狭义相对论的欧氏假定与暗宇宙的启示

本文分析爱因斯坦相对论中关于一类没有相对运动的惯性系中刚性量杆的欧氏假定，以及相对性原理与宇宙学问的不协调。简单介绍我国学者提出的德西特不变的相对论，以及由暗宇宙启示的马赫原理。该相对论提供一个加速膨胀的观测宇宙所渐近趋向的模型。这里，不存在相对性原理与宇宙学问的不协调，存在一类相对于宇宙背景静止的优越惯性系，3维宇宙空间是闭的，宇宙常数起到惯性运动起源的作用。同时，这个模型提供观测宇宙的熵界，与全息原理的猜测一致，当曲率半径趋于无限时，这类优越惯性系仍然存在，不完全是爱因斯坦狭义相对论。     

第五讲暗能量和德西特时空

最近的天文观测表明，宇宙是在加速膨胀，而不是原来认为的减速膨胀．为解释加速膨胀，必须在宇宙的物质能量中引入暗能量这一成分，文章讨论了暗能量的可能侯选者，特别强调了宇宙常数问题、德西特时空问题以及和德西特时空相关的一些基本问题．     

华罗庚与爱因斯坦相对论及其扩展——纪念华罗庚诞辰一百周年

华罗庚先生运用矩阵几何与投影几何,研究并简化了爱因斯坦狭义相对论的基本原理,得到惯性运动的对称性,并促进了对德西特不变的狭义相对论的研究.他的深入考察至今仍引领着我们如何面对精确宇宙学的挑战.爱因斯坦相对论作为以宇宙常数Λ>0为特征的宇观物理学的基础面临疑难.相对性原理应该扩充到具有两个不变普适常数c和l,具有24个生成元的惯性运动对称性的相对性原理.于是,存在庞加莱、德西特和反德西特不变的3种相对论,伴随着对偶庞加莱运动学,它们构成相对论三位一体.取……,德西特相对论提供宇观尺度之新运动学,亦可避开相对性的宇宙佯谬.华老不仅是大数学家,而且是大思想家和大教育家,是一位为复兴中华民族而奉献终身的伟大代表.     

爱因斯坦的等效原理和广义相对性原理——问题实质和出路

精确宇宙学的观测表明,物理学必须面对以宇宙常数为特征的宇宙尺度。 有关宇宙观测的数据分析,是以广义相对论和宇宙学原理为基础的。然而,分析的结果却向爱因斯坦相对论体系和量子理论,以及以之为基础的现代物理学提出重大疑难。这是对物理学前所未有的、更为严重的全面挑战。     

Beltrami-de Sitter时空和de Sitter不变的狭义相对论

分析了在相对论体系中狭义相对性原理和宇宙学原理之间的关系以及Beltrami-de Sitter -陆启铿疑难.指出可以把狭义相对性原理推广到非零常曲率时空，在具有Beltrami度规 的de Sitter/反de Sitter时空中建立狭义相对论的运动学和粒子动力学. 在这类狭义相对 论中,相对于Beltrami坐标同时性，Beltrami坐标系就是惯性坐标系，相应的观测者为惯 性观测者; 对于自由粒子和光讯号, 惯性定律成立;可以定义可观测量,它们不但守恒而且还 满足推广的爱因斯坦关系.除了Beltrami坐标时同时性之外，对于共动观测, 还可以取固 有时同时性;此时，Beltrami度规成为Robertson-Walker型的度规，其3维空间是闭的,对 于平坦的偏离为宇宙学常数的量级.这表明,在这类狭义相对论中,相对性原理与“完美”宇 宙学原理之间存在内在联系,并不存在那些问题.进而,基于最新观测事实，重述了Mach原 理；指出对于Beltrami-de Sitter/反de Sitter时空，宇宙学常数恰恰给出惯性运动的起 源. 关键词： 狭义相对性原理 宇宙学原理 de Sitter不变的狭义相对论 Beltrami-de Sitter时空 同时性 Mach原理     

宇宙常数与蛀洞

 在物理学的发展中,理论与观测之间的尖锐矛盾往往能启发人们更深刻地认识自然界,并以此为线索创立新理论.但是,长时间以来,宇宙常数的理论预言与观测之间的矛盾却给物理学的研究带来巨大的困惑.宇宙常数是爱因斯坦解广义相对论方程时引入的.     

