粒子宇宙学
粒子宇宙学
1000+ 人选课
更新日期:2025/06/03
开课平台智慧树
开课高校中国科学技术大学
开课教师蔡一夫唐承峰李嘉睿
学科专业理学物理学类
开课时间2025/01/21 - 2025/07/20
课程周期26 周
开课状态开课中
每周学时-
课程简介
粒子宇宙学是天文学与粒子物理的交叉学科,是研究宇宙的起源、演化、组成、命运以及有关理论、变化规律和方法学的一门学科,是人类认识整个宇宙以及物质世界起源、发展、命运的基础,是当今时代最活跃,最有魅力的基础学科之一。 中国科学技术大学开设的《粒子宇宙学》是面向宇宙学方向研究生的专业课,在重视宇宙学方向基础知识的同时,注重理论学习与教学实验和科研实践相结合,注重粒子宇宙学与高能粒子物理学、量子物理学,凝聚态物理学,数学,天体物理等学科领域的知识交叉,并紧跟相关专业领域的科学发展前沿,不断吸收新知识,更新和充实教学内容。
课程大纲

在线教程

章节简介教学计划
绪论-课程介绍
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课程内容与目标
蔡一夫
参考教材与文献
蔡一夫
广义相对论回顾
相对论的历史
蔡一夫
广义相对论的基本内容
蔡一夫
宇宙学基本介绍
蔡一夫
宇宙学原理与FRW度规
蔡一夫
宇宙运动学
蔡一夫
宇宙动力学
蔡一夫
弗里德曼(Friedmann)方程与宇宙背景演化
蔡一夫
热大爆炸
早期宇宙
蔡一夫
大爆炸火球介绍
蔡一夫
辐射主导的宇宙与热历史的出发点
蔡一夫
热力学(1)—分布函数
蔡一夫
热力学(2)—热平衡与有效粒子数
蔡一夫
热力学(3)—熵
蔡一夫
弱电相变,中微子退耦与正负电子电子湮灭
蔡一夫
原初核合成
蔡一夫
宇宙学扰动理论
扰动理论的历史
蔡一夫
宇宙学扰动理论的含义与图像
蔡一夫
度规的扰动与旋度分解
蔡一夫
规范变化与规范选取
蔡一夫
物质的扰动
蔡一夫
场方程的扰动
蔡一夫
宇宙学里的统计性质
蔡一夫
扰动后的能量守恒方程
蔡一夫
扰动后的爱因斯坦方程
蔡一夫
宇宙学所用的统计学知识
蔡一夫
玻耳兹曼方程
玻耳兹曼方程的整体介绍
蔡一夫
玻耳兹曼方程的宇宙学应用
蔡一夫
无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(1)
蔡一夫
无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(2)
蔡一夫
无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(3)
蔡一夫
光子的玻耳兹曼方程
蔡一夫
冷暗物质(CDM)的玻耳兹曼方程
蔡一夫
重子的玻耳兹曼方程与玻耳兹曼方程的总结
蔡一夫
暴胀
标准宇宙学的疑难
蔡一夫
暴胀的基本物理图像
蔡一夫
大爆炸疑难以及对疑难的解决(1)
蔡一夫
大爆炸疑难以及对疑难的解决(2)
蔡一夫
慢滚暴胀模型
蔡一夫
量子涨落基本图像
蔡一夫
扰动在哈勃视界外的守恒
蔡一夫
曲率扰动的定义
蔡一夫
曲率扰动的演化方程
蔡一夫
量子扰动
蔡一夫
标量扰动的功率谱
蔡一夫
原初引力波的功率谱
蔡一夫
非均匀性
总体图像
蔡一夫
扰动演化的基本介绍
蔡一夫
早期宇宙的玻尔兹曼方程
蔡一夫
大尺度结构的演化(1)
蔡一夫
大尺度结构的演化(2)
蔡一夫
小尺度结构的演化(1)
蔡一夫
小尺度结构的演化(2)
蔡一夫
转移函数与增长因子
蔡一夫
物质功率谱
蔡一夫
各向异性
什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(1)
蔡一夫
什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(2)
蔡一夫
当今CMB的观测
蔡一夫
光子自由流的传播(1)
蔡一夫
光子自由流的传播(2)
李春龙
玻耳兹曼方程的紧耦合极限
李春龙
大尺度与小尺度的演化
李春龙
定义可观测量与今天的各向异性谱
李春龙
非高斯性
非高斯性的含义
蔡一夫
非高斯性的表达式
蔡一夫
in in formalism对非高斯性的计算
蔡一夫
ADM formalism在非高斯性中的应用
蔡一夫
反弹宇宙学
暴胀宇宙学的疑难
蔡一夫
反弹宇宙学的基本图像
蔡一夫
反弹宇宙学的基本理论模型
蔡一夫
可行的反弹宇宙模型的构建(1)
蔡一夫
可行的反弹宇宙模型的构建(2)
蔡一夫
重加热
为什么需要宇宙重加热过程
蔡一夫
基本物理描述
蔡一夫
宇宙重加热过程的数学建模
蔡一夫
拓扑缺陷
拓扑缺陷的物理含义
蔡一夫
宇宙相变过程
蔡一夫
宇宙弦
蔡一夫
对宇宙弦的观测限制
蔡一夫
  • 第一章绪论-课程介绍

