宇宙学的热力学分析：广义热力学第二定理及相互作用暗能量模型

【摘要】： 天文观测数据表明,我们的宇宙在今天处于加速膨胀阶段。在标准宇宙学框架下,有人引入了暗能量的概念来解释宇宙的加速膨胀现象。但是我们对这种所谓的暗能量,除了知道它具有负压强外,知之甚少。我们知道黑洞动力学定理与热力学定理可以进行类比,因此也有人将黑洞动力学称为黑洞热力学。受黑洞热力学的启发,前人就各种引力理论条件下引力与热力学的关系做了很多研究[5]。而在宇宙学的框架下,有研究表明,在标准模型下的Friedmann方程的微分形式在表观视界上可以写成热力学第一定理的形式[6]。而这种联系自然而然地就让人想到,如果热力学诠释引力的方法具有一般性(而非只有第一定理成立).那么我们就可以用热力学的方法来探索宇宙的性质,因为从热力学这一角度来研究引力问题会显得相对容易一些。本文的工作就是在热力学第二定理的基础上对不同的宇宙学模型进行研究。本文结构如下: 第一章是背景介绍,它包括两部分:暗物质与暗能量的相互作用和热力学第二定理。 在第二章,我们研究了在加速膨胀宇宙中的广义热力学第二定理。结果表明:在加速膨胀宇宙中,只有在表观视界包络的体系中,广义热力学第二定理才成立,而在事件视界包络的体系中,广义热力学第二定理不成立。这也从热力学的角度说明宇宙的事件视界并非一个好的物理边界。 在第三章,我们讨论了暗物质与暗能量之间的相互作用,其中用到了非平衡过程的广义热力学第二定理。结果表明,暗物质与暗能量之间的相互作用是不可忽略的,且今天暗物质的温度与其他文献中得到的温暗物质的温度大小相当。 两个工作的分析中,我们均用到了Ia型超新星数据。