粒子物理学与暴胀宇宙学(下)

量子涨落 根据量子场论,空虚的空间并不完全是空的.它充满着所有类型的物理场的量子涨落,这些涨落可视为具有各种可能波长的、沿各个可能方向运动的物理场的波动.如果这些场的值在某一宏观足够大的时间内的平均值为零,那么,充满着这些场的空间对我们来说就是空的,并将它称为真空. 在作指数膨胀的宇宙中,真空的构造要复杂得多.标量场　的所有真空涨落的波长随宇宙的膨胀而作指数增长.当某一涨落的波长变得大于H～(-1)时,由于场　的运动方程中大的摩擦项3H,使这一涨落停止传播,它的振幅被冻结在某一非零值初…)处哈勃常数的倒数近似于宇宙年…     

宇宙创生于真空涨落的一个可能方案 原初暴涨宇宙模型

大爆炸宇宙模型的成功说明宇宙有可能是创生出来的。宇宙究竟是创生于“无”,还是创生于真空涨落?这是目前正在热烈讨论的问题。本文提出宇宙创生于真空涨落的一种可能的方案。我们提出,在单圈近似下的真空涨落创生了原初暴涨宇宙—原初de Sitter宇宙,这时SO_(11),SU_(14)或E_8×E_8对称性成立。由于规范耦合常数g和Higgs场自耦合常数λ的渐近自由,将使得原初大统一破缺发生一级相变,相变时释放出的潜热化为宇宙的原初物质,以使宇宙升温到接近Planck温度。这样所创生的宇宙即由原初暴涨阶段过渡到以辐射为主的标准模型。此后,例如SU_5GUT成立,在创生后的10~(-35)秒,将发生熟知的第二次暴涨。     

惯性原理及其宇宙起源(上)

 常言说得好,没有规矩,不成方圆。没有基准,也就失去依据。什么是引进物理量和描述物理规律的规矩和基准呢?在力学和物理学中,惯性原理即对于惯性观测者以惯性运动和惯性系为基础的相对性原理,对于力学量和物理量的引进、力学和物理规律的描述,起着十分重要的基准作用。对于与空间、时间,其中物质和运动直接相关的力学量和物理量,以及相应的力学和物理规律而言,至少在引力相互作用可以不考虑的情形中是这样。事实上,惯性原理的这一基准作用,在牛顿力学和狭义相对论中都非常突出。早在我国汉代就有记载:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行不觉舟之运也。”     

宇宙创生于真空涨落的一个可能方案——原初暴涨宇宙模型

大爆炸宇宙模型的成功说明宇宙有可能是创生出来的。宇宙究竟是创生于“无”,还是创生于真空涨落?这是目前正在热烈讨论的问题。本文提出宇宙创生于真空涨落的一种可能的方案。我们提出,在单圈近似下的真空涨落创生了原初暴涨宇宙—原初deSitter宇宙,这时SO₁₁,SU₁₄或E₈×E₈对称性成立。由于规范耦合常数g和Higgs场自耦合常数λ的渐近自由,将使得原初大统一破缺发生一级相变,相变时释放出的潜热化为宇宙的原初物质,以使宇宙升温到接近Planck温度。这样所创生的宇宙即由原初暴涨阶段过渡到以辐射为主的标准模型。此后,例如SU₅GUT成立,在创生后的10^-35秒,将发生熟知的第二次暴涨。 关键词：     