    简要介绍课程的授课内容,参考教材与文献以及考核方式

  • 1.1课程内容与目标

    知道需要掌握的内容

  • 1.2参考教材与文献

    学会检索科学文献

  • 第二章广义相对论回顾

    主要回顾广义相对论的基本内容以及介绍广义相对论下宇宙学的基本内容

  • 2.1相对论的历史

    广义相对论之前的发展历史

  • 2.2广义相对论的基本内容

    相对论基本假设与爱因斯坦引力场方程

  • 2.3宇宙学基本介绍

    总体介绍宇宙学基本内容

  • 2.4宇宙学原理与FRW度规

    宇宙学基本假设及其导出的度规形式

  • 2.5宇宙运动学

    FRW度规的应用

  • 2.6宇宙动力学

    宇宙学红移与哈勃定律

  • 2.7弗里德曼(Friedmann)方程与宇宙背景演化

    弗里德曼(Friedmann)方程的形式及求解

  • 第三章热大爆炸

    主要介绍了宇宙热历史的各个阶段,包括早期宇宙的各个物理过程,以及宇宙后期的几个重要演化阶段

  • 3.1早期宇宙

    早期宇宙的各种高能物理过程

  • 3.2大爆炸火球介绍

    相对低能的各种物理过程

  • 3.3辐射主导的宇宙与热历史的出发点

    辐射主导时期宇宙的背景演化与宇宙膨胀速率粒子相互作用速率的比较

  • 3.4热力学(1)—分布函数

    宇宙学背景下的分布函数的

  • 3.5热力学(2)—热平衡与有效粒子数

    热平衡的条件以及有效粒子数的计算

  • 3.6热力学(3)—熵

    熵的计算

  • 3.7弱电相变,中微子退耦与正负电子电子湮灭

    三种过程的起因,物理结果与相关的温度演化

  • 3.8原初核合成

    原初核合成的基本估算与各元素相对丰度

  • 第四章宇宙学扰动理论

    宇宙学扰动理论的基本内容

  • 4.1扰动理论的历史

    扰动理论的创立者

  • 4.2宇宙学扰动理论的含义与图像

    什么是宇宙学扰动理论

  • 4.3度规的扰动与旋度分解

    SVT分解

  • 4.4规范变化与规范选取

    规范变换与实际自由度的问题

  • 4.5物质的扰动

    能动张量的扰动分解

  • 4.6场方程的扰动

    将度规和物质的扰动应用到场方程

  • 4.7宇宙学里的统计性质

    统计学在宇宙学中的简单应用

  • 4.8扰动后的能量守恒方程

    零阶与一阶能量守恒方程的表达式

  • 4.9扰动后的爱因斯坦方程

    零阶与一阶爱因斯坦方程的表达式

  • 4.10宇宙学所用的统计学知识

    关联函数,功率谱与Wick定理

  • 第五章玻耳兹曼方程

    介绍玻耳兹曼方程在宇宙学背景下的推导,物理含义,以及应用。

  • 5.1玻耳兹曼方程的整体介绍

    玻耳兹曼方程的描述对象

  • 5.2玻耳兹曼方程的宇宙学应用

    玻耳兹曼方程与宇宙学的结合

  • 5.3无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(1)

    基本表达式及速度项的展开

  • 5.4无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(2)

    动量导数项与动量方向导数项的展开

  • 5.5无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(3)

    零阶与一阶方程的表达式

  • 5.6光子的玻耳兹曼方程

    与康普顿散射对应的碰撞项的表达式

  • 5.7冷暗物质(CDM)的玻耳兹曼方程

    CDM与相对论性粒子的区别

  • 5.8重子的玻耳兹曼方程与玻耳兹曼方程的总结

    复杂碰撞项的处理方程

  • 第六章暴胀

    暴胀的物理动机,背景动力学,以及原初量子涨落

  • 6.1标准宇宙学的疑难

    标准宇宙学的两个著名疑难

  • 6.2暴胀的基本物理图像

    暴胀解决标准宇宙学疑难的基本图像

  • 6.3大爆炸疑难以及对疑难的解决(1)

