科學家：這種神秘的物質(zhì)，應(yīng)該來自第五維度

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。

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。

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？

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。

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。

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