jeans尺度和jeans质量, 辐射为主的时候，宇宙尺度因子R（t^1/2），实物为主的时候R（t^2/3）

宇宙学与粒子物理

(2010-05-02 14:37:36)

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标签： 杂谈

分类： 数理

上周花了些时间看了一下宇宙学的内容。缘起是想知道宇宙学对粒子物理有哪些要求和限制。看过之后的感觉是，事情并非要结束，而是尚未好好开始。宇宙学和粒子物理有一些交叉问题，至今没有得到令人满意的解决。
 
宇宙学模型必定要回答的问题是：宇宙如何演化？关于这个问题有很多研究，归根结底可以按宇宙演化的阶段，分为以下几点
 
1 从plank尺度10^19Gev（10^-43s）-0.1Gev（10^-4s）
  暴胀，暴胀回答视界疑难和今天宇宙的准平坦疑难。
    暴胀中涉及真空相变，在温度远大于相变温度时，高温辐射气体占据主导，它随温度下降很快（四次方），温度接近相变时出现亚稳态真空（自由能出现新的极小，自由能较高，原本的真空态自由能为零），温度等于相变温度时，伪真空与真空出现简并，辐射继续降温，温度继续下降，相变不立即发生，真空保持相变温度四次方的密度，真空密度占据主导，到某一刻发生相变。放出大量相变潜热，重新加热气体，产生大量正反粒子，辐射升温，新的真空可忽略不计。
   这个过程如何能够解决视界疑难和今天宇宙的准平坦疑难是明显的，但是，要如何解决BSU-BAU和CMB的各向异性的问题呢？人们显然指望暴胀过程的细节可以决定它们。
   如果有GUT，并且把它超对称化，CP的破却程度依然远无法达到我们需要的量级10^-8，真空逐级破缺的尺度累积起来也解释不了为什么宇宙常数那么小（动力学真空也无法恰好抵消，引入超引力似乎也并不成功），而CMB的各向异性要怎么在10^-33s的时间内体现出来，也很难以想象。
   那么不防我们再进一步追问，暴胀如何发生？是由于额外维卷缩进plank尺度引起的效应？还是引力常数随时间的变化所致？我要去问谁才知道？
 
2 核宇宙学阶段0.1Gev（10^-4s）-10^-6Mev（10^12s）
    quark在0.1Gev阶段结合成了强子，数密度一下子比光子低了十个量级。Mev是核物理的能标，在温度降至1Mev（1s）时，原初核合成开始，此后在约30分钟内，合成了H,D,He,Li，Be，它们均以等离子形式存在。
    影响原初核合成的关键因素是：中微子的代数和核子光子数密度比值。前者影响宇宙膨胀速度，后者决定D合成的起始时间，继而影响中子衰变的时间，并进一步影响He核的产额。
 
3 原子宇宙学阶段10^-6Mev（10^12s）-10^4a
    高温等离子气体在这阶段开始复合。在大约0.295ev（2*10^5a）时，约90%的氢原子复合。继而在约0.25ev（2.5*10^5a）时，光子退耦。
 
4 结构形成
   结构形成的理论，涉及到自引力系统的不稳定，宇宙膨胀给扰动带来阻尼，自由流动阻尼，扰动的非线性。可以通过引力的动力学方程和其它来求解。辐射为主的时候，宇宙尺度因子R（t^1/2），实物为主的时候R（t^2/3）。jeans尺度和jeans质量是一个临界点，各种天文尺度的进视界时间是另一个临界点。扰动的初条件是必要条件。
   低密度模型的重子形成结构需要的初始扰动幅度过大。热暗物质的自由流动阻尼使得中小尺度的扰动被抹掉，只在大尺度上成立。冷暗物质则对于中小尺度的结构形成相对成功。由现在的非重子暗物质密度的上限来考虑，热暗物质的质量应该小于100ev，冷暗物质的质量则应该大于10Gev。现在的理论在调和上面的情况。
 
从上面的简述，我们可以看出宇宙学所面临问问题，和粒子物理学要回答的一些问题。
 
1 关于真空
   动力学真空如何抵消掉？超对称破却能标越高，留下的真空密度越高，这是不想看到的。
   真空逐级相变能使事情得到缓解，但远远不够。这涉及到GUT是否存在？SUSY是否存在？看起来它最好存在 。
 
2 关于CP
   它怎么要才能到我们需要的量级？粒子物理中CKM矩阵负担CP破坏，Higgs场也负担这一功能，但是很难到需要的量级，即传统的对称性特征解决不了这个问题。对称性回答不了只能求助于拓扑了。
   而事情一旦涉及到几何，马上又变得复杂起来，我并不畏惧复杂，但谁能告诉我所有这些事情的切入点应该在哪里？
 
3 额外维存在吗
  似乎诸多迹象显示应该是这么回事，否则时空为什么要是四维是不容易回答的问题。粒子物理里说为什么有费米子和玻色子之分，可以答说洛伦兹群的表示决定了这一点，但是无论如何，还是会问，为什么时空只有四维。