一个八维Kaluza-Klein宇宙模型

本文讨论了一个八维Kaluza-Klein宇宙模型.它不仅自洽地包含Georgi三族SU(11)大统一模型,而且得到了与观测宇宙一致的物理解.在这一模型中,通常四维的宇宙标度因子记作R₃而额外维度的宇宙标度因子记作R₄,它们的物理性质可分成四个阶段来描述.第一阶段,R₃和R₄都在膨胀;第二阶段,R₃是一个inflation解而R₄是个常数;第三阶段,R₄开始坍缩到它的极小值,而R₃继续单调地增加;第四阶段,R₄稳定在Kaluza-Klein半径R_KK而R₃通常的FRW方式膨胀,这时四维的宇宙常数为零.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系.结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600 K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17％,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

第一性原理研究Ir的热力学和弹性性质

基于准谐近似理论,运用第一性原理投影缀加波方法研究了Ir的热力学和弹性性质,得到Ir的声子谱、状态方程、热容、熵、焓和线膨胀系数,以及弹性常数、弹性模量、剪切模量和杨氏模量随温度的变化关系. 结果表明,计算的Ir声子谱和有限的实验测量结果一致;考虑电子对体系自由能贡献后计算的热容、熵、焓和线膨胀系数与实验值符合较好;在2600K时,Ir的电子定压热容占总定压热容的17%,因此在高温时电子对Ir定压热容的贡献是不能忽略的;理论预测的Ir室温下的弹性常数、弹性模量、剪切模量、杨氏模量和实验值测量值基本吻合,并随温度的增加而逐渐减小.     

利用量子对应态原理预测正仲氢输运性质

基于量子对应态原理并考虑氢同分异构体之间的结构差异,建立了适用于预测低温正氢与仲氢输运参数的数学模型,明确了对比黏度和对比导热系数与对比德布罗意波长之间的线性关系,并使用所建立数学模型预测了正氢与仲氢的黏度与导热系数。通过对计算结果的检验分析,发现量子对应态原理方法可以较准确地预测温度20¹00 K及压力0.01¹0 MPa范围内正氢、仲氢的黏度及导热系数。压力对模型的预测精度影响显著,当环境压力小于1 MPa时,对应态原理预测误差基本控制在6%以内。进一步修正模型中的物性常数修正有望提高对应态原理预测精度。     

空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革

 2005年是世界物理年,是年11月份,南开大学物理学院“今日物理”邀请中科院理论物理研究所资深研究员郭汉英老师作了题为《空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革--大船、水桶、升降机、橡皮膜和暗宇宙》的讲座。讲座之后,“今日物理”活动组的徐光明、苗荣欣等同学对郭老师进行了专访,几经讨论,内容已经超出原来的讲座。现与郭老师一起整理成文,供大家参考。徐光明:郭老师,您好。非常感谢您在百忙之中来到南开物理系所作的精彩讲座,谢谢您对我们“今日物理”活动的支持!您的演讲深入浅出,使同学们受益匪浅。我们想就这个话题的讨论整理成稿,发表出来,作为世界物理年纪念活动的一部分,您看可以吗?     

人类文明的发展和宇宙演化

生命现象是自然界中物质运动的形式之一,人类是生命现象的杰出代表,从某种意义上来说,人类的一切活动也都是自然界物质运动的一部分。因此,我们在研究宇宙的演化时,应该把以人类为代表的生命现象这一物质运动形式所产生的影响考虑进去,可是,到目前为止,很多人在研究宇宙演化时都没有考虑这一因素。之所以如此,可能是由于这样几个原因: 首先,人们认为:人的寿命非常短暂,现在人的平均寿命不到一百年,跟宇宙的演化时间已有约200亿年相比,太短暂了;其次,人类的活动范围太小了,人类的足迹至今只踏上了月球,这跟整个宇宙空间相比是那样的微不足道,使人们感到人类的活动对宇宙的演化似乎没有丝毫的影响;第三,人们可能认为生命现象只是宇宙演化过程中一种特殊的、暂时的现象,因而在研究宇宙的演化时可以忽略这一因素;第四,在考虑问题时,人们往往无意之中把自己排除在自然之外,故而把宇宙的演化作为所谓客观现象加以研究而忘记了人类自己也是宇宙的一部分。 如果我们从生命现象在宇宙中的普通性、从生命现象的发展变化的角度看,结果又将会是怎样的?根据天文观测和统计规律,不少科学家早就断言:在宇宙中,跟太阳、地球情况类似的星球其数量是非常可观     

