四章节宇宙演化与终极物理.ppt
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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,不同元素的物质发出的 光,其
2、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v 0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 = H r . 其中,哈勃常数 H = 728公里/秒百万秒差距. 宇宙膨胀 进一步的天文观测表明,星系间总是相互远离的。星系间 总是相互远离的这种天文观测结果,
3、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
4、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
5、 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-De Witt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
6、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 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
7、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
8、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电子构成的。但 很快就有人提出了这样的问题:原子核又是由什么构成的? 中子发现后,原子核的结构也就清楚了。原子核是由带一个 电子正电荷的质子和质量与质子相当的中子构成的。 在10-15米的原子核区域内,质子之间的库仑排斥力极大,万 有引力远没有库仑排斥力大,根本不可能把质子约束在原子核 这么小的区域内。那把质子约束在原子核内的力只能是一种新 的相互作用。这种相互作用极强,能克服库仑排斥把质子约束 在原子核那狭小的区域内。这种相互作用就称之为强相互作用。,弱相互作用,实验数据上也表明衰变的电子并不来源于原子核外各壳层 电子,只能来自原子核
9、。但根据1927年海森伯提出不确定性原 理,把电子束缚在的原子核那样小区域内,它的动量将有很大 不确定性,因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒;这 样,电子就不可能在原子核所占的区域内长时间存在。 中子发现后,这个问题得到了解决。原来中子是不稳定的。 实验发现,通常经过大约15分钟,中子就衰变成了质子和电子。 从衰变实验的能谱数据上看,造成衰变的相互作用不可 能是强相互作用和弱相互作用,因为这两种相互作用都显得太 强了。当然,也不会是万有引力,因为这又显得太弱了。费米 在1934年指出,这种力就应该是一种新的相互作用,并称之为弱 相互作用。,6、统一之路,1935年,汤川秀树提出了一种大胆
10、的理论。他认为,电磁相互作用是 通过交换场量子光子进行的。而质子与质子、质子与中子之间强相互 作用的核力也可以通过这种方式进行,它所交换的是一种质量约为电子 的200倍新的粒子。 1947年,英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发现了一种粒子,其质 量为电子的273倍,经反复检测,确定它正是汤川秀树所预言的介子,被 命名为介子 随着人造加速器的不断改进,人们陆续发现了、介子和共振 态粒子等许多粒子,其数目比元素的种类还要多。相应地,诸如同位 旋、奇异性等新的物理特性也被认识到了。面对如此种类繁多的粒子, 是否也能找到一种类似于元素周期律的规律来描述这些自然界的基本砖 块呢?而这四种相互作用是否也可
11、以象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统 一描述那样统一地描述呢?,质子和中子的统一描述,最初被拿来进行统一描述的是质子和中子。这两 种粒子除了一个带电一个不带电以外,别的物理性 质如质量、自旋等都是相近的。为此,海森伯认为 质子和中子在本质是同一种粒子,只不过有两种不 同的外在表现状态。为了描述这种粒子不同的外在 表现状态,海森伯引入了一种称之为同位旋的量子 数来描述。一种粒子的状态不同,其同位旋分量就 不同。如质子和中子的同位旋分量分别定为+1/2和 -1/2,三种介子+、-和0的同位旋分量分 别定为+1、-1和0。,规范变换,最早想要用统一地描述物理相互作用的数学方法 是德国学者H.外尔在191
12、8年提出来的规范变换。外 尔注意到,似乎象麦克斯韦电磁场理论这样的物理 规律不因在时空每一点上量度时空的尺度的随意选 择而有所改变,这种在时空每一点上量度时空的尺 度的改变称为定域规范变换。外尔试图应用定域规 范变换不变性原理来导出麦克斯韦的电磁场理论。 但外尔的尝试没有成功,其原因在于他所用的尺度 的变换只涉及时空自由度的改变,而电磁势的改变 则涉及物质的内禀自由度(电荷),这两种自由度 是不同的。,量子电动力学的规范变换,1925年量子力学建立后,海森伯等人就注意到,在量子力 学中有一种新的不变性:波函数整体的相位选择有着任意 性,相因子的改变 对力学量的观测值毫无 影响。如果波函数在时空
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