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- 上篇：宇宙学常数 - - 卢昌海 - 我们来讲述现代宇宙学中的一个 “新瓶装旧酒” 的小故事。 故事中的 “新瓶” 是因超弦理论而兴起的一种新的宇宙学理论， 称为膜宇宙论 (Brane Cosmology)， 只有短短几年的历史， 不可谓不新； 而 “旧酒” 则是与现代宇宙学的第一篇论文同时诞生的宇宙学常数， 已经 “窖藏” 了八十六年 (期间被零星出土过几次)， 不可谓不旧。 以前本站介绍的大都是科学界较为主流的观点， 这次的故事却只是一个 "Minority Report"。 但是在这个故事中， 现代物理的几条线索以一种令人赞叹的美丽方式交织在一起， 闪现出了一朵小小的智慧火花。 这朵小小的火花将一闪而逝还是会点燃一片辽阔的夜空， 我们还不得而知。 一. 宇宙学项与宇宙学常数 让我们把时间推回到 1917 年， 那是现代宇宙学诞生的年代， 也是我们那坛 “旧酒” 酿造的年代。 那一年 Einstein 发表了一篇题为 “基于广义相对论的宇宙学考察” 的论文， 研究宇宙的时空结构。 在那篇文章中， Einstein 第一次将广义相对论运用到了宇宙学中， 为现代宇宙学奠定了理论框架。 但是 Einstein 的研究却有一个先天的不足， 那就是观测数据的严重匮乏， 特别是当时距 Hubble 发现宇宙膨胀还差整整十二个年头。 那时大多数天文学家心目中的宇宙在大尺度上是静态的， Einstein 试图构造的也是一个静态的宇宙学模型。 不幸的是， 这样的模型与广义相对论却是不相容的。 这一点从物理上讲很容易理解， 因为普通物质间的引力是一种纯粹的相互吸引， 而在纯粹吸引作用下的物质分布是不可能达到静态平衡的。 为了维护整个宇宙的 “宁静”， Einstein 不得不忍痛对自己心爱的广义相对论场方程作了修改， 增添了一个所谓的 “宇宙学项”： Gμν = 8πGTμν + Λgμν 式中左边的 Gμν 是 Einstein 张量， 描述时空的几何性质， 右边的 Tμν 是物质场的能量动量张量， 这两项构成了原有的广义相对论场方程。 最后一项 Λgμν 就是宇宙学项， 其中的常数 Λ 被称为宇宙学常数。 如果宇宙学常数为零则场方程重新退化为没有宇宙学项的场方程。 现代宇宙学中通常把宇宙学项并入能量动量张量， 这相当于引进一种能量密度为 ρΛ=Λ/8πG， 压强为 pΛ=-Λ/8πG 的能量动量分布。 这是一种十分奇特的能量动量分布， 因为在广义相对论中， 当能量密度与压强之间满足 ρ+3p0 的宇宙学模型中存在一种排斥作用。 这种排斥作用与普通物质间的引力相平衡使得 Einstein 成功地构造出了一个静态的宇宙学模型， 其宇宙半径为 R=Λ-1/2。 虽说静态宇宙模型的构造是如愿以偿了， 但 Einstein 对所付出的代价却很耿耿于怀， 他在那年给好友 Ehrenfest 的信中说自己对广义相对论作这样的修改 “有被送进疯人院的危险”。 几年后， 在给 Weyl 的一张明信片中他又写道： “如果宇宙不是准静态的， 那就不需要宇宙学项”。 那么， 我们的宇宙究竟是不是准静态 (大尺度上静态) 的呢？ 答案很快就有了。 1929 年 (Einstein 给 Weyl 的明信片发出后的第六个年头)， Wilson 观测台的天文学家 Hubble 研究了遥远星系的红移与距离之间的相互关联， 结果发现那些星系正系统性地远离我们而去， 其远离的速率与它们离我们的距离成正比 (比例系数被称为 Hubble 常数)， 这便是著名的宇宙膨胀现象， 也称 Hubble 定律。 宇宙膨胀现象的发现表明我们的宇宙在大尺度上不是静态的， 从而 Einstein 引进宇宙学项的原始动机不再成立。 Einstein 兑现了他对 Weyl 说过的话， 于 1931 年发表文章放弃了宇宙学项。 Einstein 的静态宇宙模型虽然被观测否定了， 但在他心中也许不无如获重释的愉悦， 因为他终于可以把宇宙学项从广义相对论中驱逐出去了。 可是天下之事难以尽如人愿， Einstein 虽不想再看到宇宙学项， 但宇宙学项这个潘多拉盒子既已打开， 它的命运就非一人所能主宰， 即便 Einstein 本人也已无法将它彻底关上了。 由于当时对描述宇宙膨胀速率的 Hubble 常数的测定结果所给出的宇宙年龄仅为 20 亿年， 比地球的年龄还小得多， 而宇宙学项的存在可以修正 Hubble 常数与宇宙年龄之间的关系， 因此一些天文学家 - 比如 Lemaître - 仍然坚持引进宇宙学项以解决宇宙年龄问题。 