“费米球”构成的暗物质是在宇宙大爆炸中形成的吗

北京时间 9 月 7 日消息，暗物质是一种能够施加引力但却不与光相互作用的神秘物质。暗物质可能由遍布宇宙的微小黑洞构成。而根据一项新的理论，这些微小的黑洞可能由费米球 —— 或被称为费米子的亚原子粒子的量子“袋”构成。这些费米子在宇宙诞生初期就被挤压在一起形成致密的球。

该理论或许可以解释，为什么暗物质会在宇宙中占主导地位。

在某些情况下，费米球非常密集，以至于费米子彼此之间十分靠近，从而导致费米球坍塌成为黑洞。研究人员设计了一个新的场景，来解释暗物质是如何主宰宇宙的。在宇宙诞生还不到一秒钟的时间里，令人难以置信的转变正在发生，在这个过程中，一种新的粒子被困住，坍缩到非常小的一个点，小到足以形成黑洞。接着，这些黑洞淹没宇宙，为解释暗物质提供了依据。

原初黑洞案例

天文学家和物理学家无法解释暗物质。这种神秘物质占到宇宙中每一个大型结构 —— 从星系到到宇宙网络本身 —— 的 80%。

一种有趣的假说是暗物质起源于黑洞。毕竟，黑洞和暗物质类似，都不发光。作为一种不发光的致密物体，用黑洞去解释暗物质自有其道理。

但是，天文学家很久之前就已经知道，正常的、恒星质量的黑洞无法解释宇宙中的暗物质。那是因为，宇宙历史中形成的恒星数量远不够多，不足以产生足够的黑洞去解释已知的暗物质。

然而，宇宙的最早时刻曾发生一些令人难以置信的物理现象。也许，当时曾诞生数万亿个较小的黑洞。这些黑洞或许一直存续到今天，可以为我们解开暗物质之谜。

但是，要解释暗物质，该理论必须能够制造出足够多的黑洞。

泡沫宇宙

研究人员在他们的模型中加入了一些成分。他们从一个非常年轻、极其炽热的致密宇宙开始。这些极端条件可以让在现今正常宇宙条件下不会发生的物理过程得以发生。

第一个成分称为“标量场”。标量场是一种包含所有空间的量子力学实体。（众所周知的赋予物质质量的希格斯场就是标量场的例子之一。）随着宇宙的膨胀和冷却，标量场经历了一个相变，从一种量子力学状态转变为另一种量子力学状态。

在整个宇宙中，这种相变并不是一下子发生的。相反，转变始于少数几个点，然后开始蔓延 —— 就好比锅里的水沸腾时，先是有少数气泡，接着少数气泡合并成更多更大的气泡一样。这个过程被称为一级相变：水从‘液态’变为‘气态’，后者最初的存在形式为不断变大的气泡。

新的标量场状态，称为“基态”，像翻滚的气泡一样从少数几个点向外扩散。最终，气泡完全合并，标志着标量场完成过渡。

如何制造费米球

但是，为了制造可以作为暗物质种子的原初黑洞，还需要另一种成分。因此，他们在模型中又加入了一种新的费米子。费米子是构成宇宙基石的一类粒子。例如，构成你身体内原子的电子、质子和中子都是费米子。

在早期宇宙中，这些费米子在标量场内自由移动。但是根据设计的配方，随着相变的进行，这些费米子将无法穿过宇宙新基态的泡沫小泡泡。

当泡沫小泡泡越变越大之后，费米子被挤进剩下的空间口袋内，成为费米球。这个时候，事情就变得无比混乱起来。

这是因为费米子之间存在一种额外的力，叫做“汤川耦合”。这种额外的力产生于同一个标量场。正常情况下，费米子不喜欢被挤成一小团，但标量场增加了一种吸引力，可以压倒费米子之间的自然排斥。

例如，质子和中子由更小的粒子“夸克”组成。夸克也是费米子，通常彼此之间互相排斥，但有一股额外的力量 —— 强力 —— 把夸克黏在一起。模型中这股强力可以建模成一种汤川耦合，在早期宇宙物理现象中发挥作用。

根据新的理论，一旦汤川耦合吸引力占上风，小费米球就完蛋了。在瞬息万变的宇宙中，压缩在小口袋内的费米子团块悲剧性地坍塌，形成数量巨大的黑洞。在相变结束时，这些黑洞幸存了下来，进而变成充斥整个宇宙的暗物质。

这个假设虽然激进，但当谈到宇宙早期的物理学时，以及围绕暗物质的奥秘时，我们的确需要一些大胆的假设。大胆的假设，再佐以谨慎的观察，我们才能取得进展。

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