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李淼的博客

惯性参照系

 
 
 

日志

 
 

院图演讲(续一)  

2009-04-18 16:50:40|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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那么,先解释一下第一个问题,为什么说我们会觉得这个很奇怪,暗能量很小,其实发现暗能量之前(因为发现暗能量之后,我们知道它不等于零),发现之 前的话,理论家觉得这个问题不是这么问的,为什么暗能量等于零?当时是问的这个事。现在把这个问题稍微换了一点,可是问题难度要大多了,等于零说不定还可 以解释,比如说用对称性,这在理论物理学家是经常用的。比如说我给一个最简单的问题,比如说我看到一个圆,我说这个圆为什么这么圆?用一个离心率刻画这个 圆,圆的离心率是等于零的,为什么这个离心率的数等于零?我们假定有转动对称性,就可以解释了。同样的宇宙学常数原则上也可以这么解释。

我们知道它难了,但是我们先问一下为什么它跟宇宙为什么这么大是一个问题,我们把Friedmann的方程拿过来,我们把牛顿引力常数拿过来,我们把它叫做Mp平方。

我们用这个方程解释一下吧!这个方程是可以解的,解了以后,我可以确定一个宇宙年龄,这个是跟物质密度的平方根成反比的。这个方程实际上是对“宇宙 为什么这么大”的一个回答。暴涨理论同样是这个方程,密度是一个常数,很大很大,不会很小,同样这个方程也解了,很简单,这个解了大家都做了,这是一个指 数解,你看H的话,是跟这几个常数有关的,这个数很大。如果说宇宙处于这个状态,我们说宇宙处于暴涨期,如果说膨胀了60倍的Hubble时间的话,整个 宇宙就变成e的60次方的大小,是非常非常快的。如果宇宙假定经过这个暴涨期,我可以把宇宙人为地加大,这边是暴涨的图象,当然暴涨要结束,如果暴涨不结 束的话,宇宙膨胀得太快太快了!要知道刚才的取代宇宙学常数的能量密度是非常高的能量密度,要结束的暴涨的话,一个最简单的做法就是用一个标量,宇宙会暴 涨,假定暴涨60个e叠,到这边来了,啪一下子掉下来了,我们可以解了,它会在这里面振荡,振荡的过程中,标量场会把自己的能量释放出来,我们叫辐射。在 这个过程中,宇宙变得有温度了,因为相对来说,气体是有温度的,一个简单的标量场是没有温度的,宇宙这个时候实际上是加热了,由于历史的原因就一直的停在 这里了,所以这个过程是再加热的过程,再加热的过程使得暴涨结束,而且宇宙开始有物质了。当然,随着宇宙膨胀,相对论性物质越来越少,一直变成我们今天看 到的东西。

这是从暴涨宇宙到宇宙大爆炸的过程。经常有人问,你的暴涨是不是就是宇宙大爆炸?实际上现代词汇当中这件事是不同的,我们通常说的大爆炸就是热大爆炸,认为是一锅气体开始的,热大爆炸实际上从这里开始的。

这是标量场滚动到势能极小的时候,释放能量为物质,由于物质的能量密度越来越小,所以宇宙变得很大。这里这里有一个猫腻,势能必须是等于零。在暴涨 时期我们人为的把宇宙学常数调到零了,而不是理论上你可以得到它等于零,所以虽然暴涨一定意义上解释了宇宙为什么那么大,但是它最多只解释了一半,另外一 半是指你用人工调节势能了,当然这个势能也不能小于零,如果小于零的话,宇宙最终将大塌缩。

现在就说另一半,就是我们把刚才的势能调到零,如果是零或者说不是零,它跟Planck标度相比,几乎等于0。宇宙学常数就是极小的地方,相当于宇 宙学常数,和自然的能量密度之比差多少呢?差了120个量级,这个是我们一直苦恼的事情,怎么样解释这个事情,你要是在这张ppt上打出来,我估计可能刚 刚好要打满,打120个零的话,这件事情是非常非常难以理解的,我人工的把这些势能调为零。

