动力学暗能量模型的研究

论文摘要

上世纪80年代初暴涨理论的提出宣告了粒子宇宙学的诞生,而1998年暗能量的发现使粒子宇宙学成为了当今最热的物理学研究领域之一.从上世纪90年代以来,包括COBE和WMAP在内的各种宇宙学实验精确地测量了各个宇宙学参数,同时成功检验了暴涨等宇宙学理论,标志着精测宇宙学时代的到来.在进入动力学暗能量模型这个主题之前,本文先介绍必要的宇宙学背景知识.广义相对论的时空观和动力学方程对理解现代宇宙学是不可或缺的,我们把这方而的简单介绍列于附录中.关于背景宇宙学,我们先引入满足宇宙学原理的最一般的度规,即Robertson-Walker度规,再根据爱因斯坦方程推出在这个度规下的动力学方程,然后考察给定状态方程的理想流体的动力学演化.接着,我们介绍粒子物理的基本知识,包括标准模型和超出标准模型,因为现代宇宙学也离不开粒子物理.之后,我们考察宇宙的热历史,即标准热大爆炸模型,分别列举了在辐射,物质以及暗能量为主时期发生的各个重要事件.鉴于与暗能量的相似性,这部分最后介绍对热大爆炸模型的一个重要修正,即原初暴涨模型.我们接下来讨论暗能量的各种模型.这部分先介绍宇宙学常数模型,并指出它的两个问题,即精细调节问题和巧合性问题.基于这两个问题以及粒子物理理论方面的考虑和观测数据的现状,我们引入动力学暗能量模型,并考察了几种主要的动力学暗能量模型的基本思想,包括Quintessence,Phantom,Quintom,K-essence和全息暗能量.之后,我们把注意力集中于Quintessence动力学暗能量模型.根据本论文对精细调节问题和巧合性问题的定义,引入动力学暗能量本身已经避免了精细调节问题,所以这部分主要探讨Quintessence的动力学演化怎样缓解巧合性问题.我们先简单介绍分析Quintessence的演化所需的自治动力学系统的知识.在化简Quintessence动力学系统之后,我们着重讨论两类模型:Tracking解和Scaling解.然后,我们考察与物质耦合的Quintessence模型对巧合性问题的启示.最后我们进入本论文的创新性工作部分.这部分我们先引入一种新的重建Quintessence势的方法.用这种方法,我们很容易地得到一个以前没有发现的Tracker解,并很直接地得到一个多重吸引子解,即,在给定参数下有多于一个吸引子的解.然后,我们提出一个新的Quintessence模型.在这个模型中,Quintessence场,通过其场值在很短时间内的变化,从一个Scaling吸引子跳到一个类de Sitter吸引子使宇宙加速膨胀.我们接着计算了这样的跳跃所需的场值变化,并提出一个基于自发对称破缺的机制,来实现这个场值的突变.

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第1章 引言
• 1.1 粒子宇宙学
• 1.2 暗能量的证据和限制
• 1.3 本文结构
• 第2章 背景宇宙学
• 2.1 Robertson-Walker度规
• 2.2 Friedmann方程
• 2.3 理想流体演化
• 2.4 粒子物理标准模型及其超出
• 2.4.1 标准模型
• 2.4.2 超对称
• 2.4.3 超弦/M理论
• 2.5 宇宙热历史
• 2.6 暴涨模型
• 第3章 暗能量
• 3.1 宇宙学常数
• 3.2 动力学暗能量模型
• 3.2.1 Quintessence模型
• 3.2.2 Phantom模型
• 3.2.3 Quintom模型
• 3.2.4 K-essence模型
• 3.2.5 全息暗能量模型
• 第4章 Quintessence动力学
• 4.1 自治动力学系统
• 4.2 动力学方程组
• 4.3 Tracking解
• 4.4 Scaling解
• 4.4.1 指数势
• 4.4.2 双指数势
• 4.4.3 Sahni-Wang势
• 4.5 耦合Quintessence模型
• 第5章 Quintessence势重建与多重吸引子解
• 5.1 Quintessence势重建
• 5.2 新的Tracking解
• 5.3 多重吸引子解
• 5.4 多重吸引子解的实现
• 第6章 总结与展望
• 附录A 时空及其动力学
• A.1 黎曼流形
• A.2 张量与协变导数
• A.3 爱因斯坦场方程
• 参考文献
• 致谢
• 发表论文
• 学位论文评阅及答辩情况表