宇宙学和理论物理中的基本问题

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1、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

2、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

3、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(anthropicprinciple)。（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，‘tHooft2004年在北京说的话也许是有先见之明的，就是，我们拥有的是100wrongtheoriesaboutdarkenergy.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（Silkdamping

4、,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，Silkdamping.证据之四，宇宙微波背景辐射Boomerang+WMAP25%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,grav

5、itinos,……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: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

6、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L2）“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（concordancemodel)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

7、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