宇宙学和理论物理中基本问题市公开课金奖市赛课一等奖课件

宇宙学和理论物理中基本问题李淼中国科学院理论物理研究所全国博士生学术论坛，科学院硕士院第1页第1页宇宙学从一开始注定和理论物理联系在一起，我们能够列举下面一些例子：爱因斯坦广义相对论和宇宙学开端。核物理和宇宙学中轻元素合成。宇宙学对中微子代数限制。暴涨宇宙论和量子场论关系…………第2页第2页我们今天要讨论问题都是理论物理中没有处理问题：1）暗能量2）暗物质3）物质起源（重子不对称起源）4）真空选择第3页第3页宇宙中暗组分最近观测宇宙学资料，宇宙中暗能量占总能量74％，暗物质占22％，物质仅占4％。第4页第4页

1）暗能量暗能量发觉：1998年，两个研究Ia型超新星小组宣布发觉暗能量第5页第5页暗能量被认为是宇宙膨胀加速原因。Ia型超新星就像路灯，它们看起来比过去“原则宇宙学”预言要愈加远离我们：第6页第6页暗能量存在也得到其它宇宙学观测试验支持：微波背景辐射功率谱星系团功率谱弱引力透镜效应试验室直接测量？？第7页第7页暗能量性质？1）宇宙学常数（真空能）2）标量场能量（quitessence,phantom,……）3）爱因斯坦广义相对论在大尺度上修改4）密度不均匀性结果5）……第8页第8页暗能量理论上两个基本问题1）暗能量为何这样小，由于真空零点能奉献和场论截断相关，最通常预计是2）暗能量为何不为零，并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问题。第9页第9页当前存在模型大体能够分为下列五类：（1）超对称/超引力，超弦理论。（2）人择原理(anthropicprinciple)。（3）调整机制。（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，就是所谓全息暗能量理论。第10页第10页最后，我想说，‘tHooft在北京说话也许是有先见之明，就是，我们拥有是100wrongtheoriesaboutdarkenergy.我们研究暗能量正如盲人摸象第11页第11页

2）暗物质1933年，Zwicky就提出了暗物质概念。1968年，Silk（Silkdamping,密度涨落消失）1974年起，更多观测证据第12页第12页证据之一第13页第13页

证据之二弱引力透镜效应第14页第14页证据之三，Silkdamping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25%暗物质，5%重子第15页第15页暗物质性质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，不小于重子密度4）互相作用非常微弱

5）不破坏核合成第16页第16页暗物质到底是什么？1）不可见重子（有诸多问题，不大也许）2）中微子，困难：不容易集团，质量需要不小于20ev，

Sterile中微子也许性存在3）新粒子－处于平衡态粒子：neutralinos,Kaluza-Klein,……－处于非平衡态粒子：axions,gravitinos,……第17页第17页毫无疑问，要回答暗物质到底是什么问题，我们不能仅仅依托宇宙学观测。明年就要完毕建设欧洲大型强子对撞机（LHC）很有也许发觉暗物质粒子。第18页第18页

3）物质起源宇宙中有大约4％物质，但没有反物质。物质起源和正反物质不对称相关。第19页第19页Sakhanov条件：重子产生条件:重子数不对称CP破坏非平衡过程 G(DB>0)>G(DB<0)也许物理质子衰变CP破坏第20页第20页老大统一解释：大统一必定破坏重子数守恒。大统一能标上粒子X衰变新观测到直接CP破坏过程ε’：大统一解释存在磁单极问题。第21页第21页原则模型在原则模型中B不守恒，但B-L守恒。T>174GeV时，B和L被“清洗”。当前两个方向：1）弱电重子合成。2）“轻子合成”。第22页第22页1）弱电重子合成(Kuzmin,Rubakov,Shaposhnikov)－开始时候，B=L=0－通过一级相变达到非平衡状态－产生不为零B和L2）“轻子合成”(Fukugita,Yanagida)－从L不守恒过程产生不为零L－场论中反常将不为零L部分转换成不为零B第23页第23页友好模型（concordancemodel)74%暗能量4％重子物质22％暗物质第24页第24页

4）真空选择第25页第25页真空选择能够说是理论物理和宇宙学终极问题，内涵包括：1）时空为何是4维？2）物理学常数为何是这样？－互相作用强度－粒子质量3）宇宙学参数为何是这样？－为何能量有三种组分？－为何密度涨落是这样大?－为何宇宙有这样大？第26页第26页比如超弦理论解释说，时空是10维或者是11维，之因此有宏观4维时空，是由于……Landscape第27页第27页也就是说，基本理论中允许很多不同亚稳态真空存在，我们宇宙不过是很多可能宇宙中一个。Multiverse第28页第28页当然，大多数人不能接受landscape和multiverse这样理论。一个正确真空选择解答需要更多理论和试验方面工作。前面三个问题能够当作真空选择问题三个侧面。不能是弦论也好，还是其它什么基本理论也好，需要面正确是正面回答我们前面讨论三个问题，以及给出一个合理真空选择机制。第29页第29页Myreligionconsistsofahumbleadmirationoftheillimitablesuperiorspiritwhorevealshimselfintheslight