分类 '宇宙学' 中的文章


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编写难题的价值


2009年6月18日, 星期四

从菜头那里看到他注册MSN,比我早了近一年。我的注册时间是

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(《科学新闻》专栏,勿转。杨杨同学对本文亦有贡献)

大约两年前,四部委组织的“一万个科学难题”开始就编写工作征集问题。首批组织编写的包括数学、物理和化学,据说现在数学卷已经在市面上有售,想来物理卷不久也该出版了。

物理学卷将分两部分刊出:第一部分类似科普,每篇文章介绍一个具体方向;第二部分才是“难题”。 所谓一万个难题,并没有一万个,就像《十万个为什么》,也没有十万个,不论一万还是十万,是个虚数。我数了一下,一共有450多个难题,这个数字,与一万相去甚远,却又远远大于希尔伯特问题的个数23。

物理学卷的主编是葛墨林老师,我是负责宇宙学那部分的编委。通过这次和葛老师合作,我学会了一些东西,特别是拓展自己的眼界以及利用资源。

其实,征集难题主要还是编委们完成的——至少在我看到的“物理难题”这块,只有很少一部分是来自各大学的人员自愿提出并撰写,其中能入选首批出版的就更是少了。老实说,宇宙学的“难题”很多是我个人想出来的,当然我也利用了一些参加会议的机会和来自国外的学者讨论过。也有一部分难题是一些撰写者自己提供的,比如宇宙学的近邻天体物理,负责这方面的编委是卢炬甫老师。

有些人可能会(实际上已经)质疑:以中国目前的水平,我们能够编写科学难题吗?

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10000个科学难题∙物理学卷


2009年6月11日, 星期四

我参加了一万个科学难题物理学卷的编委,这本书本月中旬就要出版发行了。

我知道对编辑这本书有很多不同意见,即使如此,我觉得做这件事本身对写条目和读者来说正面意义还是比较大的。

我负责宇宙学部分,感谢那些为这部分写了文章的人。有部分文章不会在这一卷出现,但我们期待后面有新的一卷。

目 录
《10000个科学难题》序
前言
导入篇
宇宙学的黄金时代 李 淼 (3)
等效原理——物理学的基本原理 张元仲 罗 俊 (12)
牛顿反平方定律及其实验检验 罗 俊 (20)
射线暴能源 陆 埮 黄永锋 (30)
宇宙标准尺——重子声波振荡 张鹏杰 (41)
太赫兹波及其应用 曹俊诚 (48)
有粒子数反转与无粒子数反转激光 高锦岳 (52)
声学斗篷的隐身机理和物理实现 刘晓峻 程 营 (60)
声孔效应的物理模型 刘晓宙 程建春 (64)
金属玻璃中的科学 王永田 汪卫华 (69)
金属铁磁性的起源 田光善 (73)
量子蒙特卡罗模拟中的负符号问题 张世伟 赵汇海 向 涛 (81)
量子测量问题与量子力学诠释 孙昌璞 (86)
具有绝对保密性的量子密码通信 龙桂鲁 (95)
量子态及其隐形传送 张天才 (101)
相对论量子信息 蔡建明 周正威 郭光灿 (109)
量子质量标准 张钟华 (117)
光钟 ——用光波定义“秒” 马龙生 (129)
探寻核子结构 佘 俊 马伯强 (137)
原子核是否存在手性 孟 杰 (142)
原子核的滴线和核素新版图 叶沿林 曹中鑫 (150)
原子核的晕现象 孟 杰 周善贵 (155)
什么是湍流世纪难题? 佘振苏 (163)
反应扩散系统中螺旋波的失稳机制 欧阳颀 (175)

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关于全息暗能量(附:韩文博文,关于北京与Horava)


2009年5月26日, 星期二

昨天看到曾经获得理论物理博士学位,现在在做应用研究开发的“吊床物理学家”Johannes Koelman的博文:

Holographic Dark Universe

该博文讨论全息暗能量。打开一看,我本来以为他有什么新想法,原来还是类似2000年Scott Thomas就有的想法。

先看量子场论是如何估计真空能量密度的。在量子场论中,一个最小的空间胞的体积是l_P^3,其中l_P是普朗克长度。普朗克长度出现在这里很“自然”,因为单从量子场论的角度看,我们没有理由不相信普朗克长度是量子场论成立的最小尺度。如果我们认为的确可以有这个最小空间体积,那么在这个体积中的一个量子的最大能量是M_P,其中M_P是普朗克质量,在自然单位制中,能量密度就是M_P^4,一个非常大的量。

那么,宇宙学观测告诉我们什么?暗能量或真空能量密度和临界密度是一个量级,也就是M_P^2H^2,H是哈勃常数。哈勃常数比普朗克质量小大约60个量级,所以量子场论允许的真空能密度比观测值大120个量级,这就是Koelman嘴里的物理学家们的euphemistic statement:宇宙学常数问题。我想起翟永明的一本书,叫《最委婉的词》,宇宙学常数问题是物理学家最委婉的提法吧。

用Koelman的形象说法,暗能量密度大约是一个一千公里立方体内含有一个普朗克能量(10^{-5}克)。

将公式M_P^2H^2中的一个M_P变成普朗克长度倒数,H变成宇宙大小L的倒数,这个公式告诉我们,在体积l_PL^2之内,有一个普朗克能量。我们再看Koelman如何建议从量子场论的l_P^3过度到l_PL^2的。这需要将两个普朗克长度因子变成两个宇宙尺度因子。第一步,根据全息原理,宇宙中的自由度个数不是一个宇宙体积含有很多普朗克体积,即L^3/l_P^3,而是Bekenstein-Hawking自由度个数L^2/l_P^2,这样,我们就将一个普朗克长度变成了宇宙尺度。进一步,每个自由度的能量不该是普朗克能量,而是其Compton波长为宇宙尺度的能量,这样就将第二个普朗克长度换成宇宙尺度。这个想法,早在2000年,Scott Thomas已经有了。而我们最近的全息气体的想法,就含有这个建议。

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祝贺王一、冯朝君、宋玉书、宋伟同学


2009年5月21日, 星期四

祝贺他们四位顺利通过博士学位答辩!

四位同学是我的学生,王一的另一位导师是陈斌,王一、冯朝君提前一年毕业,宋玉书、宋伟按时毕业。

王一即将去McGill University做博士后,冯朝君将去上海师范大学工作,宋玉书将去清华高等研究中心做博士后,宋伟将去Harvard University做junior fellow。

今年是我们组“丰收”的一年,我祝他们未来一路走好。

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普朗克卫星


2009年5月11日, 星期一

(以下是《新发现》专栏,勿转)

数年来,高能物理学界和宇宙学界最为期待的是大型强子对撞机的启动和普朗克卫星的发射,因为这两大实验和观测仪器将可能分别给两个领域带来革命性的发现和变化。

大型强子对撞机的启动和普朗克卫星的发射本来都计划在去年完成,前者因一些磁铁故障推迟到今年九月份,后者也被一再推迟。普朗克卫星本来推迟到4月29日发射,又被推迟到5月14号。现在,普朗克卫星和她的姐妹卫星赫歇尔卫星已经被装载到Ariane五号火箭,预期格林威治时间5月14号下午1点12分发射,发射地点是欧洲航天港法属圭亚那(位于南美的北海岸)。赫歇尔卫星和普朗克卫星发射后很快分离,独立地飞往目的地。它们的的目的地都是所谓的第二拉格朗日点,位于太阳和地球的连线上,但在地球轨道的外侧,距地球一百五十万公里,比月亮还要远得多。其实,普朗克卫星的科学前任,美国的WMAP卫星早己在第二拉格朗日点上运行7年多了。我们没有必要担心这些卫星会碰撞,因为它们不在严格的第二拉格朗日点上,而是在围绕第二拉格朗日点的轨道上。在发射之后的三个月内,普朗克和赫歇尔将到达第二拉格朗日点。

