粒子宇宙學

粒子宇宙學是中國科學技術大學建設的慕課，於2019秋冬在智慧樹網首次開設，該課程授課教師為蔡一夫、唐承峰、李嘉睿。據2021年6月智慧樹網官網顯示，該課程已開課5學期。

該課程除緒論外，共有廣義相對論回顧、熱大爆炸、宇宙學擾動理論、玻耳茲曼方程、暴脹、非均勻性、各向異性、非高斯性、反彈宇宙學、重加熱、拓撲缺陷這11章內容。

基本介紹

• 中文名：粒子宇宙學
• 類別：慕課
• 建設院校：中國科學技術大學
• 授課平台：智慧樹網
• 首開時間：2019秋冬
• 授課教師：蔡一夫、唐承峰、李嘉睿

課程性質

課程背景

宇宙是如何誕生的？宇宙中的物質是怎么來的？宇宙的組成成分是怎么樣？宇宙為什麼會膨脹？宇宙未來的命運是什麼？……解答這一系列問題就有賴於粒子宇宙學這門學科。

粒子宇宙學是天文學與粒子物理的交叉學科，是研究宇宙的起源、演化、組成、命運以及有關理論、變化規律和方法學的一門學科，是人類認識整個宇宙以及物質世界起源、發展、命運的基礎，是21世紀活躍且有魅力的基礎學科之一。

課程定位

中國科學技術大學開設的粒子宇宙學課程是面向宇宙學方向研究生的專業課，讓學生具有學習興趣和多元化的發展前景，在重視宇宙學方向基礎知識的同時，在教學內容方面更加注重理論學習與教學實驗和科研實踐相結合，注重粒子宇宙學與高能粒子物理學、量子物理學、凝聚態物理學、數學、天體物理學等學科領域的知識交叉，並緊跟相關專業領域的科學發展前沿，更新和充實教學內容。

適應專業

該課程適合物理學類相關專業研究生學習。

課程簡介

該課程第一章簡要介紹課程的授課內容，參考教材與文獻以及考核方式；第二章主要回顧廣義相對論的基本內容以及介紹廣義相對論下宇宙學的基本內容；第三章主要介紹了宇宙熱歷史的各個階段，包括早期宇宙的各個物理過程，以及宇宙後期的幾個重要演化階段；第四章介紹了宇宙學擾動理論的基本內容；第五章介紹玻耳茲曼方程在宇宙學背景下的推導，物理含義，以及套用；第六章介紹了暴脹的物理動機，背景動力學，以及原初量子漲落；第七章介紹宇宙大尺度結構的演化；第八章介紹宇宙微波背景輻射的演化；第九章介紹了宇宙學擾動非高斯性特徵的物理起源與演化；第十章了解反彈宇宙學所解決的基本問題以及反彈宇宙的基本圖像與理論模型；第十一章了解宇宙重加熱過程的基本物理圖像，處理方法與基本模型；第十二章介紹宇宙拓撲缺陷的成因，物理圖像與理論模型。

課程大綱

第一章 緒論-課程介紹 1.1課程內容與目標 1.2參考教材與文獻 第二章 廣義相對論回顧 2.1相對論的歷史 2.2廣義相對論的基本內容 2.3宇宙學基本介紹 2.4宇宙學原理與FRW度規 2.5宇宙運動學 2.6宇宙動力學 2.7弗里德曼（Friedmann）方程與宇宙背景演化 第三章 熱大爆炸 3.1早期宇宙 3.2大爆炸火球介紹 3.3輻射主導的宇宙與熱歷史的出發點 3.4熱力學（1）—分布函式 3.5熱力學（2）—熱平衡與有效粒子數 3.6熱力學（3）—熵 3.7弱電相變，中微子退耦與正負電子電子湮滅 3.8原初核合成 第四章 宇宙學擾動理論 4.1擾動理論的歷史 4.2宇宙學擾動理論的含義與圖像 4.3度規的擾動與旋度分解 4.4規範變化與規範選取 4.5物質的擾動 4.6場方程的擾動 4.7宇宙學裡的統計性質 4.8擾動後的能量守恆方程 4.9擾動後的愛因斯坦方程 4.10宇宙學所用的統計學知識 第五章 玻耳茲曼方程 5.1玻耳茲曼方程的整體介紹 5.2玻耳茲曼方程的宇宙學套用 5.3無質量粒子的無碰撞玻耳茲曼方程（1） 5.4無質量粒子的無碰撞玻耳茲曼方程（2） 5.5無質量粒子的無碰撞玻耳茲曼方程（3） 5.6光子的玻耳茲曼方程 5.7冷暗物質（CDM）的玻耳茲曼方程 5.8重子的玻耳茲曼方程與玻耳茲曼方程的總結 第六章 暴脹 6.1標準宇宙學的疑難 6.2暴脹的基本物理圖像 6.3大爆炸疑難以及對疑難的解決（1） 6.4大爆炸疑難以及對疑難的解決（2） 6.5慢滾暴脹模型