目前是有一些回答的,暗能量为什么这么小?但是这些回答都不满意,我们看看一些回答。举例子,我刚才讲了,发现暗能量以后,每一个人在这里面工作的 人如获至宝,这个到底是不是宝贝还不知道,也许就是垃圾。我们看看第一个宝贝或者说第一个垃圾是什么?一种可能就是标量场的势能极小严格等于零,但是还会 出现另外一个标量场,另外一个标量场正在滚动,这个标量场我们叫精质标量场,这个势能还没有达到极小。但是,要解释非常小的暗能量,(暗能量是芝加哥大学 的M.Turner提出的概念,因为不是严格的宇宙学常数),需要很小很小的耦合常数。实际上这件事情并没有解决我们要解决的事情。

再看看第二袋垃圾是什么?是这个,修改的方程,引力大尺度上是需要修改的,我们看到不是爱因斯坦左手边是跟(曲率)有关吗?我们再加一项,与曲率成 反比。加上这一项以后你发现也不自然,因为谬要非常非常小,差不多是10的负33次方电子伏,一个电子伏就是一个电子通过一个伏特所得到的量。

另外一个是人择原理,是说我们今天看到的世界不是偶然的,是因为我们人必须要出现,人类出现,必须给一个很好的环境,人类出现我们才会有这样的问 题,没有人出现,就没有爱因斯坦,也没有今天这么多人来问这些问题,回答这些问题。既然是环境决定的,环境要适合你的生存,我们开始问这个问题,而且这个 环境要有很多种可能,只有一种的话也不行。有许许多多亚稳态“真空”(如10的500次方个这样的真空),实现不同的宇宙学常数,我们的宇宙学常数这么小 与人类的存在有关。

还有一个就跟我自己有关的全息原理,是讲,如果我的理论里面有引力,那么,这个理论一定是全息的,换句话说,如果这个系统有引力,可以在这个系统表 面找一块屏幕,屏幕上构造一个体系,描述整个内部发生的情况。所有含有引力的系统都满足全息原理,一旦用上了以后,我们可以猜测,猜测能量跟这一块区域大 小的关系有一个公式,这个公式怎么来的?我就不讲了。

可以猜测的公式是这样的,在这一块区域里面,有一个这样一个公式,这个公式是非常漂亮的!如果我取这个尺度是Hubble长度,一代进去,这边是提 供右手,如果这边非常像左手,当然是暗能量,因为c最大的可能就是量级是1,比如说1.5,这么大小的一个数是最可能的,这似乎能够解释暗能量跟我们现在 总能量是差不多大的。

所以,全息暗能量似乎一举解决了暗能量的两个问题:

1,C=O(1) 全息暗能量密度大约等于临界密度。
2,暗能量和暗物质差不多大。

解决第二个问题的同时,暗能量完全正比于物质密度,所以状态方程和物质一样,不能使得宇宙加速膨胀!所以,还是有矛盾的,后来我在04年说不能用 Hubble长度作为我们宇宙的大小,而是用另外一个东西,就是视界半径,把视界半径放进去,这个跟Hubble长度完全不一样。

这样就解决了加速膨胀的问题,当然我提出这个东西是不是另外一袋垃圾,也是不知道的,这个也是由数据决定的,很可能是另外一袋垃圾,但是看起来它对 我们想解决理论问题好像有很大的帮助,比前面垃圾的帮助要大一点。现在这个理论问题在刚才我提出的模型当中变成什么样的问题?其实我前面讲了,视界半径大 约等于Hubble半径,没有问题,因为Hubble半径很大,所以物质密度和暗能量密度都很小。我们看到要完全解决暗能量的两个问题,暴涨宇宙论还是不 可避免的。

我提出了第二个问题,可是我没有解释第二个问题是怎么来的?第一个问题怎么来的大家很清楚了;第二个问题,为什么你问?我刚才说了,为什么暗能量的 密度是73%这件事情很奇怪。这就是宇宙巧合问题,为什么存在所谓的巧合问题,是这样的。如果我们空间没有曲率,那么,这个方程,我可以把它解出来,他们 之间的关系的确是成反比的。我把现在我们看到的物质能量密度大概也是10的负120次方,是一样的,代进去正好告诉我,宇宙离今天大约是100亿年。