赫歇尔是一台远红外望远镜,高7.5米,宽4米,望远镜直径为3.5米。其科学目标是宇宙早期的结构的形成,以及最早的恒星和其它红外线源。赫歇尔也将观测银河系内的一些非常冷的目标,如形成恒星和行星的星际气体,甚至彗星、行星和卫星外围的气体。

普朗克卫星的科学目的比赫歇尔更加“基本”。它是WMAP的继承者,所以主要科学目标是测量宇宙大爆炸的遗迹微波背景辐射。更加准确地说,是测量微波背景辐射微弱的涨落。普朗克卫星预计至少工作14个月。

我们知道,微波背景辐射的温度大约是2.725开尔文,已经获得诺贝尔奖的COBE卫星在上世纪90年代初探测到微波背景辐射的涨落,即温度在不同的方向略有不同,涨落只有十万分之一。这些涨落是如何产生的?流行的理论是非常惊人的:在物质产生之前,宇宙经历了一个急速膨胀时期,这个时期虽然非常短暂,但宇宙被放大了10^{26}倍。这个过程叫做暴涨宇宙,虽然暴力和乏味,但在这个过程中产生的微弱的量子涨落因为引力的原因被固定下来,成为后来微波背景辐射涨落的起源和一些结构的起源(包括星系和星系团)。为了验证这个理论,WMAP已经运行了近8年,收集了大量的数据。这些数据支持暴涨理论,却不能完全肯定暴涨理论是正确的。原因很简单,虽然我们获得了大量的宇宙婴儿期的信息,这些信息没有多到可以让我们看到确切无误的暴涨过程。即使如此,WMAP的结果已经帮助宇宙学家们计算宇宙年龄,暗物质的比重,暗能量的比重和一些其他重要宇宙学数字。

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暗能量是突然冒出来的?


2009年5月8日, 星期五

最近,我和黄庆国、李霄栋以及王爽写了一篇文章,文章题目和上面的题目类似:

Did Dark Energy Suddenly Emerge At Redshift z ~ 0.331

无疑,我们当了一回标题党,就像王爽所说。

这篇文章的主要结果是,暗能量似乎是在红移等于0.331时突然冒出来的。这个红移对应的宇宙年龄是多少?大约是90亿年,考虑到现在的宇宙年龄是137亿年,这是大约50亿年前,恰好在地球形成的时候(地球的年龄大约是46亿年)。

这是基于哈佛斯密逊天文台Hickens等人发布的397颗超新星数据得到的结果。这个结果很惊人,因为没有人能够想到任何物理机制可以解释这个现象。但是,现在完全没有必要认真对待这个结果,因为我们的误差还很大。在大约(略大于)一个标准误差左右,我们还是可以回到“标准答案”的,即暗能量一直没有变化过。

我以前曾提到过Starobinsky等人的文章

Is cosmic acceleration slowing down?

其实我们是看了这篇文章之后想到要认真研究一番的。这篇文章已经看到在红移0.3附近,暗能量快速变化了,只是作者们没有明显提这件事,他们强调暗能量最近在变小。

Starobinsky等人用了所谓的CPL参数化,大概就是用红移展开暗能量状态方程指数。这个参数化效果并不很好。我们开始的时候试图改进这个参数化,想到的就是文中用的分段拟合,或者假定在红移每一段状态方程参数是个常数,或者假定暗能量密度在每一段是个常数,得到的结果非常吻合:暗能量在红移0.33附近突然从几乎0跳到今天的值。

另外要提到的是,哈勃常数在Hickens等人的工作中被设成65km/s Mpc。而在也是昨天贴出来的Riess等人的工作中,他们号称将哈勃常数确定为74k/s Mpc。我不知道哈勃常数的改变会对结果有多大影响(当然要同时调整超新星数据)。Riess等人的工作也被ScienceNews所报道

