10个关于暗物质的有趣理论

10个关于暗物质的有趣理论

尽管我们这个时代一些最伟大的知识分子做了大量复杂的实验和贡献,对暗物质的探索仍在继续。它可能占宇宙能量密度的四分之一,但迄今为止,所有直接探测的尝试都被证明是徒劳的。这种神秘的物质既不吸收也不发射光。它也不与四种基本自然力中的三种相互作用。这些难以捉摸的特性使我们几乎不可能确定。

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尽管我们这个时代一些最伟大的知识分子做了大量复杂的实验和贡献,对暗物质的探索仍在继续。它可能占宇宙能量密度的四分之一,但迄今为止,所有直接探测的尝试都被证明是徒劳的。这种神秘的物质既不吸收也不发射光。它也不与四种基本自然力中的三种相互作用。这些难以捉摸的特性使我们几乎不可能确定。

全球的研究人员都渴望揭开暗物质的奥秘——从大型强子对撞机(LHC)对弱相互作用大质量粒子的研究到华盛顿大学最先进的轴离子探测器。虽然一些理论预测答案将在一个额外的隐藏维度中被发现,但另一些理论更倾向于黑洞和中子星。尽管缺乏直接的证据,绝大多数天体物理学家仍然相信暗物质就在那里。像星系旋转这样的宇宙现象不能通过传统物理学来解释,除非存在一种隐藏的物质形式。

1、弱相互作用大质量粒子(WIMP)

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Photo credit: forbes.com

几十年来,暗物质最受欢迎的候选者是弱相互作用大质量粒子(WIMP)。假想粒子最早出现于20世纪70年代,是对传统的粒子物理标准模型的扩展。该理论认为,宇宙中充满了看不见的中性带电粒子,这些粒子是在大爆炸后不久形成的,看不见的粒子并不是什么新鲜事,科学家们已经注意到了中微子——一种难以探测的亚原子粒子,它在质量略高于零的星系中穿行,相比之下,大质量弱相互作用大质量粒子被认为更重,行动更迟缓,以密集的簇状和复杂的结构艰难地穿越天空。

也就是说,如果它们真的存在的话,尽管进行了大量的实验,寻找弱相互作用大质量粒子的尝试无一成功。最初人们认为,日内瓦的大型强子对撞机能够揭示它们的存在,但在它开放近十年后,没有发现任何证据。同样地,深埋在南达科塔州地下的高度敏感的液态氙容器在他们的搜寻中也没有发现任何东西,由于科学家们一直未能直接探测到这些粒子,有关弱相互作用大质量粒子的假设现在受到严重质疑,一位为《福布斯》杂志撰稿的天体物理学家将这种持续的寻找比作一个“醉汉在灯柱下寻找丢失的钥匙”。“把懦弱的人完全排除在外是一种疏忽。但是,科学家们似乎不得不重新考虑暗物质的其他理论。

2、大质量天体物理致密晕天体(MACHO)

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对暗物质的另一种不那么奇特的解释是存在大量的天体物理致密的晕天体(MACHOs)。这些天体包括黑洞、中子星和棕矮星——由普通物质组成的超致密恒星。由于MACHOs辐射很少或没有辐射,所以无法用常规方法检测到它们,相反,通过研究来自遥远恒星的光,通过一种被称为微透镜的过程,可以观察到这些无声的巨星,由于其巨大的质量,MACHOs弯曲和聚焦自身周围的光线,这使得光线看起来更亮,失真的程度取决于MACHOs的质量。通过观察光线,科学家们能够计算出隐藏物质的数量。然而,并没有足够多的MACHOs被发现潜伏在周围来解释宇宙中所有的暗物质。

3、轴子

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Photo credit:arstechnica.com