一下子我们就知道,现在要解释现代的宇宙年龄或者说地球的年龄,需要这么这么小的能量密度,非常非常之小,小到什么程度呢?相当在一个立方米有两三个质子的大小。为什么宇宙间没有曲率?只需要一个东西,就是暴涨论,暴涨论把这两个问题都解答了。

可是假定由于某种原因,人类在100亿年左右才出现。有没有其他的地外文明?也许他们早就出现了,但是我们不知道。我们就要问,人类要在100亿年 出现,宇宙膨胀到今天,可是暗能量的话,和临界密度今天一样大,但是过去是不一样大,因为暗能量几乎是一个常数,可是我刚才画出来的,这个物质的密度是跟 立方成反比的,所以在过去要大得多。所以过去比暗能量大很多很多倍,10的50次方倍。为什么这样?这是宇宙巧合问题。

这个图是说物质是随着时间变的,暗能量是随着时间(几乎)不变的。正好在今天它们才变得差不多大,为什么?为什么今天这么特别?

我们看看前面的垃圾对第二个问题是怎么回答的?

1,用一个标量场,里涉及一点猫腻,做跟踪机制,但是早期要做微调的。
2,修改广义相对论,和没有回答问题一一样。

人择原理可以解释巧合问题,如果达到这个量级,那个时候宇宙或者说暗能量提供的斥力太大了,恒星形成不了,那么,人类怎么会产生,这个是肯定的。首 先,你还不要说我们人类需要太阳能,我们从人类身体结构里面就可以看到,人类的身体当中存在很多重的元素,这些元素是通过恒星来合成的,比如说超新星爆 炸,比如说太阳系,太阳在我们的太阳系当中肯定不是第一颗恒星,之前肯定有其他的恒星爆炸了。

我们看看全息能量是怎么样解释的?我们把这个全息暗能量倒过去演化,演化到物质开始产生的时候,你会发现那个时候的物质实际上就是辐射,暗能量应当 是辐射密度的10的负52次方倍,假定今天跟物质密度差不多大一个量级,那个时候小很多,我们要解释为什么那个时候暗能量那么小?很简单,因为暴涨时期, 全息暗能量会稀释,稀释的方式就是这样的。e的负2Ht 。

我讲的差不多了,下面给大家看一些证据,我不敢肯定暗能量存在,但是我可以肯定,暗能量所提供的效应是绝对存在的!但是不是暗能量引起的,不知道!比如说宏观尺度上,宇宙理论上修改爱因斯坦理论,使其变成一个怪怪的理论,我也可以模拟暗能量。

实验:第一类就是98年的两个小组实验,发现宇宙加速膨胀的实验,第二类是微波背景辐射的涨落谱;第三个重子声学振荡(BAO);第四类是X射线源的气体质量比重,第五类,Gamma射线爆。

看这个Hubble图,这是最早最早的一个Hubble图。这个上面的点很像很像,但是我们可以把它识别出来,像灯泡一样,比如说这个灯泡不是40 瓦,我可以识别出来,这就是校准的标准烛光,通过它的明暗度可以确定它离我多远。这是多普勒效应,大家都知道,多普勒效应和它实际离我们的距离,光度的距 离有复杂的关系,理论上可以给出来,但是实验上也可以给出来,然后我们把理论的东西拟合这些数据,确定这里面的参数。这个是超新星得到的证据,拟合的这条 线,今天的超新星,我正在跟学生讨论这个问题,给出来的参数非常非常怪。这些超新星给出来的大概是今天的物质。

当时最好的拟合,跟今天没有差太多,差了一点点,就是物质的密度占24%,这个是包括暗物质的。刚才最早给出来的是27%,暗物质加上可见物质,这些都是物质,物质占的比重是24%。

