主题：理论物理学术讲座--A.W. Beckwith

内容简介:  将讨论宇宙早期熵与遗迹引力波和暗物质的关系。同时还将讨论宇宙早期熵与大爆炸宇宙学模型的关系，特别是与大爆炸宇宙学模型各种相关初始条件的内在联系。

个人简介：A.W. Beckwith博士现为美国费米国家加速器实验(FNAL,或称为费米国立加速器实验室)研究员,美国空间物理委员会和空间天体物理委员会研究员,美国粒子束推进研究组成员,美国高频引力波科学团队成员。其研究领域涉及高能物理,粒子物理,广义相对论,宇宙学,凝聚态物理,超弦等. 近期的工作还包括早期宇宙熵的演化效应和高频遗迹引力波效应等课题。2008年作为美国费米实验室代表参加了欧洲筹建新一代高能加速器委员会的工作。

A.W. Beckwith博士前段时间已来过一次，这次（12号到重大）将进一步与理论所相关老师讨论关于遗迹引力波理论研究及实验探测的更深层次的细节问题。

欢迎对天体物理，粒子物理以及相关实验研究感兴趣的同学积极参与!

欢迎校内外专家、学者光临!

 
宇宙的熵及其与时间箭头的关系: 目前大家基本相信自然界是CPT守恒的（C-charge, 正反粒子对称性；P-parity，宇称即左右对称性; T-Time, 时间对称性即演化方向对称性）由于高能物理实验已基本证实CP是破坏的（虽然其效应相当微小）, 因此时间是有箭头的即有方向性。这与我们通常的接触到的观念很不一致，这主要是因为在我们所处的普通物质世界中是感受不到如此微小的差异的。宇宙的熵增加的方向即为时间演化方向。(推荐阅读书<<时间之箭>> [英]彼得·柯文尼　罗杰·海菲尔德　著 江涛　向守平　译)

遗迹引力波：按照暴涨模型理论，宇宙在大爆炸后应该有一急剧膨胀的暴涨期，这种暴涨形成的引力波可以一直延续到现在，即所谓的遗迹引力波。科学家早于20世纪60年代就测到了宇宙微波背景辐射，它被看作是大爆炸的遗迹。其实这一背景辐射只不过始于大爆炸后的30万年，此时物质（粒子）与辐射脱耦（即相互分开），原子开始形成，光线才能摆脱粒子的束缚而自由地通过空间。若沿时间再往前看（30万年前），粒子与辐射混合在一起时，宇宙呈现一片混沌，我们只能看到雾茫茫的一片，找不到任何真实的信息。而在引力波天空中，始终响着嗡嗡的背景声，那是宇宙创生的回音，这才算得上是大爆炸的真正遗迹。理论家认为，最早的引力波产生于创生后的10^{-36}秒，它在宇宙空间传播，既不被物质吸收也不被散射，故它携带着宇宙创生的真面目。

 
暗物质：在宇宙学中，暗物质是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质。人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在。暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％，暗物质占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性，对结构形成也非常关键。暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子。对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题。第一次发现了暗物质存在的证据大约65是年前。当时，弗里兹·扎维奇（Fritz Zwicky）发现，大型星系团中的星系具有极高的运动速度，除非星系团的质量是根据其中恒星数量计算所得到的值的100倍以上，否则星系团根本无法束缚住这些星系。之后几十年的观测分析证实了这一点。尽管对暗物质的性质仍然一无所知，但是到了80年代，占宇宙能量密度大约20%的暗物质以被广为接受了。最被看好的暗物质候选者：1、中性子（neutralino）­,一种超对称模型中提出的粒子；2、轴子（axion），一种非常轻的中性粒子（其质量在1μeV的数量级上），它在大统一理论中起了重要的作用。

