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