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天文观测数据表明我们所处的宇宙经历了两次加速膨胀。在极早期,宇宙可能经历了一个被称为暴胀的加速膨胀阶段。而在宇宙大尺度结构形成直至现在,宇宙可能正在经历一个暗能量主导的加速膨胀阶段。关于这两次加速膨胀的研究是当前宇宙学最为活跃的领域之一。
标准热大爆炸宇宙学虽然取得了巨大的成就,但是不能解决包括视界问题在内的诸多疑难。暴胀理论不仅解决了标准热大爆炸宇宙学中的大部分问题,还得出了一个很重要的预言:标度不变的原初扰动谱。我们把暴胀模型粗略地分为大场模型,小场模型,混合模型以及双暴胀模型的同时,主要介绍了标量场慢滚模型的动力学和单场原初扰动谱的计算。暴胀理论不能解释奇点问题,而且其自身也有Trans-Planck等问题,对于描述整个宇宙的演化历史暴涨理论是不完善的。作者介绍三个不仅能够解决奇点问题,而且能够产生标度不变譜的模型(Pre-big-bang模型,弦气体宇宙学模型,以及物质反弹模型)。
在本论文中,作者着重探讨了两种暴胀模型。一种是暖暴胀模型,在不同的背景下暴胀子与其它场的相互作用会给出不同的耗散系数,作者用一个统一的形式概括这些耗散系数,并考虑在这个统一形式下暖暴胀不同的宇宙学效应。总的来讲,暖暴胀可以增大慢滚的参数空间,模型的热扰动可提供原初功率谱的源,暖暴胀的宇宙学效应与耗散系数中参数的选择密切相关。另一种是矢量场暴胀模型,虽然用“宇宙三角”和“N-暴胀”的形式可以解决矢量场各向异性的问题,但是暴胀模型中如果没有慢滚条件de-Sitter相是不能持续足够长的时间以解决热大爆炸宇宙学中的问题。因此我们详细考察了矢量场暴胀模型的慢滚条件,同时在不考虑de-Sitter相持续时间的情况下考虑快滚条件。
暗能量是解释当前宇宙加速膨胀的能量组分的通称,相关的研究极大地推动了现代宇宙学的发展。暗能量的本质和量子引力密切相关,作者简单介绍了三种类型的暗能量模型,分别为宇宙学常数模型,标量场暗能量模型,和修改引力的暗能量模型,同时我们详细介绍了全息里奇标量暗能量模型。全息里奇标量暗能量模型用因果关联尺度作为宇宙的红外截断,其导致的宇宙演化可以和宇宙的真实历史以及当前的数据大致符合。