Monday, December 23, 2013

qcd01 温度升高的时候,原子核核外电子热运动动能足够高可以挣脱原子核的束缚,如果温度再升高,就会看到看到组成质子原子核的夸克了, 其实每一个夸克本身还带有三种颜色,这是说它带有颜色这种量子数。这是一种隐性的量子数,夸克看起来永远都是颜色单态,因为一种被称为色禁闭的机制。

温度升高的时候,原子核核外电子热运动动能足够高可以挣脱原子核的束缚,如果温度再升高,就会看到看到组成质子原子核的夸克了

戏说暗物质(一)

(2010-12-16 13:52:26)

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暗物质

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   在此之前,我们不妨先看一下时空、引力和物质之间的关系,我这里说保守的说法:时空有其固有的几何结构,就是我们常说的Lorentz群结构,如果不考虑物质的影响,我们可以称之为纯度规场;引力有来源,是物质的能量动量张量,引力的来源的张量要求其实已经表达了这样一个意思,就是物质场和纯度规场的耦合,或者换句话说,我们写出的表述物质的Lagrangian被要求是广义协变的。在爱因斯坦引力理论里面,时空、引力和物质就是这样的一种联系,物质就是物质,时空就是时空,相比粒子物理的规范相互作用,引力理论中所谓的规范相互作用(物质场和纯度规场的所谓耦合),很不相同,从这个角度看,我本人认为,引力理论不存在被要求实现量子化的条件。所以,跳出这个话题,如果你问暗物质是否会影响时空几何结构?那么答案应该是明显的,时空的几何结构不会被物质所影响,只不过能够表现出来物质的引力效应。
 
    然后,我们再简单看一看粒子物理能够告诉我们什么?它能够告诉我们:宇宙不管多大,粒子一共有几种,哪个和哪个如何相互作用,作用强度有多大。大家都知道只有四种力,强,电磁,弱,引力,前三种力都可以用粒子物理里面有名的标准模型SM——它只是简单的一个方程而已——很好的解释,参与强作用的是六种夸克,传播强作用的是八个胶子,参与弱作用的是六种轻子,传播轻作用的是另外三种矢量玻色子,轻子不参与强作用,轻子和夸克都参与电磁相互作用,而传播电磁相互作用的是光子。这些都是亚原子尺度的事情,质子的原子核是由上面说的六种夸克里面的三个(两种)组成的,原子核外还带了电子。我们都知道在温度升高的时候,原子核核外电子热运动动能足够高可以挣脱原子核的束缚,如果温度再升高,就会看到看到组成质子原子核的夸克了。其实每一个夸克本身还带有三种颜色,这是说它带有颜色这种量子数。这是一种隐性的量子数,夸克看起来永远都是颜色单态,因为一种被称为色禁闭的机制。
 
    好了,现在以我们的时间为起点记为137亿年,逆着时间箭头往回跑,宇宙的温度越来越高,跑到约10^-43s的地方,(这个时间对应的能量就是Plank能量10^19GeV,我们经常用能量来表征时间,关系式是时间约等于能量的方的倒数,时间量纲秒,能量量纲MeV,可以看出随着时间增加,宇宙在降温,这是由宇宙学标准方程决定的,这个标准模型可不是第二段说过的粒子物理标准模型),我们姑且停下来,因为前面挂着一牌子说“虽好别进,后果自负”戏说暗物质(一),牌子后面是脾气火爆的宇宙大爆炸大叔,关于这位大叔,至今还有不同版本的传说,(正经点说,在时间的奇点,时空的特性和物质的特性被最大程度“混合”在一起,第一段云淡风轻的处理方法不再适用,这时候时空的几何特点会和物质之间存在复杂的关联)。在我们停下来的地方,会看到什么呢?想一想上一段最后的内容,对了,这时候能被电离的都被电离了,宇宙之间茫茫然一片炖着夸克,轻子,那些矢量玻色子,还有其它一些粒子(其它意指没有定论),这些粒子不停歇的相互作用着。
 
    在时间箭头的正方向,宇宙不断膨胀降温,当温度降到大约0.1GeV(10^-4s)时,夸克们结合成了质子中子这样的复合粒子(被称为强子)。这里要提到宇宙学中的“辐射”和“实物”的概念,一般而言,对于某一粒子,宇宙温度大于其质量时,就被称为它处于“辐射”状态,而当宇宙温度小于其质量时,就说它以“实物”状态存在。那么质子质量约为0.938GeV,它显然已经处于实物状态。宇宙这时候总体来说是辐射粒子多一点呢还是实物多一点?就是说宇宙的质量密度主要是来自辐射粒子还是实物粒子?简单的计算表明这时候的宇宙是以辐射为主的,那到什么时候实物的总的质量密度和辐射差不多相等了呢?那是再降温到大约1ev(3*10^4a)时的事情了,不过不要急,在0.1GeV到1ev这近一万年时间里还发生着别的事情。
 
    电子和反电子,它们除了电荷相反,其它性质都相同,这样的一对粒子,被称为粒子和反粒子,区分正反粒子的标准不只是电荷,二者可以相反的量子数都相反,比如电中性的中微子和反中微子,它们的区别在于其自旋在运动方向的投影。现在有一个问题,宇宙中粒子和反粒子应该一样多吗?直觉上似乎没有什么理由让它们不一样多。上一段提到过当宇宙温度等于某一粒子质量时,它就以所谓的实物状态存在,这是指此时它已经处于非相对论状态,退出了原来的相互作用平衡态,开始成对的湮灭,数密度剧烈减少,而伴随这个过程,宇宙还在膨胀,这膨胀减缓了湮灭的过程,在这两个过程的竞争中,有一个时刻数密度足够低,粒子不再发生湮灭,数密度稳定了下来,这就是它退耦的时刻。对于正反夸克(重子),按照上述思路计算出来的退耦温度在22MeV左右,而留下的重子数密度与光子数密度的比值在10^-18这个量级(正反重子数密度一样)。这样一来就存在两个矛盾,第一是并没有观测到同样比例的反物质,第二是根据现在宇宙学的观测表明,满足现今宇宙中元素配比的重子数密度和光子数密度得是10^-9这个量级,10^-18显然太小了。这说明,就算最初宇宙是正反夸克等量的,在湮灭开始前,宇宙中正反夸克数密度也需要是是不相等的。但是很可惜,经计算表明,在10^8个核子区域中,反夸克比夸克少几个就够了,这样的小量是很不自然的。关于这个问题的解决办法最终被一个俄国物理学家Sakharov归结为了三点,有兴趣可以自己搜索一下。落实到具体模型的话,前面提到的粒子物理标准模型不能很好满足这个要求

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