生活的物理学原理

 本文不想再由薛定谔的负熵原理与普利高津的耗散结构理论以及遗传基因等等论述“生命中的物理学”,而想从人们对日常生活的感受与理解、以举例的方式、趣味性地谈论“生活中的物理学原理”。一、“春捂秋冻”的“热惯性原理”在春光明媚、春风得意之时,有些年轻人好像迫不及待地过早换上过于单薄的“春装”,结果吃了不听老人言的亏,因“美丽冻人”而患上感冒症等。殊不知古人云“春捂秋冻”,这是古往今来的经验之谈,又是符合科学原理的简明总结。先谈“春捂”:经过漫长的严冬之后,“冷气”已“冰冻三尺”似地渗入大地与机体,尽管大地回春,但寒冷不会立即消去.     

哥白尼原理将可进行检验

哥白尼原理,即从任何地方看上去宇宙都是相同的,只能算是一个大胆的假设,而不是逻辑的必然。很难从宇宙以外的地方观看宇宙,这使得该原理颇具吸引力但很难验证。因此,最近欧美三位科学家宣布可能有一种方法可检验该原理确实是个惊喜。     

内尺度对光强闪烁激光雷达测量结果的影响

利用Kolmogorov谱、修正Hill谱和Rytov改进模型三种大气湍流功率谱模型,得到了光强闪烁激光雷达探测路径上闪烁指数与大气折射率结构常数之间的关系。分析了不同内尺度下大气湍流强度的变化情况,并与不考虑内尺度的情况进行了比较。结合实验数据对比分析了内尺度对光强闪烁激光雷达在探测大气湍流时的影响程度,结果表明在内尺度的取值变化范围内,采用修正Hill谱时,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达9,实验中传输距离为1020 m和2040 m的传输路径上两者最大偏差为0.4和0.1个量级;Rytov改进模型下,理论上有限内尺度的折射率结构常数与不考虑内尺度时折射率结构常数的比值可达6,实验中同样传输路径上两者最大偏差为0.6和0.3个量级。理论和实验结果表明:有限内尺度的折射率结构常数测量结果在一定程度上偏离不考虑内尺度的折射率结构常数,且影响程度与激光传输距离和内尺度的大小有关。因此,在光强闪烁激光雷达的大气湍流探测过程中,必须考虑内尺度效应。     

泡沫覆盖不规则海面的非均匀空-水信道量子密钥分发

针对空-水量子密钥分发(Quantum Key Distribution,QKD),综合考虑海风影响、泡沫覆盖的不规则海面、空-水信道复杂多变性和量子偏振态多重散射过程,建立了非均匀空-水信道复合模型。据此完善了空-水QKD系统量子误码率理论模型,并采用偏振矢量蒙特卡罗算法模拟,详细分析了不同海洋环境下非均匀空-水信道光量子传输性能,及空-水QKD整体传输性能。结果表明:清澈海水条件下的非均匀空-水信道可实现水下百米量级的密钥分发,但风速和传输距离的增大都会导致光子退偏比增大,保真度减小,偏振误码率增加;同时风速和泡沫层厚度的增大也会造成空-水QKD系统量子误码率上升,密钥生成率和传输距离下降,且随信号波长的增加这两者也会增加,在波长为532 nm,信道由最佳(无风无泡沫)变至最差(暴风且泡沫层为6 cm)时,水下传输距离由120. 8 m缩减至85 m,基本能保障水下航行器百米级的安全潜深,而采用拖拽浮标等措施又可进一步增加空-水QKD的安全距离。由此验证了泡沫覆盖不规则海面下非均匀空-水信道诱骗态QKD的可行性,对未来空-水一体量子通信链路的实现具有参考价值。