    粒子视界,哈勃半径的演化以及几种疑难

  • 6.4大爆炸疑难以及对疑难的解决(2)

    标准的暴胀宇宙学介绍

  • 6.5慢滚暴胀模型

    慢滚暴胀所用标量场的基本知识

  • 6.6量子涨落基本图像

    量子涨落的基本物理以及CMB的观测限制

  • 6.7扰动在哈勃视界外的守恒

    哈勃视界内与外扰动方程的不同

  • 6.8曲率扰动的定义

    引入的意义与基本表达式

  • 6.9曲率扰动的演化方程

    作用量表达式与运动方程的推导

  • 6.10量子扰动

    扰动的量子化方法

  • 6.11标量扰动的功率谱

    标量功率谱的推导

  • 6.12原初引力波的功率谱

    引力波功率谱的推导

  • 第七章非均匀性

    宇宙大尺度结构的演化

  • 7.1总体图像

    扰动进哈勃视界出哈勃视界的过程

  • 7.2扰动演化的基本介绍

    直观展示标量扰动,原初引力波的演化行为

  • 7.3早期宇宙的玻尔兹曼方程

    视界外玻耳兹曼方程的简化

  • 7.4大尺度结构的演化(1)

    大尺度扰动的超视界演化

  • 7.5大尺度结构的演化(2)

    大尺度扰动穿越哈勃视界的演化

  • 7.6小尺度结构的演化(1)

    小尺度扰动穿越哈勃视界的演化

  • 7.7小尺度结构的演化(2)

    小尺度扰动的亚视界演化

  • 7.8转移函数与增长因子

    转移函数与增长因子的定义以及物理含义

  • 7.9物质功率谱

    物质功率谱的表达式

  • 第八章各向异性

    宇宙微波背景辐射的演化

  • 8.1什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(1)

    CMB的含义

  • 8.2什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(2)

    光子的最后散射面与CMB的起源

  • 8.3当今CMB的观测

    三大CMB实验的观测结果

  • 8.4光子自由流的传播(1)

    自由传播过程玻耳兹曼方程的基本表达式

  • 8.5光子自由流的传播(2)

    自由传播过程玻耳兹曼方程中各项的物理含义

  • 8.6玻耳兹曼方程的紧耦合极限

    紧耦合极限的物理含义以及在这一极限下方程的求解

  • 8.7大尺度与小尺度的演化

    大尺度下的CMB演化方程,以及声学振荡,散射衰减过程

  • 8.8定义可观测量与今天的各向异性谱

    CMB功率谱的球谐函数展开

  • 第九章非高斯性

    宇宙学扰动非高斯性特征的物理起源与演化

  • 9.1非高斯性的含义

    非高斯性的物理图像

  • 9.2非高斯性的表达式

    认识几种极限下的情况

  • 9.3in in formalism对非高斯性的计算

    in in formalism的物理含义及计算方法

  • 9.4ADM formalism在非高斯性中的应用

    ADM formalism的导出与处理方法

  • 第十章反弹宇宙学

    了解反弹宇宙学所解决的基本问题以及反弹宇宙的基本图像与理论模型

  • 10.1暴胀宇宙学的疑难

    暴胀宇宙学的奇异性疑难

  • 10.2反弹宇宙学的基本图像

    反弹宇宙基本的物理过程与实现手段

  • 10.3反弹宇宙学的基本理论模型

    几种反弹宇宙模型

  • 10.4可行的反弹宇宙模型的构建(1)

    构造反弹宇宙模型的挑战

  • 10.5可行的反弹宇宙模型的构建(2)

