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第1章 引论1

1.1 牛顿宇宙学的疑难1

1.2 宇宙学的标准模型3

1.2.1 Hubble定律5

1.2.2 大爆炸核合成5

1.2.3 宇宙微波背景辐射6

1.3 新物理的证据7

1.3.1 暴胀7

1.3.2 重子合成8

1.3.3 暗物质8

1.3.4 宇宙学常数问题9

1.4 宇宙的年龄和大小10

1.5 超出广义相对论的宇宙学模型11

参考文献12

第2章 广义相对论13

2.1 标量 矢量 张量13

2.2 测地方程15

2.2.1 牛顿力学15

2.2.2 相对论力学16

2.3 平直时空的能量和动量18

2.4 平直时空中的能动张量18

2.5 弯曲时空19

2.6 平直和弯曲时空中的场方程21

2.7 Einstein方程22

习题24

参考文献24

第3章 粒子物理的标准模型25

3.1 费米子26

3.1.1 轻子27

3.1.2 夸克27

3.2 玻色子28

3.2.1 规范玻色子29

3.2.2 Higgs粒子29

3.3 Feynman图30

3.4 超出粒子物理的最小标准模型31

3.4.1 超对称模型32

3.4.2 大统一理论33

3.4.3 重中微子33

3.4.4 Peccei-Quinn模型35

3.5 粒子间的相互作用反应概率35

习题37

参考文献37

第4章 宇宙学模型38

4.1 Friedmann-Robertson-Walker度规39

4.4 Friedmann方程组40

4.3 宇宙学模型41

4.3.1 Einstein宇宙41

4.3.2 物质主导的宇宙42

4.3.3 辐射主导的宇宙43

4.3.4 真空能主导的宇宙44

4.4 FRW度规的基本性质44

4.5 宇宙的年龄46

4.6 ACDM模型47

4.7 宇宙的命运49

习题50

参考文献51

第5章 宇宙学中的动力学和热力学52

5.1 早期宇宙的热平衡52

5.1.1 一般特征52

5.1.2 动力学方程55

5.1.3 等离子体加热与熵守恒58

5.2 种类冻结59

5.2.1 退耦合与Gershtein-Zeldovich限制60

5.2.2 非相对论粒子的冻结62

5.3 中微子能谱与中微子种类的有效数值65

习题66

参考文献67

第6章 暴胀68

6.1 暴胀的历史68

6.2 预暴胀宇宙学的问题69

6.2.1 暴胀动力学及其主要特征69

6.2.2 平直问题70

6.2.3 视界问题71

6.2.4 宇宙膨胀的起源71

6.2.5 平滑宇宙与原初等离子体的产生71

6.2.6 磁单极问题72

6.3 暴胀机制73

6.3.1 带有指数势的正则标量暴胀73

6.3.2 其他暴胀机制75

6.4 宇宙加热76

6.4.1 扰动产生77

6.4.2 非扰动现象79

6.4.3 参数共振81

6.4.4 引力场中的粒子产生83

6.5 引力波的产生84

6.6 密度扰动的产生87

参考文献89

第7章 重子合成93

7.1 重子合成的观测证据93

7.2 重子合成模型的一般特征94

7.2.1 Sakharov原理94

7.2.2 宇宙学中的CP破缺96

7.3 重子合成的模型97

7.3.1 通过重粒子衰变的重子合成97

7.3.2 电弱重子合成98

7.3.3 通过轻子的重子合成100

7.3.4 原初黑洞蒸发101

7.3.5 自发重子合成104

7.3.6 标量重子凝聚的重子合成107

7.4 宇宙学的反物质109

习题113

参考文献113

第8章 大爆炸核合成117

8.1 宇宙中的轻元素117

8.2 弱相互作用的冻结118

8.3 正负电子湮灭119

8.4 氘瓶颈120

8.5 原初核合成121

8.6 重子丰度123

8.7 对新物理的限制124

习题125

参考文献125

第9章 暗物质126

9.1 暗物质的观测证据126

9.2 暗物质候选者128

9.2.1 最轻的超对称粒子129

9.2.2 轴子130

9.2.3 超大质量粒子130

9.2.4 原初黑洞131

9.3 暗物质粒子的直接搜寻132

9.4 暗物质粒子的间接搜寻134

习题135

参考文献136

第10章 宇宙微波背景137

10.1 重组与退耦137

10.2 描述扰动的公式138

10.3 CMB的各向异性141

10.3.1 原初各向异性142

10.3.2 次级各向异性143

10.3.3 极化各向异性143

10.4 原初扰动145

10.5 确定宇宙学参数146

习题147

参考文献147

第11章 暗能量148

11.1 宇宙加速膨胀148

11.1.1 天文数据149

11.1.2 标量场导致加速膨胀150

11.1.3 修改引力论151

11.2 真空能的问题152

参考文献153

第12章 密度扰动155

12.1 牛顿引力理论下的密度扰动155

12.2 广义相对论下的密度扰动159

12.2.1 度规和曲率159

12.2.2 能动张量160

12.2.3 规范选择160

12.2.4 渐近平直时空中的扰动演化162

12.2.5 宇宙学扰动演化163

12.2.6 广义相对论下密度扰动的几个结论167

12.3 修改引力论中的密度扰动168

12.3.1 一般方程168

12.3.2 修改后的Jeans不稳定性172

12.3.3 时间依赖背景的效应173

习题173

参考文献174

附录A 自然单位制176

附录B 规范理论178

附录C 场量子化180