在宇宙学教学中引入自发暴胀理论

1、在宇宙学教学中引入自发暴胀理论一、引言为了实现“厚基础、宽口径、强能力、高素质、国际化”的 人才培养目标， 在我国大学物理课程教学中引入一些前沿物理的 基本概念和发展情况十分必要。 在大学物理课程教学中， 我们应 当根据各个学科专业的特点， 结合这个学科理论、 应用的发展趋 势，对大学物理课程的教学内容进行一些改革， 以便将基础课程 学习和专业学习乃至以后的科学研究结合在一起。 只有这样， 才 能在这个知识爆发的年代， 让学生了解科研前沿， 走向科学一线。 这篇文章中， 我们结合宇宙学专业特点， 考虑在大学物理课程教 学中引入自发暴胀理论的基本概念和发展情况， 尝试大学物理基 础教学内容与宇宙

2、学专业的最新发展相结合， 让大学物理教育走 向前沿，当今科研状况的需要。自发暴胀宇宙是宇宙学中最近发展的一套模型 1 ，它是宇 宙学的标准模型 A CDM模型2-3之后的进一步研究，它参考暴 胀宇宙而提出来的宇宙学自发暴胀理论， 基于一些未完整的量子 宇宙模型 4-5 ，利用玻姆理论，给出了真空可以自发暴胀的结 果。并且这个模型还包含了真空粒子产生机制， 并给出了宇宙学 微扰产生机制及理论结果 6 。下面介绍如何在各个课程教学中 引入对应的理论。二、在量子力学中引入玻姆理论德布罗意 - 玻姆理论是一种量子力学的一种解释方案，亦称因果性诠释( Causal Interpretation )、存在

3、性诠释 (OntologicalInterpretation )、玻姆诠释、玻姆力学( BohmianMechanics )。它由路易 ?德布罗意初创，戴维?玻姆重新发现并与巴席 ?海利( Basil Hiley )等合作者做进一步扩展而成的理论 7-8 。德布罗意 - 玻姆理论是一种非局域的决定性的隐变量理论。 它避开了量子力学中非决定性的难题， 但是引入了非局域性。 在 该理论中， 系统某个量与它的对偶量可以同时决定， 所以可以用 明确的轨线( trajectory )描述其运动，但对于这些量的测量， 依然必须遵守不确定性原理，也就是说，它将时间确定、等时的 不确定性转变成了时间上的不确定

4、、 等时的确定性。 粒子依然满 足波函数形式，但是通过与量子势( Quantum potential )的交 互作用， 表现出非局域的整体性， 其中量子势是波函数作用中与 经典势能不同的那一部分。波函数与薛定谔波动方程演化一样， 但是测量不坍缩。 该理论的计算结果可以与传统统计性量子力学 的结果一致。最近有文章表明 9 ，玻姆理论可以等价于传统的量子力学 理论。但是由于其包含的一些想法超越了量子力学， 比如波函数 不坍缩和确定性理论。所以它可能在更小的尺度以及量子引 力？ 7.(12)碌睦砺邸？三、在量子场论中引入真空粒子产生机制盎鲁效应（英语： Unruh effect ），也译作安鲁效应，

5、是 1976年由威廉?盎鲁所提出 10 ，这个效应说的是一名加速运动 的观察者的真空观测结果与惯性参考系中观察者的不一样， 对于 惯性系而言是真空状态的系统对于加速系而言会观测到黑体辐 射。这样，加速运动的观察者会发现自己处在一个有温度的背景 中，他会在各个时空点探测到辐射。物理上来说，惯性参考系中 观察者所看到的真空态， 在一名加速参考系的观察者看来则是处 在一个有温度的平衡态中。真空产生粒子的粒子还有霍金辐射（英语： Hawking radiation ），它是以量子效应理论推测出的一种由黑洞散发出 来的热辐射。此理论在 1974年由物理学家史蒂芬 ?霍金提出 11 霍金辐射理论可以给出一

6、个黑洞蒸散的机制， 这让黑洞这一奇怪 的东西变得不那么奇怪。这些真空粒子产生机制其实都源于弯曲时空的量子理论， 或 者说来源于加速系与惯性系之间的变换问题。 在弯曲时空中， 会 存在视界问题， 即光都跑不过的区域。 但是这些区域可以通过加 速系变换变成平直时空，但是这时真空不会简单的还是变成真 空，它会通过一个伯格柳伯夫变换变成有温度的背景， 于是真空 就产生了粒子。而弯曲时空的量子理论也与量子引力密切相关， 这方面的学 习有助于理解和解决这个问题，所以它非常重要。四、在宇宙学引入量子宇宙概念量子引力， 是对引力场进行量子化描述的理论， 它是当今物 理学最大的难题。 它的研究目标是尝试结合广义

7、相对论与量子力 学，解决当前的物理学尚未解决的问题。当前主流理论有：超弦 理论、圈量子引力理论。黑洞问题、宇宙产生问题、量子力学测 量问题，这些都在一定程度上吸引物理学家去构造引力理论。现在早期宇宙的研究中，比较确定的是A CDM模型(英语：A CDMModel 或 Lambda-CDMModel),它是所谓 A-冷暗物质(Cold Dark Matter )模型的简称。它是大爆炸宇宙学中的索引模型， 这是因为它尝试解释了对宇宙微波背景辐射、 宇宙大尺度结构以 及宇宙加速膨胀的超新星观测。 它当前能够对这些现象提供融洽 合理解释的最简单模型。它被认为是宇宙学中的标准模型。但A CDM模型再之前

8、的宇宙还没有定论，但是总体来说都认 为有一个暴胀的过程。“暴胀”一词，最早于 1980 年由美国物 理学家阿兰 ?古斯提出 12 。这个理论认为有某个东西，它推动 宇宙在早期暴胀，而在暴胀过程中，一些量子涨落，经过暴胀会 放大至宇宙级大小， 成为宇宙结构成长的种子， 这解释了宇宙大 尺度结构的形成。暴胀解释了许多大爆炸宇宙学中的一些难题， 比如为什么宇宙在各个方向都看起来差不多， 也就是各向同性问 题；还有为什么宇宙微波背景辐射会那么均匀分布， 不均匀性只 有总体的千分之一； 还有为什么宇宙平直性问题以及磁单极子问 题？F在的暴胀机制尚未明确，有暴胀场推动暴胀理论、真空暴胀理论等理论。 其中真空暴胀理论基于惠勒 -德维特方程， 惠勒 -德维特方程是一个描述宇宙波函数必须满足量子引力理论 的方程，它蕴含了一些量子引力的模型。所以这方面的学习，对 宇宙学前沿研究有重大的意义。五、总结量子引力是目前物理学