    避免梯度不稳定性的方法及一些基本的数值结果

  • 第十一章重加热

    了解宇宙重加热过程的基本物理图像,处理方法与基本模型。

  • 11.1为什么需要宇宙重加热过程

    宇宙重加热理论的物理动机

  • 11.2基本物理描述

    马修方程与参数共振

  • 11.3宇宙重加热过程的数学建模

    格点法模拟重加热过程

  • 第十二章拓扑缺陷

    宇宙拓扑缺陷的成因,物理图像与理论模型

  • 12.1拓扑缺陷的物理含义

    什么是拓扑缺陷及物理图像

  • 12.2宇宙相变过程

    拓扑缺陷的成因

  • 12.3宇宙弦

    宇宙弦的物理图像与基本理论模型

  • 12.4对宇宙弦的观测限制

    宇宙弦所导致的观测效应

  • 开始学习
  • 第一章  作业测试
    第一章 绪论-课程介绍

    1.1 课程内容与目标

    1.2 参考教材与文献

    视频数2
  • 第二章  作业测试
    第二章 广义相对论回顾

    2.1 相对论的历史

    2.2 广义相对论的基本内容

    2.3 宇宙学基本介绍

    2.4 宇宙学原理与FRW度规

    2.5 宇宙运动学

    2.6 宇宙动力学

    2.7 弗里德曼(Friedmann)方程与宇宙背景演化

    视频数7
  • 第三章  作业测试
    第三章 热大爆炸

    3.1 早期宇宙

    3.2 大爆炸火球介绍

    3.3 辐射主导的宇宙与热历史的出发点

    3.4 热力学(1)—分布函数

    3.5 热力学(2)—热平衡与有效粒子数

    3.6 热力学(3)—熵

    3.7 弱电相变,中微子退耦与正负电子电子湮灭

    3.8 原初核合成

    视频数8
  • 第四章  作业测试
    第四章 宇宙学扰动理论

    4.1 扰动理论的历史

    4.2 宇宙学扰动理论的含义与图像

    4.3 度规的扰动与旋度分解

    4.4 规范变化与规范选取

    4.5 物质的扰动

    4.6 场方程的扰动

    4.7 宇宙学里的统计性质

    4.8 扰动后的能量守恒方程

    4.9 扰动后的爱因斯坦方程

    4.10 宇宙学所用的统计学知识

    视频数10
  • 第五章  作业测试
    第五章 玻耳兹曼方程

    5.1 玻耳兹曼方程的整体介绍

    5.2 玻耳兹曼方程的宇宙学应用

    5.3 无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(1)

    5.4 无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(2)

    5.5 无质量粒子的无碰撞玻耳兹曼方程(3)

    5.6 光子的玻耳兹曼方程

    5.7 冷暗物质(CDM)的玻耳兹曼方程

    5.8 重子的玻耳兹曼方程与玻耳兹曼方程的总结

    视频数8
  • 第六章  作业测试
    第六章 暴胀

    6.1 标准宇宙学的疑难

    6.2 暴胀的基本物理图像

    6.3 大爆炸疑难以及对疑难的解决(1)

    6.4 大爆炸疑难以及对疑难的解决(2)

    6.5 慢滚暴胀模型

    6.6 量子涨落基本图像

    6.7 扰动在哈勃视界外的守恒

    6.8 曲率扰动的定义

    6.9 曲率扰动的演化方程

    6.10 量子扰动

    6.11 标量扰动的功率谱

    6.12 原初引力波的功率谱

    视频数12
  • 第七章  作业测试
    第七章 非均匀性

    7.1 总体图像

    7.2 扰动演化的基本介绍

    7.3 早期宇宙的玻尔兹曼方程

    7.4 大尺度结构的演化(1)

    7.5 大尺度结构的演化(2)

    7.6 小尺度结构的演化(1)

    7.7 小尺度结构的演化(2)

    7.8 转移函数与增长因子

    7.9 物质功率谱

    视频数9
  • 第八章  作业测试
    第八章 各向异性

    8.1 什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(1)

    8.2 什么是宇宙微波背景辐射(CMB)(2)

    8.3 当今CMB的观测

    8.4 光子自由流的传播(1)

    8.5 光子自由流的传播(2)

    8.6 玻耳兹曼方程的紧耦合极限

    8.7 大尺度与小尺度的演化

    8.8 定义可观测量与今天的各向异性谱

    视频数8
  • 第九章  作业测试
    第九章 非高斯性

    9.1 非高斯性的含义

    9.2 非高斯性的表达式

    9.3 in in formalism对非高斯性的计算

    9.4 ADM formalism在非高斯性中的应用

    视频数4
  • 第十章  作业测试
    第十章 反弹宇宙学

    10.1 暴胀宇宙学的疑难

    10.2 反弹宇宙学的基本图像

    10.3 反弹宇宙学的基本理论模型

    10.4 可行的反弹宇宙模型的构建(1)

    10.5 可行的反弹宇宙模型的构建(2)

    视频数5
  • 第十一章  作业测试
    第十一章 重加热

    11.1 为什么需要宇宙重加热过程

    11.2 基本物理描述

    11.3 宇宙重加热过程的数学建模

    视频数3
  • 第十二章  作业测试
    第十二章 拓扑缺陷

    12.1 拓扑缺陷的物理含义

    12.2 宇宙相变过程

    12.3 宇宙弦

    12.4 对宇宙弦的观测限制

    视频数4
  • 期末考试