引⼒与宇宙学领域发展态势

作者: 蔡荣根等

来源: 返朴

发布日期: 2024-01-13 08:04:07

本文讨论了引力和宇宙学领域的发展态势,包括引力的本质、广义相对论的局限性、宇宙学的历史阶段及其观测基础。文章强调了引力波的发现和探测对宇宙学研究的重要性,并概述了现代宇宙学的三个主要阶段及其理论和观测基础。

引⼒是⾃然界中的四种基本相互作⽤之⼀,⼴义相对论是⽬前描述引⼒最成功的理论,但它与量⼦理论还⽆法⾃洽地统⼀起来。宇宙学是研究宇宙的起源、演化和它的命运的科学。随着理论物理的发展和现代科学技术的进步,这些年⼈们对引⼒本质和宇宙结构和演化的理解有了巨⼤的进步,引⼒理论和宇宙学成为理论物理⾮常活跃的、也是充满机遇和挑战的⼀个前沿领域。

引⼒是⼈类知道最早的,也是⽬前认识最少的⼀种基本相互作⽤。近代以来,⼈类对引⼒的认识主要经过了三次⻜跃:从⽜顿万有引⼒定律到⼴义相对论提出,以及最近的引⼒全息性质的发现。近些年,由于观测技术的进步,⼈类不仅听到了双⿊洞并合的引⼒波,也看到了⿊洞的剪影,引⼒相关研究进⼊新时代。尤其是引⼒波的直接探测,更是打开了认识宇宙的新窗⼝。然⽽⼈类对引⼒的认识还是⽐较少,引⼒的本质仍然是⼀个重⼤问题。

宇宙学领域总体发展现状可以粗略地将现代宇宙学分为热⼤爆炸宇宙学、暴胀宇宙学和精确宇宙学三个历史阶段。

其中,热⼤爆炸宇宙学在观测上基于哈勃膨胀定律、原初核合成和宇宙微波背景三个观测事实,在理论上基于建⽴在宇宙学原理上的FLRW模型;暴胀宇宙学在观测上解决了平坦性问题、均匀性问题和磁单极⼦问题,在理论上通过慢滚模型预⾔了宇宙⼤尺度结构和微波辐射背景来⾃于原初微⼩的量⼦涨落;精确宇宙学在观测上基于以Ia型超新星距离阶梯测量、宇宙微波背景辐射探测卫星和⼤尺度结构星系巡天观测为代表的众多宇宙学观测,在理论上确⽴了⼀个包含极⼩的正宇宙学常数、冷暗物质以及能够产⽣原初⾼斯绝热近标度不变标量红谱的早期暴胀的六参数标准宇宙学唯象模型,即Lambda-CDM(LCDM)模型,它能够⼤致拟合迄今为⽌从星系尺度到宇宙学尺度对⻓达百亿年的宇宙学历史的全部观测事实。

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