2021-10-06 16:54:27 來源:四方a集運 責任編輯:郭慶娜
核心提示:如果暗物質通過在一個比我們通常的三維空間維度更多的空間中運行的連續力量與自身發生相互作用會怎樣呢?

四方a集運10月6日報道 美國趣味科學網站近日發表文章《我們能夠通過給宇宙增加更多維度來解釋暗物質嗎?》,作者是保羅·薩特。全文摘編如下:

宇宙學家説,暗物質可能比人想象的更怪異。他們指出,這種佔宇宙質量80%以上的神祕物質可能會與自身發生相互作用。

“我們生活在一個暗物質海洋中,但我們對它可能是什麼卻知之甚少。”加利福尼亞大學裏弗賽德分校物理學和天文學副教授弗利普·塔內多在一份聲明中説。

利用已知物理學解釋暗物質的每次嘗試都以失敗告終,因此塔內多和他的合作者正在開發可能更好匹配觀測結果的奇異模型。他們提出了問題:如果暗物質通過在一個比我們通常的三維空間維度更多的空間中運行的連續力量與自身發生相互作用會怎樣呢?這聽起來很瘋狂,但與傳統的簡單暗物質模型相比,他們的模型能夠更好地解釋小型星系中恆星的行為。因此,值得一試。

小星系大問題

儘管宇宙學家不知道暗物質的身份,但他們確實知道暗物質的一些特性。所有觀測都表明,暗物質是由物理上不為人所知的某種新的粒子構成的。這種粒子充斥着每個星系,佔到它們質量的80%以上。這個粒子不會與光線發生太多相互作用,如果不説完全沒有的話(否則我們現在就會在天文觀測中看到它)。而且它也不與正常物質發生很多相互作用,如果不説完全沒有的話(否則我們會在粒子對撞機實驗中看到它)。

四方a集運10月6日報道 美國趣味科學網站近日發表文章《我們能夠通過給宇宙增加更多維度來解釋暗物質嗎?》,作者是保羅·薩特。全文摘編如下:

宇宙學家説,暗物質可能比人想象的更怪異。他們指出,這種佔宇宙質量80%以上的神祕物質可能會與自身發生相互作用。

“我們生活在一個暗物質海洋中,但我們對它可能是什麼卻知之甚少。”加利福尼亞大學裏弗賽德分校物理學和天文學副教授弗利普·塔內多在一份聲明中説。

利用已知物理學解釋暗物質的每次嘗試都以失敗告終,因此塔內多和他的合作者正在開發可能更好匹配觀測結果的奇異模型。他們提出了問題:如果暗物質通過在一個比我們通常的三維空間維度更多的空間中運行的連續力量與自身發生相互作用會怎樣呢?這聽起來很瘋狂,但與傳統的簡單暗物質模型相比,他們的模型能夠更好地解釋小型星系中恆星的行為。因此,值得一試。

小星系大問題

儘管宇宙學家不知道暗物質的身份,但他們確實知道暗物質的一些特性。所有觀測都表明,暗物質是由物理上不為人所知的某種新的粒子構成的。這種粒子充斥着每個星系,佔到它們質量的80%以上。這個粒子不會與光線發生太多相互作用,如果不説完全沒有的話(否則我們現在就會在天文觀測中看到它)。而且它也不與正常物質發生很多相互作用,如果不説完全沒有的話(否則我們會在粒子對撞機實驗中看到它)。

將這些特性結合在一起,宇宙學家能夠對宇宙中大結構的演化進行復雜的計算機模擬。這些模擬通常與觀察結果相符,但有一個有趣的警告。這一簡化的暗物質圖景預測,小型星系內核中暗物質的密度應該非常高(宇宙學家稱之為“尖點”模型)。但觀測顯示,暗物質密度相對較低。因此,這種物質一定是均勻地分佈在小星系中(稱為“核心模型”)。

