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中国科协召开"能源水环境"系统可持续 发展战略研讨会

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在20世纪60年代和70年代,这些预测都以不同程度的精确度得到证实,大爆炸成为我们感知和探测宇宙中所有事物起源的主导理论。但是,当涉及到大爆炸时,有几个问题没有答案,在这个框架内,一些现象完全无法解释。

  1. 但还有另一个选择。也许,不是宇宙在大爆炸的那一刻刚刚诞生,而是存在一个早期阶段,建立了这些条件,以及产生我们的热、密集、膨胀和冷却的宇宙。这将是理论家的工作:找出什么可能的动态可以为大爆炸的这些条件发生创造条件。1979/1980年,阿兰·固斯(Alan Guth)提出了一个革命性的想法,它将改变我们对宇宙起源的看法:宇宙膨胀。
  2. 艾伦·古斯1979年的笔记本

    有很多类的模型,可以做到这一点,如安德烈·林德提出的宇宙模型,保罗·斯坦哈特的大爆炸宇宙模型等等。但是最简单的且能解决了这个问题,并且拥有最少自由参数的模型只分为两类。

    两种最简单的通胀潜力类别,即混沌膨胀 (L) 和新膨胀 (R)。


  3. 一个完全平坦的宇宙。因为膨胀导致了这种快速的指数扩张,它采取宇宙碰巧的形状,并伸展到巨大的尺度:尺度比我们可以观察到的要大得多。因此,我们看到的部分看起来与平面没有区别,就像窗户外的地面看起来是平的一样,但它实际上是整个弯曲的地球的一部分。
  4. 一个在尺度上波动大于光的宇宙是可以穿越。膨胀导致宇宙空间呈指数级膨胀,导致在非常小的尺度上发生的事情被放大更多的尺度上。这包括量子波动,它通常在空旷空间内就地波动。但是在膨胀期间,由于快速的指数扩张,这些小规模的能量波动被拉伸到巨大的宏观尺度上,最终可以跨越整个可见宇宙!
  5. 最高温度不任意升高的宇宙。如果我们能把大爆炸一直带回任意的高温和密度,我们会发现证据表明宇宙曾经达到至少物理定律分解的温度尺度:普朗克尺度,或10^19 GeV的能量周围。但是,如果膨胀发生,它一定是发生在低于这个能量尺度,其结果是,宇宙的膨胀后的最高温度必须低于10^19 GeV。
  6. 波动不绝的宇宙,或处处熵相等的宇宙。波动可能有不同的类型:绝热、等曲率或两者的混合。膨胀预测,这些波动应该是100%的绝热,这意味着宇宙开始量子波动类型的详细测量,应该能揭示在微波背景和大规模宇宙结构中的特征。
  7. 波动的光谱略小于尺度不变(ns
  8. 最后,一个具有特定引力波波动光谱的宇宙。这是最后一个,也是唯一 一个尚未确认的大宇宙。一些模型,比如简单的混沌膨胀模型,给出大幅度引力波(BICEP2可能看到的这种引力波),而其他模型,如简单的新膨胀模型,可以给出非常小的幅度引力波。

同样,大尺度的结构调查已经变得极其普遍,有些覆盖了整个天空,有些覆盖了更深处的巨大斑块。斯隆数字天空调查提供了最好的现代数据集,我们已经能够确认这六个预测中的前五个,使膨胀建立在非常坚实的基础上。

  • 在上面图中,微波背景的波动频谱看起来就像波浪线,但它成长于所有不同形式的能量随时间的相互作用,从膨胀结束到宇宙是38万年前。它是由膨胀结束时的密度波动而产生:水平线。只是,这条线不是水平的,有轻微的倾斜,斜率表示光谱指数ns偏离1。
  • 正如Mark Kamionkowski 在AAS演讲时所报道的(基于他在这里的论文)那样,对于ns的测量值,可以记下的所有简单模型,意味着r不能从10^-60到1;它只能从 10^-3 到 1。这在短期内可能非常成问题,因为有一大堆地面调查正在测量可以测量r的信号类型,如果r大于或等于+10^-3,则已经将r限制在0.09以下。

     

    如果我们发现 r 的正信号,则混沌膨胀(通常如果 r > 0.02)或新膨胀(通常为 r如果大自然对我们不友好,我们几十年内将难以对宇宙膨胀的最后的大预测——原始引力波的存在,将在未来几十年内扑簌迷离,并且将继续未经证实。


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