宇宙演化与终极物

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1、第四讲宇宙演化与终极物理王世恩1、光谱测量技术的发展1666年，牛顿的光三棱镜色散。通常的阳光，是由一序列不同波长的光组成的。1814年，德国天文学家夫琅和费(J.Fraunhofer)让太阳光先通过一狭缝，再由棱镜折射。这时，他得到的光谱还是带状的。只不过在连续分布的光谱中，有一些分离的暗线。这表明太阳的光谱中，欠缺了一些波长的光。而这些暗线称为“夫琅和费线”。1859年前后，德国化学家本生(R.W.Bunsen)和克希霍夫(G.R.Kirchhoff)注意到，不同的化学物质在炽热状态下发出的光似乎不一样。在拍摄的底片上

2、，不同元素的物质发出的光，其谱线数不同，位置也有不同。2、多普勒效应与多普勒红移多普勒效应频率为v的波源以速度vs背离观测者运动时，静止的观测者测量到这波动的频率就是相对论性多普勒效应对于光波，存在相对论性效应。若频率为v0光源是以速度v背离接收者而去，则接收者所接收到的光波的频率就为这种远离我们而去的光源其频率降低、波长变长的现象称之为多普勒红移。3、哈勃定律与宇宙膨胀哈勃定律一个星系的退行速度与这个星系离我们的距离成正比，即v=Hr.其中，哈勃常数H=72±8公里/秒•百万秒差距.宇宙膨胀进一步的天文观测表明，星系间总

3、是相互远离的。星系间总是相互远离的这种天文观测结果，只有用宇宙是在膨胀的假设才能解释。宇宙大爆炸如果将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论的场方程可以得到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个点爆炸产生的，这就是所谓的宇宙大爆炸。宇宙微波背景辐射宇宙大爆炸的理论在1965年得到了一个偶然观测结果的有力支持。这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶然测到了一种均匀来自天空各个方向的射电辐射。这种辐射只相当于3K左右的物体的热辐射。而这正是1948年伽莫夫根据大爆炸理论预言的宇宙微波背景辐射。伽莫夫通过计算推出，宇宙大爆炸后，随着

4、宇宙的膨胀，宇宙的温度逐渐降低。宇宙膨胀到现在，其温度不会超过5K，并且作为宇宙的背景进行辐射。4、宇宙的演化与量子演化动力学宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。不久前用大M理论(膜理论)，曾得到了另外一种可消除奇点的宇宙大爆炸模型。该模型说的是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜的碰撞引起的。但宇宙空间在演化着却与任何一种理论都不冲突。对于宇宙的演化，我们可以注意到，不只是宇宙空间的演化，还应包括宇宙所含内容的演化。如恒星、行星以及各种天体的运动，地球上各种生物种群的不断演化，分子、原子的运动，各种基本粒子的产生与湮灭，我们日

5、常生活中所能看到的各种运动与变化等等。量子演化动力学理论我们发现，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一种特殊的因子即时间演化算符作用在能描述场构型空间的标架上进行的。这种场构型空间可看成是宇宙的本底。如对于引力场，由于时间平移不变性所给出的Hamiltonian的限制，从而可得到著名的量子引力方程Wheeler-DeWitt方程。上世纪90年前后，雅各布森、斯莫林和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发现了时空的量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间的演化机制。同时也明确说明，时空具有量子结构。微观粒子的量子动力学机制考

6、虑一个粒子在两个已经发生的时空事件(xa,ta)和(xb,tb)之间的演化，其机制实际上是由一个由时间参量t表征的所谓演化核即时间演化算符作用在类空的闵可夫斯基场构型空间的标架上实现的。作用的结果为时空的量子映象，这种子映象在整个时空的综合，就反映出了粒子在时空的表象，也就是所谓的波函数(x，t)，它也正是量子动力学方程的解。换句话说，描述微观粒子的量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空的闵可夫斯基场构型空间标架上的演化行为。波粒二象性和量子跃迁的量子演化动力学机制量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间的综合量子映

7、象，反映的就是所谓的量子波动。而量子演化在泛函构型空间中的一种实在反映正好表现的是微观粒子经典动力学行为，这也正是我们能直观看到的波粒二象性中的粒子性表现。量子演化动力学也可以说明微观粒子的量子跃迁机制。如对整数或半整数空间，时间演化算符作用的结果是±1或0。而这正是量子跃迁的法则。目前，自然界中的基本相互作用是一种什么样的机制也正是量子演化动力学的研究重要方向。5、自然界中的基本相互作用引力相互作用引力相互作用由爱因斯坦的广义相对论引力场方程刻划。电磁相互作用电磁相互作用由麦克斯韦的电磁场方程组刻划。强相互作用强相互作用

8、是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克之间的相互作用，由SU(3)规范场来刻划。弱相互作用弱相互作用是造成大多数粒子衰变的一种相互作用，它与电磁相互作用一道，可由SU(2)×U(1)规范场来刻划。强相互作用英国物理学家卢瑟福1911年提出了原子的核式结构模型后，人们知道了原子是由带正电的原子核和核外的