幾十年來,這個“核心-尖點”問題一直是暗物質研究的一個難點。一個成功的暗物質模型必須能夠解釋小型和大型星系的行為,以及所有其他暗物質的觀測結果。一個這樣的模型被稱為自我互動的暗物質,而且就像這個名字所表明的那樣,它預言暗物質的確偶爾會與自身發生相互作用,這意味着暗物質粒子有時會相互撞擊,甚至毀滅對方。這種自我相互作用消除了暗物質密度高的區域,使小星系的尖點變成了核心。

需要額外維度

問題解決了是吧?並不完全是:自我互動的暗物質模型難以匹配其他觀測結果,比如星系透鏡(當一團巨大物質的引力扭曲並放大其背後特定星系的光線時)以及宇宙早期星系的發展。

然而,這些仍然表現不佳的模型是基於通過自然界四種基本力之一發生的已知物理相互作用。電子通過電磁力發生相互作用,夸克通過強力相互作用,諸如此類。但是,如果簡單地把已知的物理學輸出到暗物質領域是不行的,也許現在該研究一下全新的力了。

塔內多及其合作者正是在嘗試這樣做,並在6月1日發表在《高能物理學報》上的論文中闡述了他們的研究。他們的新模型極大地拓展了相互作用暗物質的可能模型,使未知的力得以發揮作用。

“過去兩年我的研究計劃的目標是擴展暗物質與暗力量‘對話’的概念,”塔內多在聲明中説,“在過去10年裏,物理學家逐漸意識到,除了暗物質之外,隱藏的暗力量可能支配着暗物質的相互作用。這可能會徹底改寫人們該如何尋找暗物質的規則。”

塔內多對暗物質的研究方式有兩個令人驚訝的特徵。第一,該模型不是將暗物質粒子連接在一起的單一力量,而是包含無線頻譜內的所有協同工作的新力量。第二,該模型需要宇宙的一個額外維度,因此需要一個四維空間。

孕育全新理論

在構建暗物質粒子如何相互作用的理論時,無限頻譜的力量(每種力量都以一個質量不同的新粒子為代表)就帶來了很大的靈活性。雖然在通常的物理學中沒有類似的理論,但天體物理學家已經知道,暗物質未必遵循通常的規則。

在解釋已知物理學的理論中,當兩個粒子相互作用時,它們是通過交換一種攜帶作用力的粒子來實現的。例如,兩個電子通過交換光子——電磁力的載體——實現相互反彈。但這種新模式取代了有連續統一體(也就是頻譜)互動的單一互動,所有這些互動協同實現了單一互動。

“我的研究計劃針對的是我們對粒子物理學作出的假設之一:更多粒子的交流很好地描述了粒子的相互作用,”塔內多在聲明中説,“雖然對普通物質來説的確如此,但沒有理由認為暗物質也是如此。它們的相互作用可以通過交換粒子的連續體來描述,而不僅僅是交換一種力的粒子。”

至於增加一個額外的維度,塔內多的團隊借鑑了其他高能粒子物理學理論中的一個技巧。通過一個了不起但尚未得到充分證實的概念,在我們正常的三維空間中極難解決的一些物理問題在延伸到四維空間時就會變得更容易解決。

通過運用這種數學技巧,塔內多和他的合作者得以解釋出暗物質之間的力量是如何相互作用的。然後,他們可以將研究結果轉化到三維空間,並對這些力量在真實宇宙中的運作方式作出預測。他們發現,這些力量的行為方式與我們習以為常的自然力量大相徑庭。

對暗物質粒子之間的自我相互作用的這種修改使研究人員能夠建立起匹配小型星系觀測結果的模擬結果,從而使它們具有“核心”式的暗物質描述,而不是傳統暗物質模型中的“尖點”描述。這些結果與其他有可能產生“尖點”中心的自我相互作用暗物質模型類似,但這一理論來自一個可能產生其他觀測結果的全新理論方向。

因此,還有很多工作要做。宇宙學家們利用暗物質來解釋宇宙各處的許多不同範圍和規模的觀測結果。進一步的研究將揭示這種奇異理論是否與我們所看到的宇宙相符。

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