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科学家:这种神秘的物质,应该来自第五维度

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提到暗物质,相信大家都不陌生,简单来讲,暗物质就是存在于宇宙中的一种不可见的神秘物质,虽然我们无法直接看到它们,却可以观测到其产生的强大引力,如果没有这种引力,那些高速旋转的星系都会分崩离析,宇宙的大尺度结构也无法形成。



几十年来,科学家一直在试图探索暗物质的本质。在一项发表在《欧洲物理学杂志C》上的研究中,科学家得出了一个新的观点,即:这种神秘的物质,应该来自第五维度。下面我们来看看这具体是怎么回事。

第五维度的想法由来已久,早在上世纪20年代,就有物理学家尝试在爱因斯坦的四维时空(三维空间 + 一维时间)上增加一个维度,试图以此来统一引力和电磁力。

但问题是,如果第五维度真的存在,它在哪呢?我们为什么感觉不到?当时的解释是,它“卷曲”在了一个极为微小的尺度上,以至于我们根本无法察觉。

到了1999年,物理学家丽莎·兰德尔(Lisa Randall)和拉曼·桑德鲁姆(Raman Sundrum)又提出了一个新模型。



他们认为,为什么额外维度非要“小”呢?它完全可以是无限大,甚至是“扭曲”的。

在这种“扭曲额外维度”模型中,我们所知的这个包含所有粒子和除引力外所有基本力的四维时空——并不是全部,更像是一层“膜”(Brane),“漂浮”在一个更高维度(五维)的“体”(Bulk)中。

这个设想最精妙的地方在于:它规定,构成我们和我们周围一切的粒子(如电子、夸克)以及传递力的粒子(如光子),全都被“粘”在这张四维的“膜”上,无法逃脱。

唯一的例外是引力,因为引力是时空本身的弯曲,它天生就可以在整个五维“体”中自由穿梭。

这个理论一经提出就引起了大量关注,因为它优雅地解释了物理学中一个巨大的谜团——等级问题:为什么引力与其他三种基本力(电磁力、强核力、弱核力)相比,会弱得如此离谱?



答案就是:引力并没有那么弱。只是它的大部分“力气”都“稀释”到了那个广阔的五维“体”中,只有一小部分作用在了我们这张“膜”上。所以我们感受到的引力,才显得如此的弱。

实际上,此次研究的内容,就是根据这个理论去解决暗物质问题。

在此次研究中,科学家通过严谨的数学方法推算出,如果第五维度真的存在,那么在这个“扭曲额外维度”中,就存在一种全新的费米子。

所以一个合理的推测就是:

  • 我们的“膜”上存在着标准模型的粒子,它们构成了我们所见的世界。
  • 那个广阔的五维“体”中,并非空无一物,那里也存在着其他的费米子,我们可以称之为“体费米子”(Bulk Fermions)。它们和我们的电子、夸克本质上是同类,只是“住”的地方不一样。
  • 因为这些“体费米子”存在于“体”中,它们根本不和我们的光子、电子发生任何关系,所以它们对我们来说是完全透明和不可见的
  • 但是,它们有质量,会产生可以跨越维度的引力
  • 这种“体费米子”,很可能就是我们苦苦寻找的暗物质。

我们可以将其简单地理解为,所谓的暗物质,可能就是一种费米子,只不过,它们存在于“隔壁”——那个我们感知不到的第五维度。那么问题就来了,这个理论可以被证实吗?

对此,科学家表示,如果第五维度真的存在,并且在宇宙极早期经历过某些剧烈的“相变”(比如“体费米子”的产生过程),就会在时空中激起巨大的“涟漪”——引力波。



由于这种引力波的特征将非常独特,是标准宇宙学模型无法产生的,因此它们就会成为来自第五维度的“回声”,至今仍然在宇宙中传播,未来,像LISA(激光干涉仪空间天线)这样的空间引力波探测器,或许发现它的踪迹。

另一方面,不同类型的暗物质,它们在宇宙中“抱团”的方式是不同的。这种“体费米子”暗物质,它在宇宙大尺度结构(比如星系团的分布)上留下的“指纹”,会与传统的WIMP模型截然不同。

而随着韦布空间望远镜和维拉·鲁宾天文台等新一代巡天设备投入使用,我们正在以前所未有的精度绘制宇宙地图,通过对比这些“地图”和不同理论模型的预测,我们也应该能分辨出,究竟是哪种暗物质模型更符合实际情况。



参考资料: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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