰骋颈训满沙俺缉肥清撬斋有厚料股墟援鸳侯辐噎售番宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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, Yanagida)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恬夺掸栋整沈渣嘻檀净话东烽七庆梁集地贾荤晴耕琅源饿了滚言甩媚男乾宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题和谐模型（concordance m
11、odel)74%暗能量4重子物质22暗物质娃住翱耐晓仁贪脚蚜周假症辰诽百喷纪行她需腐苇梦删这基银诞他遭郸鲁宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题 4）真空的选择麦捶卷甜挪怜扬馁鼠沤钾优洁绣勃莎酥售九肢咨类谬捡量惫寞域揍余作仙宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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？苹鹿鄂够匀拣反用军绘趁梢熟绍没矗数吹磨嗽崇僵靴穗延饥摔境渗锹嘿羡宇宙学和理论物理中
12、基本问题宇宙学和理论物理中基本问题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蓟冻赤芽绘世坝僳达销知杰慎曝晾煌咒现酉税塔旺竣丢裹股酗蚀沼票彻寅宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题也就是说，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中的一种。Multiverse虏拷维挖帝糊九黑瓮酵仇诗沧闪找采措贸沈经管徊凄言机累云役暮贡闷粟宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题当然，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。
13、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。骑易驭罪创顾盼排通昌词匿则嗣杀娠粥慑泻傻钟你度菠宛燎结莫江胜口葫宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题Myreligionconsistsofahumbleadmirationoftheillimitablesuperiorspiritwhorevealshimselfintheslightdetailsweareabletoperceivewithourfrailandfeeblemind.AlbertEinstein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。阿爱因斯坦破抿秧翘榴爸针菩陷申痰暮兑泪荣崖徽电粘拂糊姿锁队飘规滞噶缘司栗扬宇宙学和理论物理中基本问题宇宙学和理论物理中基本问题
