分类目录归档:宇宙学

关于全息暗能量(附:韩文博文,关于北京与Horava)

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,其中是普朗克长度。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,其中是普朗克质量,在自然单位制中,能量密度就是,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,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(克)。 将公式中的一个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过度到的。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,而是Bekenstein-Hawking自由度个数,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

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

(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?

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

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

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

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)

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。 ———————————————————- 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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院图演讲(续一)

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。

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院图的演讲(部分)

上周六上午在院图科学文化传播服务平台的演讲,历时一个半小时,加上回答问题部分,两个多小时。 感谢当时的速记员,将我的演讲全文速记下来,文字接近两万字。 下面贴开头的部分。等我将速记稿修改完了,再用文件将全文贴出来。 李淼:谢谢大家!我第一次在院图做报告,谢谢大家! 非常感谢院图科学文化传播中心邀请我来跟大家谈一谈暗能量的历史和暗能量的研究现状。那么,我这个报告本来准备的是给物理系的一种大报告,原则上是学物理的学生都应该能听得懂,后来我再想的话,咱们院应该有很多其他非物理的,想一想我还是用一点公式,用一些高中生的公式。 暗能量大家已经听了很久了,因为发现已经有11年了,所以我们先聊一个很老的问题——暗能量,它起源于爱因斯坦,它跟现在的理论一样。今天当然很多人关心这个事情,这边是有名的做超弦理论的Witten,我相信很多人听过;这边是98年发现暗能量的两个小组之一的领导人,这位是我,因为我也是研究暗能量的,虽然不是一个大人物,但是我经常研究这个事情。 先谈谈暗能量在宇宙中占什么样的角色?这是一个著名的能量分布,如果把整个宇宙的总能量或者说能量密度,所谓的能量密度,是在非常非常大的尺度上做平均的,有上10个兆(百万)即一千万个光年的尺度,在这个尺度上做平均的话,我们暗能量占整个宇宙能量总份是73%左右,当然这个数字在测量上面有一定的误差,比如说有的人说74%。假如明年你们听到暗能量占69%,也不要惊讶,因为这个结果,是由各个实验综合起来的,我们后面会谈到,一些大实验综合起来得到的。其中有一些实验,不见得是完全可靠的。 暗能量如果占73%的话,暗物质占了23%,当然这后面还有小数点。剩下来的4%,大概是1/25,是我们通常熟悉的物质,太阳等组成的物质,我们看到发光的星体,恒星,星系,所有物质,我们通过通常的手段,所谓通常的手段就是电磁手段,这些物质只占4%,这些是物质。

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