特别感谢李霄栋和王爽两位同学一个多月来的辛苦工作。

必须强调这是单纯用超新星数据得到的结果。如果加上重子声学震荡和WMAP的数据,结果很不同,说明三种数据之间存在张力。

未来的实验会澄清我们的结果是不是暂时的,以及如何消除三种数据之间的张力。

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没有消息就是好消息


2009年5月3日, 星期天

已经谣传了一段时间,FERMI/GLAST关于正负电子对的观测否定了ATIC和PAMELA的结果,这当然是坏消息。理论界在PAMELA的结果之后已经写出了150篇文章。

黄庆国同学昨天告诉我,FERMI/GLAST要在美国物理学会的四月会议上公布最新结果,我以为是坏的。后来看到Jester博客的文章All eyes on Denver,我更加以为结果将证实谣传。

今天看到ScienceNews的消息称,正负电子的反常还存在,但新的结果不能说明这些反常是来自于暗物质,还是点源。

ScienceNews的消息没有怎么谈伽玛射线的结果,就像Dimopoulos一样,我很关心这些结果,因为前段时间的结果表明高能光子有时间延迟,但还不清楚这个延迟是来自于基本物理还是天体物理效应。(“We are all looking forward to seeing the analysis of the gamma-ray data,” says Dimopoulos)

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花车乐队的分析报告


2009年5月1日, 星期五

关于所谓的Horava-Lifshitz gravity(也许这个gravity存在于多宇宙的一个数学自洽性不被尊重的patch ;) ),我自己不能做详细分析,因为我自己没有研究过,虽然我读了Horava的文章。

今天组会让高显同学做报告,我的印象是:

1、还没有人证明过这个理论是可重正的-所以我前面说数学逻辑可能没有得到足够的尊重。

2、至少出现一个新的标量模,该模与物质耦合没有得到研究,从而我们不知道这个理论是否与已知的实验如太阳系内的实验相容。我个人naive地觉得应该还有一个多出来的模,也许没有。

3、所谓取代inflation的claim,并没有得到认真的研究。

也许有人会说,因为在红外这个理论回到爱因斯坦理论,所以我们不必担心多出来的模会造成什么坏结果。这需要证明,有时取一个极限,我们不一定得到想要的结果。例如,一个有质量的矢量场,多出一个纵向模,该模不会在质量为0的极限消失。涉及到对称性的问题往往会出现这个情况。在Horava的理论中,恰恰是少了一个对称性。对称性少了一个而约束没有少,是不是说明这个理论在经典层次上就出了问题?

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暗能量在演化吗/汉俳


2009年4月23日, 星期四

最近有两篇文章指出暗能量有演化的迹象。

但是,两篇文章的结果很不同。Arman Shafieloo等人在

Is cosmic acceleration slowing down?

中说,暗能量最近在变小,而在红移稍大的地方变大。他们用CfA的397颗超新星得出这个结论,但所用的所谓参数化成问题。

紫台的陆埮老师等人说暗能量最近不怎么变化,但在过去,即红移大于0.5时暗能量密度变小。他们在

Deviation from the Cosmological Constant or Systematic Errors?

用了Union的307颗超新星数据加上一些伽玛爆。

总之,不同的数据和不同的参数化导致不同的结论。我们最近也在做类似的事情,得到另外一些结论,希望很快能发表。

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院图演讲(续完:互动部分)


2009年4月20日, 星期一

演讲的视频( 不含互动部分):

或者直接去土豆网,感谢魏韧的辛苦工作。

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主持人:感谢李淼研究员的精彩演讲,我相信宇宙对大家来说是很神秘的,又是相对来说需要探索的领域,刚才大家听到了李淼研究员的精彩演讲,相信您也有很多的问题,无论是学术方面的,还有成长等方面的问题,都可以跟李淼进行交流,如果对科普方面感兴趣也可以跟李老师交流一下,现在我们互动交流环节开始!

采访者:我开一个头,李老师,Planck质量为什么这么大?稍微解释一下?我提这么一个猜想,您说暗能量分布占73%,也是可变的,我推测是75%这么一个比例,这完全是个人猜想的,没有任何根据,这是我自己的一个猜想。

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