宇宙为什么加速膨胀？以及暗能量的出现。暗能量的发现过程极富戏剧性。按照宇宙大爆炸理论，在大爆炸发生之后，随着时间的推移，宇宙的膨胀速度将因为物质之间的引力作用而逐渐减慢，就像缓慢踩了刹车的汽车一样。也就是说，距离地球相对遥远的星系，其膨胀速度应该比那些近的星系慢一些。但1998年，美国加州大学伯克利分校(UC Berkeley)物理学教授、劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)高级科学家索尔皮尔姆特(Saul Perlmutter)，以及澳大利亚国立大学布赖恩施密特(Brian Schmidt)分别领导的两个小组，通过观测发现，那些遥远的星系正在以越来越快的速度远离我们。这样一个完全出乎意料的观测结果，从根本上动摇了对宇宙的传统理解。那么到底是什么样的力量，在促使所有的星系或者其他物质加速远离呢？科学家们将这种与引力相反的斥力来源，称为“暗能量”。但“暗能量”到底意味着什么？暗能量无处不在，无时不在，由于我们对其性质知之甚少，所以科学家还不清楚如何在实验室中验证其存在。惟一的手段，仍然是通过天文观测这种间接手段来了解其奥秘。对Ia类型超新星(supernova)的爆发进行观测，则是目前最主要观测手段。这种超新星是由双星系统中的白矮星(white dwarf)爆炸形成的，亮度几乎恒定。这样，通过测量其亮度，就可以知道其和地球之间的距离，进而了解其速度。借助哈勃这样灵敏的天文仪器的帮助，我们至少可以观测到90亿光年之外，即了解宇宙在90亿年前的信息。霍普金斯大学教授阿德姆瑞斯给我们展示的最新“暗能量”场景如下：在大爆炸后的初期，宇宙经历了一个急速膨胀阶段。此后，由于暗物质以及物质之间的距离非常接近，在引力作用下，宇宙的膨胀速度开始减速。然而，至少在90亿年前，宇宙中另外一种力量——表现为排斥力量的暗能量已经出现，并且开始逐步抵消引力作用。随着宇宙的膨胀，不断增长的暗能量终于在大约50亿至60亿年前超越引力。此后，宇宙从减速膨胀，转变为加速膨胀状态，并且一直持续至今。

很好的讲座，参加。

因报告中含有夸克-胶子等离子体等概念,因此作一简单介绍(均为转载).

夸克-胶子等离子体：现有宇宙理论认为，宇宙形成于距今约120亿至150亿年前的一次“大爆炸”。宇宙“大爆炸”后的极短瞬间会形成超高能量密度，这使得一种称为“夸克—胶子等离子体”的物质能够在约10微秒（1微秒为百万分之一秒）的极短时间内充斥宇宙，然后再凝聚结合形成原子核等物质。但迄今科学家们还难以对这一理论假设进行检验。欧洲核子中心的最新研究成果使得科学家们能够验证“大爆炸”数微秒后的宇宙景象。这项重大突破不仅使物理学的研究疆域拓展至接近宇宙诞生初始，而且对考察宇宙的起源、物质的本性以及对验证现有的粒子物理标准模型等都有重要意义。近代物理学研究认为，原子的构造单元是质子和中子等亚原子粒子，而亚原子粒子又由夸克等更微观的基本粒子构成。夸克间通过强力作用组合成质子和中子，而这种强作用力主要通过另一种名为胶子的基本粒子来传递。通常情况下，夸克由于受到强作用力而被子约束于原子核尺度内，自身无法独立存在(即夸克禁闭)。但现有一些理论假设认为，足够大的能量和温度应该能拆解质子和中子，并使夸克和胶子重新结合形成所谓“夸克—胶子等离子体”。“夸克—胶子等离子体”是与质子和中子不同的另一种新型物质形态。为了拆除束缚夸克的强作用力，参加“重离子”计划的科学家利用重离子(如铅,铜离子等)互相撞击产生的超高能量进行实验。通过对多年实验的数据进行综合分析（主要基于相对论重离子对撞机RHIC实验），科学家最近终于发现，在重离子的碰撞中有新的物质形态产生，其特征与理论预测的“夸克—胶子等离子体”的很多特征相符。欧洲核子研究中心的公报指出，新成果证明了现有的一些对夸克间基本作用力的预测是正确的，同时也是在了解宇宙早期演化方面向前迈出的重要一步。另外，LHC/ALICE是21世纪初国际上一项重大实验科学项目，目标也是探测新物质形态——夸克胶子等离子体（QGP）存在的信号以及在超高能区核核碰撞的新物理现象。

