我们能否通过增加宇宙的维度来解释暗物质

北京时间 7 月 14 日消息，暗物质的奇特性质可能超出了任何人的想象。通过一项新的模拟研究，宇宙学家认为这种占宇宙质量 80% 以上的神秘物质可以相互作用。

▲ 暗物质粒子之间可能会发生相互作用

研究作者之一、美国加州大学河滨分校物理学和天文学助理教授弗利普・塔内多在一份声明中说：“我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少。”

过去几十年来，每一次试图用已知物理学解释暗物质的尝试都失败了，因此塔内多和他的合作者们希望开发更好的模型，以更精确地匹配观测结果。他们提出的一个问题是，如果暗物质在一个比三维更多维的空间中，以连续的力发生自相互作用会怎样？这听起来很不可思议，但他们以此建立的模型确实比传统的简单暗物质模型能更好地解释小型星系中恒星的行为。所以，这个问题值得再深入探讨一番。

小星系，大问题

尽管宇宙学家还不知道暗物质的“身份”，但他们已经对它的一些基本属性有所了解。所有的观测结果都表明，暗物质是由某种物理学上未知的新粒子组成的。这种粒子充斥着每个星系，占宇宙质量的 80% 以上。它们不会与光有太多的相互作用，如果有的话，我们或许已经在天文观测中看到它们了。而且，这种粒子也肯定不会与正常物质发生显著的相互作用，如果有的话，我们可能就会在粒子对撞机实验中看到它们。

综合这些特性，宇宙学家得以建立复杂的计算机模拟程序，以重现宇宙中大型结构的演化。这些模拟通常与观察结果相符，但需要注意一个有趣的问题。据这个简化的暗物质模型预测，小型星系的核心应该具有非常高密度的暗物质，宇宙学家将这种模型称为“尖峰”（cusp）模型；然而，目前的观测结果表明，暗物质的密度是相对平坦的，因此这些神秘的物质必须均匀地分散在整个小星系，该模型被称为“核心”（core）模型。

几十年来，这个“峰-核”问题一直困扰着暗物质领域的研究者。一个成功的暗物质模型必须能够解释大小星系的行为，以及其他关于暗物质的观测结果。对该问题有一个较为流行的解释，被称为“自相互作用暗物质模型”（SIDM）。顾名思义，该模型预测了暗物质偶尔会与自身发生相互作用，这就意味着暗物质粒子有时会相互碰撞，甚至发生湮灭。这种自相互作用使高暗物质密度的区域变得平坦，在小型星系中使“尖峰”变成了“核心”。

问题的核心

那么，这个问题解决了吗？并没有不完全解决，因为自相互作用暗物质模型很难匹配其他观测结果，比如星系透镜效应（大质量物体的引力扭曲并放大了来自其背后特定星系的光），以及早期宇宙中星系的成长。

不过，这些缺点明显的模型是基于已知的物理相互作用，而这些相互作用都是通过自然界四种基本力中的某一种而实现的。例如，电子通过电磁力相互作用，夸克通过强力相互作用，等等。但是，简单地将已知的物理学引入暗物质领域并不够，也许是时候研究全新的力了。

塔内多和他的合作者就试图做到这一点，他们在 6 月 1 日发表在《高能物理学杂志》（Journal of High Energy Physics）上的一篇论文中描述了自己的工作。他们提出的新模型极大地扩展了暗物质相互作用的可能，并允许一些未知的力 —— 被称为“暗力”—— 发挥作用。

“过去两年来，我的研究项目的目标就是扩展暗物质与暗力‘对话’的想法，”塔内多在声明中说，“在过去的十年里，物理学家已经开始认识到，除了暗物质，隐藏的暗力可能控制着暗物质的相互作用。这些暗力可能会完全改写人们寻找暗物质的规则。”

塔内多等人的暗物质研究中包含了两个令人意想不到的特点。首先，该模型中包含了无数种新的力，这些力共同发挥作用，而不是由单一的力来连接暗物质粒子。其次，这个模型需要给宇宙增加一个维度，也就是说，宇宙不再是我们熟悉的三维空间，而是一个四维空间。

跳出常规宇宙之外的思考

在构建暗物质粒子如何相互作用的理论时，无数种新的力（每一种力都由一个质量不同的新粒子表示）提供了很大的灵活性。虽然在常规物理学中还没有类似的理论，但天体物理学家很清楚暗物质并不一定遵循通常的规则。

在解释已知物理现象的理论中，两个粒子的相互作用是通过交换一种携带力的粒子来实现的。例如，两个电子通过交换光子（电磁力的载体）而相互碰撞。但是，这个新的模型采用了一个由相互作用组成的连续体，以取代单一的相互作用；所有的相互作用共同发挥作用，使暗物质粒子的自相互作用发生。

“我的研究项目针对的是我们关于粒子物理学的一个假设：粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换来很好地描述，”塔内多在声明中说，“尽管普通物质确实如此，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用或许可以用交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换某种类型的力粒子。”

为了增加额外的维度，塔内多的团队借用了一个来自其他高能粒子物理理论的技巧。通过一个很引人注目但尚未充分证明的概念，即“AdS/CFT 对偶”（“AdS”代表反德西特空间，是一种假想的宇宙时空结构；“CFT”代表共形场论，属于量子理论的范畴），一些在正常的三维空间中很难解决的物理问题在扩展到四维空间时就会变得容易得多。

通过使用这种数学技巧，塔内多及其合作者解决了暗物质之间的力如何相互作用的问题。然后，他们将结果转化为三维空间，并预测这些力将如何在真实的宇宙中运行，发现这些力的表现与我们所习惯的自然力大不相同。

“对于我在物理学入门课程中讲授的引力或电磁力，当两个粒子之间的距离增加 1 倍时，引力或电磁力就会减少 4 倍，”塔内多说，“相比之下，连续力会减少多达 8 倍。”

这种对暗物质粒子之间自我相互作用的修正使研究人员能够建立起匹配小型星系观测结果的模型，给予这些星系一个类似于“核心”的暗物质轮廓，而不是在传统的暗物质模型中看到的“尖峰”。这些结果与其他可能重现“尖峰”中心的自相互作用暗物质模型相似，但这个理论来自一个全新的理论方向，可能会带来其他观测结果。

因此，研究人员还有很多工作要做。宇宙学家用暗物质来解释宇宙中许多不同尺度的观测结果，进一步的工作将揭示这个奇异的理论是否符合我们所看到的宇宙。

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