陆 埮 中国科学院 紫金山天文台 南大－紫台：粒子、核、宇宙学联合研究中心 宇宙学研究的三个阶段 陆 埮 中国科学院 紫金山天文台 南大－紫台：粒子、核、宇宙学联合研究中心

物理前沿、科学前沿 按照Victor Weisskopf （1908－2001）： a）纵向：小到粒子；大到天体、宇宙 V. Weisskopf 1908-2001 按照Victor Weisskopf （1908－2001）： a）纵向：小到粒子；大到天体、宇宙 b）横向：从简单到复杂(生物)

人手的尺度在粒子与宇宙中间 Universe Quark－Lepton

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 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 1967 H．Bethe 核反应理论研究，恒星能源的发现 1970 H．Alfvén 磁流体力学中的基本工作和发现 1974 M.Ryle 综合孔径技术， A.Hewish 脉冲星的发现 1978 A.A.Penzias R.W.Wilson 宇宙微波背景辐射的发现 1983 S．Chandrasekhar 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 1993 R．A．Hulse J．H．Taylor 发现一种新类型脉冲星，开辟了引力研究新的途径 2002 R．Davis Jr. M．Koshiba 宇宙中微子的观测 R．Giacconi 宇宙X射线源的发现 2006 J．C．Mather G．F．Smoot 宇宙微波背景辐射黑体谱和各向异性的发现 3 4 4 5 10 9 4

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）。 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 使爱因斯坦放 弃宇宙常数 宇宙膨胀的发现 Hubble关系 Friedmann宇宙模型 Einstein 静态宇宙

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

1 大爆炸宇宙学 1946：Gamow

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。 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

10-35,-33 暴胀阶段 3分 核合成时代 38万年 复合时代 温度（K） 能量（eV） 时间（秒） 时代 物理过程 1032 1028 10-44 Planck时代 1024 10-36 大统一时代 10-35,-33 暴胀阶段 暴胀过程 1013 109 10-6 强子时代 1011 107 10-2 轻子时代 1010 106 1 中微子脱耦 5109 5105 5 电子对湮灭 105 3分 核合成时代 轻核素生成 3103 0.3 38万年 复合时代 微波背景辐射 4亿年 第一代恒星生成 再电离 星系 大尺度结构形成 2.7 310-4 137亿年 现代

核合成时代 为什么？ 中微子脱耦温度 核合成温度 TS 109 K 4He丰度： 光子数与重子数相差10个量级 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)D1/0.224，但要作中子β衰变等修正。与观测结果相符。 TD1010 K 按Boltzmann分布 质子、中子是两个能级。

原初核素成分的演化

核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2 核素丰度的确定 Burles, S. et al, astro-ph/9903300 2.610-10 <   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

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向同性 1964－1965 A.A. Penzias，R.W. Wilson：3.5±1.0 (7-cm处) 微波背景辐射高度各向同性 1964－1965 A.A. Penzias，R.W. Wilson：3.5±1.0 (7-cm处) From Scott Kay Lecture

COBE－ 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： 1964－65 这张图 涉及两个 诺贝尔奖

COBE－DMR－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）；WMAP （下）全天图。 WMAP的分辨率 和灵敏度远高于 COBE。 Freedman & Turner, 2003, astro-ph/0308418

COBE & WMAP 26

2 暴胀宇宙学 1981－1982 Guth－Linde

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） Lhor随t的增长比R快 t t0：now tR：4×105 yr tG：10－36 s Lhor(t) 1028 cm 4×1023 cm 3 ×10－26 cm R(t) 1025 cm 3 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 can’t 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。

宇宙加速膨胀的发现 recent achievements 3 宇宙加速膨胀的发现 recent achievements

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＝0.04c （来自原初核合成） 可见≪暗≪ c 暴胀预言： total＝c 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 新物理 要加速必须有大的负压。 牛顿： 广义相对论： 物态： w＝0（非相对论）；1/3（相对论） 宇宙常数相当于：w＝－1 （Einstein） 要加速必须有大的负压。 新物理

L.M. Krauss, Scientific American,1999 减速 加速 L.M. Krauss, Scientific American,1999

下图是上图的加权平均。清晰表明在高红移下偏向减速。

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：

基波 谐波 极化 功率谱 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 谐波 极化 功率谱

1998-2003 : 和谐宇宙模型 可以看出，仅有可见 物质和暗物质，不可 能得到合理的结果。 超新星 微波背景辐射 大尺度结构 和谐一致

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%（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%）

与宇宙常数接近 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 A. Melchiorri, et al, PRD, 2003, 68, 043509

结 语

Inflation hasn’t won the race, but so far it’s the only horse. Andrei Linde

Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt 2006年度邵逸夫天文奖 $1,000,000 Saul Perlmutter， Adam Riess， Brian Schmidt 奖给宇宙加速膨胀的发现

COBE、WMAP、SNIa：引用比较 Mather, JC: 1990 ApJL, 354, 37-40 Times Cited: 303 COBE Smoot, GF: 1992 ApJL, 396, 1 Times Cited: 1224 COBE Bennett, CL: 2003 ApJS, 148, 1 Times Cited: 1315 WMAP Spergel, DN: 2003 ApJS, 148, 175 Times Cited: 2742 WMAP Riess, AG: 1998 AJ, 116, 1009 Times Cited: 2240 SNIa Perlmutter, S: 1999 ApJ, 517, 565 Times Cited: 2256 SNIa

Before WMAP WMAP High precision 精确宇宙学的诞生

Image Courtesy of NASA WMAP

语 录 ◆ Using the forces we know now, you can’t 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的事物，这里面我想是可能引出基本物理学中革命性的发展来的……假如一个年轻人，他觉得自己一生的目的就是要做革命性的发展的话，他应该去学习天文物理学。 杨振宁

语 录 续 ◆现在对科学的最大的挑战，已不仅是那些已知的物质。因为在我们知道的物质之外，还有暗物质、暗能量。所以 我们要立足新的基础科学前沿，一定要将小的与大的联系 起来，这个方法可称为“整体统一”。我认为，“整体统一” 的科学方法，应该是21世纪最重要的科学方法。 　　　　　　　　　　　　　　 李政道

谢 谢 Thank you