AdS/CFT对偶理论(98年初发展起来的最新理论)中,高维的引力(或超弦),表现为低维的超Yang-Mills场论(标准模型就是一种Yang-Mills场论). 具体地说, AdS_5 x S^5时空上的超弦理论对应于 4维N=4的超Yang-Mills场论.在这一过程中,如果我们设想前者为现在的超弦理论,后者为现实世界,维数似乎不是一个很令人苦脑的问题.超弦理论最大的特点是,时空坐标是以场量的形式出现的,而不象一般的场论中时空坐标是参数空间.在广义相对论中没有量子化的问题,无论是场量还是参数空间都是经典的,即使是Hawking的"量子引力"也只能称为弯曲空间量子场论.超弦的量子化就是说,场量(时空坐标)被解释为态空间的算符.  正是因为时空的意义有了很大的变化,其维数也不再是经典意义下空间的维数了.如果以前的科学家发现了一种新的场(粒子)你不会太惊讶,现在超弦理论说时空是10维的,基本上是同样的意义. 最典型的例子是四维的N=4超对成Yang-Mills，这个理论有严格的共形不变性(conformal invariance,该不变性有着广泛着的应用)，因为耦合常数不随能标变化而变化，所谓的beta函数为零。这个理论严格等价于一个10维时空中的弦论，其中5维是anti de Sitter空间，另5维是球面。当规范理论处于一个有限温度时，所对应的态在弦论中就是一个“黑洞”，更准确地说是3维黑膜。

夸克-胶子等离子体II：在强耦合时，QCD的等离子体很类似于超规范理论中的等离子体，但要求温度在一个适当的范围：温度要足够高，这样色禁闭就不复存在，但也不能太高，否则耦合就不会很强。这是利用AdS/CFT来研究等离子体的重要条件。我们要记住，RHIC上产生的等离子体不是4维时空中的黑洞，否则有可能出现麻烦。的确，在RHIC建造之前，就有人担心黑洞在碰撞过程中产生，从而吸收周围的物质越长越大，引发可怕的灾难。这种灾难出现的可能性很小，因为我们知道，太阳系中不断有来自太空的高能射线，这些高能射线也可能产生黑洞。不管产生了没有，我们可以肯定的是灾难没有发生。一个体积无限大的等离子体在AdS中可以等效地看成黑膜，其视界也是3维的，而垂直于视界的一维是量子维度，根本不是我们的宏观世界中的维度，所以这个黑膜不是我们时空中的黑膜，我们不用担心灾难会发生。RHIC上产生的等离子体是很小的，不是一个严格意义上的热力学系统，从而不严格对应于黑膜。如果我们可以忽略有限尺度效应，我们还是可以用黑膜来计算一个我们想要的物理量。喷注淬灭的物理图像很简单。理想的情况是，将一个带有动量的色荷打入等离子体，由于等离子体对色荷有粘滞效应，这个色荷很快失去能量，也就是说，将能量耗散在等离子体的流体中去了，就像我们将烧红的烙铁插如冷水中，很快凉了下来。实际的情况是，一对正负色荷在等离子体中产生，在色荷运动的过程中，带动更多的色荷产生，而色荷最终由于禁闭效应不会单独地离开等离子体，离开的时候强子化了，表现为喷注(jet)，所以我们将这种现象称为喷注淬灭。有趣的是，不论规范理论是什么（从N=4的超Yang-Mills理论到QCD），切变粘滞系数(shear viscosity)与熵密度之比有一个普适的下限，这个下限是1/4pi，在N=4超Yang-Mills理论中恰好是这个值。对于一个辐射气体，谁都会算熵密度，而过去我们以为胶子夸克等离子的熵密度也容易算，因为相互作用比较弱，其实这是错误的。在N=4超规范理论中，强耦合极限下的熵密度是无相互作用气体的熵密度的3/4。