提到暗物質(zhì),相信大家都不陌生,簡單來講,暗物質(zhì)就是存在于宇宙中的一種不可見的神秘物質(zhì),雖然我們無法直接看到它們,卻可以觀測到其產(chǎn)生的強大引力,如果沒有這種引力,那些高速旋轉(zhuǎn)的星系都會分崩離析,宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)也無法形成。
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幾十年來,科學家一直在試圖探索暗物質(zhì)的本質(zhì)。在一項發(fā)表在《歐洲物理學雜志C》上的研究中,科學家得出了一個新的觀點,即:這種神秘的物質(zhì),應(yīng)該來自第五維度。下面我們來看看這具體是怎么回事。
第五維度的想法由來已久,早在上世紀20年代,就有物理學家嘗試在愛因斯坦的四維時空(三維空間 + 一維時間)上增加一個維度,試圖以此來統(tǒng)一引力和電磁力。
但問題是,如果第五維度真的存在,它在哪呢?我們?yōu)槭裁锤杏X不到?當時的解釋是,它“卷曲”在了一個極為微小的尺度上,以至于我們根本無法察覺。
到了1999年,物理學家麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)和拉曼·桑德魯姆(Raman Sundrum)又提出了一個新模型。
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他們認為,為什么額外維度非要“小”呢?它完全可以是無限大,甚至是“扭曲”的。
在這種“扭曲額外維度”模型中,我們所知的這個包含所有粒子和除引力外所有基本力的四維時空——并不是全部,更像是一層“膜”(Brane),“漂浮”在一個更高維度(五維)的“體”(Bulk)中。
這個設(shè)想最精妙的地方在于:它規(guī)定,構(gòu)成我們和我們周圍一切的粒子(如電子、夸克)以及傳遞力的粒子(如光子),全都被“粘”在這張四維的“膜”上,無法逃脫。
唯一的例外是引力,因為引力是時空本身的彎曲,它天生就可以在整個五維“體”中自由穿梭。
這個理論一經(jīng)提出就引起了大量關(guān)注,因為它優(yōu)雅地解釋了物理學中一個巨大的謎團——等級問題:為什么引力與其他三種基本力(電磁力、強核力、弱核力)相比,會弱得如此離譜?
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答案就是:引力并沒有那么弱。只是它的大部分“力氣”都“稀釋”到了那個廣闊的五維“體”中,只有一小部分作用在了我們這張“膜”上。所以我們感受到的引力,才顯得如此的弱。
實際上,此次研究的內(nèi)容,就是根據(jù)這個理論去解決暗物質(zhì)問題。
在此次研究中,科學家通過嚴謹?shù)臄?shù)學方法推算出,如果第五維度真的存在,那么在這個“扭曲額外維度”中,就存在一種全新的費米子。
所以一個合理的推測就是:
- 我們的“膜”上存在著標準模型的粒子,它們構(gòu)成了我們所見的世界。
- 那個廣闊的五維“體”中,并非空無一物,那里也存在著其他的費米子,我們可以稱之為“體費米子”(Bulk Fermions)。它們和我們的電子、夸克本質(zhì)上是同類,只是“住”的地方不一樣。
- 因為這些“體費米子”存在于“體”中,它們根本不和我們的光子、電子發(fā)生任何關(guān)系,所以它們對我們來說是完全透明和不可見的
- 但是,它們有質(zhì)量,會產(chǎn)生可以跨越維度的引力
- 這種“體費米子”,很可能就是我們苦苦尋找的暗物質(zhì)。
我們可以將其簡單地理解為,所謂的暗物質(zhì),可能就是一種費米子,只不過,它們存在于“隔壁”——那個我們感知不到的第五維度。那么問題就來了,這個理論可以被證實嗎?
對此,科學家表示,如果第五維度真的存在,并且在宇宙極早期經(jīng)歷過某些劇烈的“相變”(比如“體費米子”的產(chǎn)生過程),就會在時空中激起巨大的“漣漪”——引力波。
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由于這種引力波的特征將非常獨特,是標準宇宙學模型無法產(chǎn)生的,因此它們就會成為來自第五維度的“回聲”,至今仍然在宇宙中傳播,未來,像LISA(激光干涉儀空間天線)這樣的空間引力波探測器,或許發(fā)現(xiàn)它的蹤跡。
另一方面,不同類型的暗物質(zhì),它們在宇宙中“抱團”的方式是不同的。這種“體費米子”暗物質(zhì),它在宇宙大尺度結(jié)構(gòu)(比如星系團的分布)上留下的“指紋”,會與傳統(tǒng)的WIMP模型截然不同。
而隨著韋布空間望遠鏡和維拉·魯賓天文臺等新一代巡天設(shè)備投入使用,我們正在以前所未有的精度繪制宇宙地圖,通過對比這些“地圖”和不同理論模型的預測,我們也應(yīng)該能分辨出,究竟是哪種暗物質(zhì)模型更符合實際情況。
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參考資料:A warped scalar portal to fermionic dark matter. Eur. Phys. J. C81, 58 . doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-08851-0
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