6.6量子漲落基本圖像 6.7擾動在哈勃視界外的守恆 6.8曲率擾動的定義 6.9曲率擾動的演化方程 6.10量子擾動 6.11標量擾動的功率譜 6.12原初引力波的功率譜 第七章 非均勻性 7.1總體圖像 7.2擾動演化的基本介紹 7.3早期宇宙的玻爾茲曼方程 7.4大尺度結構的演化（1） 7.5大尺度結構的演化（2） 7.6小尺度結構的演化（1） 7.7小尺度結構的演化（2） 7.8轉移函式與增長因子 7.9物質功率譜 第八章 各向異性 8.1什麼是宇宙微波背景輻射（CMB）（1） 8.2什麼是宇宙微波背景輻射（CMB）（2） 8.3當今CMB的觀測 8.4光子自由流的傳播（1） 8.5光子自由流的傳播（2）李春龍 8.6玻耳茲曼方程的緊耦合極限李春龍 8.7大尺度與小尺度的演化李春龍 8.8定義可觀測量與今天的各向異性譜李春龍 第九章 非高斯性 9.1非高斯性的含義 9.2非高斯性的表達式 9.3in in formalism對非高斯性的計算 9.4ADM formalism在非高斯性中的套用 第十章 反彈宇宙學 10.1暴脹宇宙學的疑難 10.2反彈宇宙學的基本圖像 10.3反彈宇宙學的基本理論模型 10.4可行的反彈宇宙模型的構建（1） 10.5可行的反彈宇宙模型的構建（2） 第十一章 重加熱 11.1為什麼需要宇宙重加熱過程 11.2基本物理描述 11.3宇宙重加熱過程的數學建模 第十二章 拓撲缺陷 12.1拓撲缺陷的物理含義 12.2宇宙相變過程 12.3宇宙弦 12.4對宇宙弦的觀測限制

（註：課程大綱排版從左到右列）

開課信息

開課次數	開課時間	授課教師	學時安排	參與人數
第1學期開課	2019秋冬	蔡一夫、唐承峰、李嘉睿	52	1人
第2學期開課	2020春夏			103人
第3學期開課	2020秋冬			417人
第4學期開課	2021春夏			待定
第5學期開課	2021秋冬		53	待定

（註：表格內容參考資料）

課程特色

設計原則

1. 藉助於網際網路技術，粒子宇宙學課程採用“線上+線下”相結合的模式，線上進行視頻課程學習，線下進行見面討論，加深重點難點內容的理解和掌握。
2. 結合習題討論，鞏固加強學生對粒子宇宙學中重難點知識的理解。
3. 結合模型、動畫、視頻等多種表現方式，使教學活動更生動、教學內容更直觀，讓學生的學習更有效。

教學計畫

據2021年6月智慧樹網平台顯示，該課程在每一章安排了“作業測試”內容，且學習結束前安排了“期末考試”內容。

教學目標

• 知識目標

1. 使得學生系統掌握當代宇宙學對宇宙起源，演化規律的認識；
2. 使得學生掌握粒子宇宙學研究所用的基本數學方法與工具；
3. 培養學生了解和掌握粒子宇宙學的一般研究方法。

• 能力目標

1. 使學生初步具備計算宇宙背景演化的能力；
2. 使學生初步具備計算宇宙學一階擾動的能力。
3. 培養學生對粒子宇宙學的興趣，以獲得對科學探索不斷追求的激情。

• 素質目標

把人文精神滲透到粒子宇宙學的教學中，激發學生的學習興趣，培養學生的科學態度和創新精神，使學生成為具有科學精神和人文精神和諧結合的創新型人才。

考核標準

平時成績50分

平時成績=學習進度分（15.0分）+學習行為分（35.0分）

章測試成績10分

單項類目名稱	卷面分	單項滿分
第一章 單元測試	2	0.2
第二章 單元測試	10	0.9
第三章 單元測試	10	0.9
第四章 單元測試	10	0.9
第五章 單元測試	10	0.9
第六章 單元測試	10	0.9
第七章 單元測試	10	0.9
第八章 單元測試	10	0.9
第九章 單元測試	10	0.9
第十章 單元測試	10	0.9
第十一章 單元測試	10	0.9
第十二章 單元測試	10	0.8

期末考試成績40分

期末考試得分=期末考試實際得分/期末考試總分*權值

採用線上期末考試形式作為期末考試成績

試卷：教程考試

教師簡介

蔡一夫，中國科學技術大學物理學院天文系教授、博士生導師。研究方向為粒子宇宙學、粒子天文學、引力物理，主要研究領域是粒子宇宙學，重點集中在暴脹宇宙學，反彈宇宙學，宇宙起源問題，大尺度結構的早期形成，以及當前宇宙加速膨脹的動力學性質等方面。

唐承峰，中國科學技術大學研究生，主要研究方向為引力透鏡的理論模型和觀測檢驗。

李嘉睿，中國科學技術大學研究生，主要的研究方向為宇宙微波背景輻射和宇宙21厘米射線的掃描策略，宇宙微波背景輻射的極化分析和散射。