现代宇宙学 陈学雷 (雷子).

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1 现代宇宙学 陈学雷 (雷子)

2 上下四方曰宇, 古往今来曰宙 现代宇宙学之开端: Einstein 模型 (1920) 宇宙的膨胀 (1930) 大爆炸理论: 核合成与微波背景辐射 ( ) 暴涨冷暗物质模型与大尺度结构 ( )

3 Einstein 前的宇宙观 牛顿时空观 恒星与银河 哥白尼原理 但是: Olbers paradox Jeans swindle

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6 Einstein 模型 广义相对论与弯曲时空 G = 8 GT 宇宙学原理: 宇宙在大尺度上是均匀各向同性的 静止有限无边的宇宙
宇宙学常数 G = 8 GT + g

7 有限无边宇宙

8 膨胀的宇宙 Alex Friedman Edwin Hubble

9 Mt. Wilson 天文台

10 Hooker 100 inch 望远镜

11 螺旋星系 M31 仙女座大星云

12 椭圆星系 M87

13 不规则星系 大麦哲伦星云

14 红移 =0 (1+z) v = H r

15 Friedman-Lemaitre-Robinson-Walker 模型
如果假定宇宙是均匀各向同性的, 则宇宙空间的几何有三种可能性: 封闭球形, 平直, 或者双曲. 观测表明宇宙在膨胀 宇宙动力学由物质组分决定 (Friedman equation) H2 = 8G/3 + /3 – k/a2 相对密度:  = /(3 H2 / 8G) = /total Le Maitre

16 The Big Bang 原始火球理论: 宇宙既然膨胀, 上溯以往, 宇宙必曾处于一高密度高温度状态. 稳恒态理论: 宇宙膨胀, 同时
物质不断创生, 宇宙永远处于同一状态. Gamow

17 大爆炸核合成 (BBN) 宇宙中什么元素最多? 占百分之多少? 氢 (H) ~ %76 宇宙中什么元素次多? 占百分之多少?
宇宙中什么元素最多? 占百分之多少? 氢 (H) ~ %76 宇宙中什么元素次多? 占百分之多少? 氦 (He) ~ %24

18 核合成理论 (Alpher, Bethe, Gamow () 1954):
早期宇宙处在热平衡态 (T > 1010 K, t < 1 sec) n  p + e- +  +n  p + e- e+ +n  p +  宇宙膨胀, 温度降低, 弱相互作用停止 (T ~1010 K, t ~ 1 sec) 温度下降到 109 K (3 min), 核合成开始, 中子和质子结合成氘, 再通过链式反应形成 氚, 氦3, 氦4,锂7, 铍7 30 min, 密度下降, 反应停止. 铍7 衰变 (52 天), 氚衰变(12年) 其他元素: 在恒星中或超新星爆发合成

19 微波背景辐射 (CMB) Alpher, Herman, Gamow (1948): 核合成时应该有大量光子, 今天应该依然存在, 温度约 5K. Doroshkevich, Novikov Zeldovich (1965) : 应该可以用 Bell 实验室的卫星通信实验天线观测到. Dicke, Peebles, Wilkinson (1965): 开始寻找

20 Penzias & Wilson

21 黑体辐射谱

22 大尺度结构 Jim Peebles

23 Sakharov & Zeldovich 密度扰动功率谱

24 结构形成的数值模拟

25 星系形成

26 微波背景辐射的各向异性

27 宇宙太极 偶极各向异性

28 COBE 卫星

29 测量宇宙的几何

30 Boomerang experiment  = 1.02 0.05

31 WMAP, 2003

32 暗物质 宇宙中暗物质约为可见物质的五倍 Fritz Zwicky

33 螺旋星系的旋转曲线

34 暗物质是什么? 暗物质不是重子物质 暗物质不是反物质 暗物质不是MACHO (包括黑洞) 暗物质不是中微子 对暗物质的一些猜测
超对称粒子 neutralino 轴子 axion

35 怎样找暗物质 直接探测: 单原子反冲 间接探测: 冰川下的来客 Amanda

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37 宇宙的加速膨胀与暗能量 一般物质由于引力使宇宙膨胀减速, 引起加速膨胀的必须具有正能量和负压强 (反引力, 斥力, 暗能量 ...):
: Einstein’s blunder?

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41 暗能量是宇宙学常数吗? 宇宙学常数是真空能量 真空能量为什么这么小又不等于0? (比最小的对称破缺尺度小 1048 倍) 真空能量为什么刚好在今天约等于暗物质量? 人择原理? Steven Weinberg

42 如果暗能量不是宇宙学常数, 它又能是什么? 标量场 quintessence?

43 宇宙之起源: 暴涨 Dicke 问题: 1. 宇宙为什么非常平坦? 2. 宇宙为什么均匀各向同性? (视界问题) 磁单极问题:
3. 为什么宇宙中的磁单极这么少? 暴涨: 宇宙极早期 (~ sec)加速膨胀 Alan Guth

44 暴涨理论的预言: 可观测宇宙是平坦的 暴涨把微观的量子涨落拉长到宏观尺度, 形成原初扰动, 此扰动为高斯密度扰动 扰动谱接近 Harrison-Zeldovich: n =1 引力波  = 1.02 0.05 (n ~ 0.95 )

45 混沌暴涨 (Andrei Linde)

46 未来的理论 高维空间? 量子引力? 超弦? 膜世界?