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： 爱因斯坦的广义相对论和宇宙学的开端。 核物理和宇宙学中轻元素合成。 宇宙学对中微子代数的限制。 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

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％。 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： 微波背景辐射的功率谱 星系团的功率谱 弱引力透镜效应 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 damping, 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+WMAP 25 % 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, ……

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:  G(DB>0) > G(DB<0) 可能的物理 重子数不对称 CP 破坏 非平衡过程  G(DB>0) > G(DB<0) 可能的物理 质子衰变 CP破坏

老的大统一解释： 大统一肯定破坏重子数守恒。 大统一能标上的粒子X衰变 新观察到的直接CP破坏过程 ε’ ： 大统一的解释存在磁单极问题。

标准模型 在标准模型中 B不守恒，但B-L守恒。 T>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”。

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L 2）“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

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