这边是画了另外一个图,这个图是这样的,这个圆圈是什么意思呢?如果这个数据纵轴是暗能量的比重,横轴是物质的比重。假定这两个数据落在第一个圆圈 里面,这里面的可置信度是很大的,就是一个sigma的范围,可信度68%。这些都是通过超新星画出来的。这条线是另外一条线,就是宇宙是平坦的一条线, 它跟他所交叉的就是在这里,就是在这边当然是最可信的,这是另外一种。这是讲的超新星的结果,是很老的结果,不必拿新的给大家看,因为这些是原始发现。你 有可能觉得跑到这里来的,咱们不管,因为当时的数据也不一定精确。

微波背景辐射是宇宙学大爆炸的重要支柱之一,这是60年代发现的,而且也获得诺贝尔奖了,微波背景辐射这件事情并不神秘,倘若你有条件把你们家周围 的无线信号都屏蔽掉,原则上你们家电视上可以看到很多很多微波背景辐射,并不离奇,电视里面一些杂音的话,也都包括微波背景辐射的。

可是微波背景辐射是满足爱因斯坦宇宙学原理的,这个跟我们看物质分布不一样,因为物质会成团,有太阳系和星系。微波背景辐射是非常均匀的。它的确存 在涨落,这个涨落就是我前面讲的暴涨宇宙论,暴涨时期产生的量子涨落,这个是非常非常长的故事,我不仔细讲了,就是实现一个标量场,那个量子场产生的一些 涨落被固定下来,通过一些很妙很妙的机制涨落成了经典涨落。我们通过观测、测量微波背景辐射的一些特性,可以反推过去的很多历史,包括很多的重要参数。这 个来测量,WMAP一年和三年的数据明确表明应该是暗能量,给出来整个物质的比重是29%,当然误差很大,是7%,可置信度68%。

这个是WMAP画出来的一个图,你可以看看。这个是叫WMAPext。

第三类的实验就是重子声学振荡,这是另外一个故事了,重子和光子的耦合导致声学振荡。宇宙还不透明的时候,光子跟重子是有耦合的,包括电子,这就导 致了声学振荡,那个时候,所有涨落都没有发展到非线性的区域,从而只依赖于宇宙学参数,非常干净的一个数字,振荡峰也会在星系谱中出现。这是一组大的实 验,包括望远镜,这些数据拿来可以看到星系分布里面的一些重子声学振荡的一些技巧,从这个图可以得出来,这是2006年Tegmark,一个很有名的科学 家,他们一组人当时得出暗能量占的份额是76%。

第四类实验是X射线源的气体质量比重,这里面有很多很多的气体,这些气体跟可见物质的分布是差不多大小的,所以说我们精确地测量它的丰度,我们可以 推测整个宇宙占的比重。这里又有一大堆的公式,这些公式咱们不管了。得到的结果是这样的,这个完全是气体的,有一些误差,即便是两个标准差范围内,它也不 是等于零的,这个实验是完全独立的。CMB更加独立,CMB是最好的,他们之间也有共同的区域,应该说暗能量的确是存在的。

最后我提一下Gamma射线爆,他们说Gamma爆是仅次于宇宙大爆炸的爆炸,它比超新星发出来的能量和功率要大很多很多倍,所以这样的天体爆发即 便很遥远我们也能够看到,我们现在能够看到遥远的Gamma爆都在非常非常远的。Gamma爆能否作为标准烛光目前还有争议,这个事情到现在还没有定论, 但是总是有一部分敢于吃螃蟹的,大胆地去做,假定是可以校准的,我可以发明自己的校准方法。这是最早的一个结果,这个最敢吃螃蟹的人。如果W0在-1里 面,他现在得到的结果是这样的结果,现在的结果也变了。但是基本上告诉我们暗能量是存在的!这个是完全单独的用Gamma爆,没有用其他任何的手段。

好,最后所谓最新的结果,Tegmark等人做的。

到结论了,“不论是理论还是实验上,暗能量将是未来的重大问题,还有很多工作要做。那我个人对动力学暗能量充满期待”。谢谢大家!

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