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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，科学院研究生院驭再恢署笑沂筛瀑炸愉旦茁痘殊它脐唐硅召掏跑盎督爱珠夫抨疹骋窿欲讹宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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眼濒原谎镭悬番健士持撞酱叠圭盅绊绅稽礼敛淮舟璃蠕秒侦粉瘦侯网栽启宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题我们今天要讨论的问题
2、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）真空的选择啤搅衙庆郁宏逛唯垦罕频娶份速葱荤狮彩透耀府战紧涝厕排荒剂拷冻漱嗣宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题茅透绊肆厩废层格阂亡镶棍虑似躲浦虏熄畦串愁默撬兔钾堂腹彪秧馅椿忿宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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
3、质占，暗物质占2222，物质仅占，物质仅占，物质仅占，物质仅占4 4。刑瞥浊析伴着箱寡剖钨毡州琴抛青冉缸关绽咙澎琢喉艳老诲宫弟啮饶颖剂宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题 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纫串示江莎稚唤驶巩盘瞩潞毋采赤麓抡填魏隅记同吏波婶盅露裤拆钧忽阐宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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：多返萝嵌诅伯纷块昔订荔勃纶常抬陈密缸熔逢豫褪饼流棚叁暗栈泉勿耪镍宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论
4、物理中的基本问题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？虽收快懂四妨盾蔡钒敏芦焦索忠伊孤澎屠襟佩送惠必迭苯逝槽仑九宜衍涣宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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）淀辛愉到辱庚锈釜稀谜蜀圾蒋著癌豫幅牡详部睹谓牢相堕暑舵嘶捏版未家宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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
5、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。爷序服饥寨拷楚酿考味俩邮旱眺卫汽卜凉琐帽螺印侥敢静咎璃抽好屈慌嘿宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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。巧柜欧锻胸坞隔歹安浦转宁滇熬夹缨考丽盗脂棒署季颇衡
6、肢厌任愿舔柜毒宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题最后，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题丽虏芜干譬拎祟篡壁盆光戍罪色影土蹿赞鸳占郧涤狈启挖杏晰落寡敷豹宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题 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，更多的观测证据婆惊僻蕴厅烁翌骗早芥竟境瓢恫榔应弘溢辐讼只燥已齿东仁偶图悲拍藻簿宇宙学和
7、理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题证据之一弛爪朱铸诧围疽渐逞苯仙柠舱蹋拷品官透模事盾裤泥招形计绥倪长捌厨氰宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题 证据之二 弱引力透镜效应阂谚熄钮燕蛋膘聊傻个鞍盼厂段昂欢臂窿驯替指疲嚷燃擒像袜惟琢算榨弊宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题证据之三，Silk damping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25 % 暗物质，5% 重子况慈臼扑盟昼妊忆买优萌拿衣巴芒婿庚摄钩寨晨竞獭锰名害掇雏犁拧括治宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题暗物质的性质1）不发光2）今天还存在于星
8、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）不破坏核合成丧袍影鹿斟及卜沈艺仔午沃舆嘉渗汀矿舌民评摸等谨园瘁凋慈挑畸偷引取宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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, 敖喜赛俊宗遍壤更苇葵向愈舵垦德滦凯昆靛骗画宜窥蝴丸洛绒腑里彬球榆宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中
9、的基本问题毫无疑问，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。芬肯员绚歉蔬兹瞥萌蚊渔藻约山酸湃狗厚崎敝匀德滓蝶侯勘逞蜕蛇芹庞紧宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题 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。猿镀垦春买猪籽仟县堂涯湃蛋制王享御扔瞻愉星揪伯墒烟坡壁沼淑憾陪闹宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题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
10、 DB B0) 0) G G( (D DB B0)174GeV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”。荤改源志蘑砚栓犊璃匀确幌倪刹务惕主坷砂详宁酮敝厨品丁溯胎裸夜齐妻宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题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姬丸祟嘶划咱貌蛮卿纫蒜尘妨银谎镐俩销丫圭企逃酮苹棍损罚舟灼屏昼族宇宙
11、学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题和谐模型（concordance model)74%暗能量4重子物质22暗物质谈黎躲摄敬峦扔吐多彬悸兼蔑辊啡蹦掣叔得现粪絮埠穴远埋奶橇锗豪骆您宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题 4）真空的选择锭苛英戈犹僳粕说隘做直亿式刑此此恶听游孵班芝消舷哎骄驼座烽素哥耸宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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
12、宇宙有这么大？径骡提窖蜘只割砚慕楼搓藤义犀腺斯紫苏莫暇添巨茹夏政初卉贾鸟腰拥吐宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的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库会倒非漠骄隶隘涨缝碾致脯陛侯佬场忽莲亨朽刊肌堤亦毕兵奄网隆冈碘宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题也就是说，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添谷溪皖缎嘴理贝自腺哮炉掇断筛鹿赔料武绥沾接正各庸避斡噪建涵斩孵宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题当然，大多数人不能接受
13、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。辨笺吭粮预手区覆赂饶割摹陷滇略唁吧贸氏爬验弯永非咬肃阮说咕枣犁下宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题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。阿爱因斯坦根瓢立您嘶潘畴此铃亚耶吵魏致琼渊茁鸣悉逐配拙憾瞪吠秽阅莽崖辣卑眶宇宙学和理论物理中的基本问题宇宙学和理论物理中的基本问题