后来宇宙学项还被 Bondi， Hoyle 等人用于构筑目前已被基本放弃的稳恒态宇宙模型 (Steady State Model)。 随着观测精度的改善， 到了二十世纪五十年代， 由 Hubble 常数的测定所给出的宇宙年龄与天体年龄之间的矛盾已大为缓和， 待价而沽的宇宙学项随之急剧贬值。 此后的一段时间内， 宇宙学项如幽灵般游走于观测与理论的边缘， 两者一出现矛盾， 就将之请出 (Λ≠0)， 矛盾一消失 (通常由于观测精度的改善)， 又将之遗弃 (Λ=0)。 如此招之即来， 挥之即去， 地位甚是 “凄凉”。 宇宙学常数在零与非零之间的这种飘忽不定在很大程度上要归因于宇宙学观测所存在的巨大的误差。 这种误差使得很长一段时间内人们对宇宙学常数的取舍往往只能建立在错误或不充分的依据之上。 但是常言道： 是金子， 总有发光的一天。 宇宙学最近几年的发展又一次将宇宙学项请到了前台， 引用 Gamov 自传 «My World Line» 中的一句旧话来说就是： “Λ 又一次昂起了丑陋的脑袋”。 只不过这一次它的脑袋昂得如此之高， 也许再也没有人能将它按到台下去了。 二. 暗物质 如前所述， 一个非零的宇宙学常数代表了宇宙物质的一种十分奇特的组成部分[注一]。 因此在下面的两部分中我们先来简单回顾一下天文学家们对宇宙物质组成的研究。 我们将会看到， 最新的观测和理论为什么要求宇宙物质中有这样一种奇特的组成部分。 宇宙中最显而易见的组成部分当然是天空中那些晶莹闪烁的星星以及美丽多姿的星云星系等， 在宇宙学上这些被统称为可见物质。 在过去， 人们曾经很自然地把可见物质作为宇宙物质的主要组成部分。 但是到了近代， 尤其是二十世纪八十年代， 这种观点却遭到了来自观测和理论的双重挑战。 在观测上， 人们发现宇宙中的某些运动学现象 - 比如星系旋转速率的分布 - 无法完全用可见物质形成的引力场来解释。 换句话说， 为了解释某些观测现象， 必须假定宇宙中除了可见物质外， 还存在某种不可见的物质， 这种物质被形象地称为暗物质 (Dark Matter)。 定量的研究还表明这些暗物质的存在绝不是点缀性的， 它们对宇宙物质的贡献要比可见物质还大一个数量级左右。 对暗物质的另一类支持来自于对宇宙动力学的理论研究。 现代宇宙学假定宇宙在大尺度上是均匀及各向同性的 (这被称为宇宙学原理)， 在这一基本假定下宇宙的几何结构由所谓的 Robertson-Walker 度规描述。 根据宇宙物质密度的不同， 由 Robertson-Walker 度规描述的宇宙有三种基本类型： 如果宇宙中的物质密度大于一个临界密度 ρc (其数值为 3H02/8πG， 其中 H0 为当前的 Hubble 常数 - 在宇宙学中下标 0 通常表示一个量的当前数值)， 则宇宙的空间曲率为正， 这样的宇宙是封闭的； 如果宇宙中的物质密度等于临界密度， 则宇宙的空间曲率为零， 这样的宇宙是开放的； 如果宇宙中的物质密度小于临界密度， 则宇宙的空间曲率为负， 这样的宇宙也是开放的。 宇宙学上通常用 Ω 表示宇宙物质密度与临界密度之比， 因此上述三种情形分别对应于 Ω>1、 Ω=1 及 Ω

姓名 性别 学校 教师 奖次 方  阳 男 合肥一中 郑  平 一 沈  达 男 合肥一中 郑  平 一 陆云游 男 合肥一中 郑  平 一 张玮如 女 合肥一中 杜明成 一 刘一凡 男 合肥九中 蔡  勇 一 郭  皓 男 合肥一中 郑  平 一 冷  洋 男 合肥六中 朱永生 一 付  翔 男 合肥一中 郑  平 二 王家龙 男 合肥六中 朱永生 二 张欣成 男 合肥八中 胡  晨 二 金重九  男 合肥四中 鲍康胜 二 胡健文 男 合肥六中 孙婉玲 二 沈  忱 男 合肥一中 郑  平 二 赵  引 男 合肥一中 郑  平 二 丁 枭 男 肥东圣泉中学 张  权、何长梅 二 梁立嗣 男 科大附中 吴  娟 二 程东伟 男 合肥四中 鲍康胜 二 王宇翔 男 合肥十中 李新路 二 郝  杰 男 合肥六中 孙婉玲 二 汪友楼 男 肥西师范 王  峰 二 吴昃旻 男 合肥十中 李新路 二 高明亮 男 合肥九中 蔡  勇 二 王凯旋 男 肥东圣泉中学 何长梅、张权 二 高  尚 男 合肥五中 鲁传争 二 易  芮 女 合肥润安公学 王世鹏 二 刘  松 男 合肥工大附中 岳昌琪 三

就差这么一点点就进复赛了，唉！！！！