据预测,轴子是带有中性电荷的缓慢运动的粒子,其质量约为电子的十亿倍。它们与光和其他物质的相互作用相对较弱,这让宇宙学家对它们构成暗物质的潜力有了信心,但这也使它们难以被发现,只有来自小范围质量的轴子才能构成暗物质。如果它们更轻或更重,现在就能观测到,这种有限的可能性意味着与其他候选人相比,排除轴子假说的任务相对简单。探测轴子的最新尝试始于2018年4月,当时华盛顿大学(University of Washington)的天体物理学家启动了他们的轴子暗物质实验(Axion Dark Matter Experiment,简称ADMX)。根据该理论,当轴子穿过磁场时,它们可以自发地衰变为两个光子(单个的光包)。如果来自银河系的轴子在不被注意的情况下不断地穿过地球,那么ADMX强大的磁铁会将其中一些转化为微波光子。一种极其灵敏的探测器已经就位,可以捕捉到任何产生的光子,但到目前为止,还没有任何证据被报道。

4、引力子

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Photo credit: futurism.com

引力子假说深入到理论物理学领域。在20世纪60年代和70年代,科学家们发展了超对称性理论来解释粒子物理标准模型留下的一些空白。超对称性预测对于标准模型中的每一个粒子(如电子、光子、希格斯粒子),都应该有一个理论上的对应物。除了它们的固有角动量有一些基本的不同外,这些伙伴粒子与原始粒子有相似的特性。另一个独立的理论预测了引力的存在,引力是一种没有质量的粒子,它可以调节重力,类似于光子调节电磁学。将这两种理论联系在一起的是引力子——一些物理学家认为可能构成暗物质的引力子的假想超对称伙伴

5、kaluza klein粒子

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Photo credit: universe-review.ca

我们的宇宙据说是由四维组成的——三维空间加上时间。然而,在上个世纪,科学家们一直在思考是否还有更多的物种存在。理论家西奥多·卡鲁扎(Theodor Kaluza)和奥斯卡·克莱因(Oskar Klein)扩展了爱因斯坦开创性的广义相对论,他们预测了一个隐藏的贯穿宇宙的第五维度。他们的模型首次发表于1921年,其中包括一系列假设的粒子,其中最轻的粒子可能是暗物质的候选者,由于它们的相互作用特性,Kaluza-Klein (KK)粒子是仅有的几个可以直接探测到的候选粒子之一。此外,当两个KK粒子碰撞在一起时,它们会相互湮灭。在混战中,像光子和中微子这样的粒子被发射出来。由于它们独特的能量模式,它们可以被探测到。高能大型强子对撞机继续寻找额外维度和KK粒子的证据,但到目前为止,还没有报道。

6、模糊暗物质

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Photo credit:Live Science

模糊暗物质是暗物质候选群中一个相对较新的成员,这一理论最初是在世纪之交时开始得到支持的,在此之前,只有少数物理学家对此感兴趣,即便如此,他们彼此之间也很少交流,因此,模糊暗物质有几个不同的名字,每一个都是由不同的研究小组独立提出的。纯量场暗物质、超轻类轴粒子、波暗物质、流体暗物质、斥力暗物质等只是少数。尽管有太多的名字,但这些理论都大致相同。

他们假设暗物质是由大量质量极低的微小粒子构成的,在极低的温度下,粒子聚合形成一种奇异的物质,被称为玻色-爱因斯坦凝聚物。在凝聚状态下,这些粒子几乎没有能量,表现得像一个凝聚体,单个粒子对其周围环境几乎没有影响。然而,它们同时也会使星际光的光线发生扭曲。畸变的大小取决于暗物质粒子的质量。因此,科学家能够通过检查来自新墨西哥州甚长基线阵列等天文台的存档数据来寻找模糊暗物质。

7、自动调节暗物质

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Photo credit: Live Science

围绕暗物质的一个关键问题是,它拒绝服从科学家的预测。根据计算机生成的模型,这种物质应该把自己组织成所谓的“尖端分布”。这一理论预测,暗物质可以在星系的中心找到,其中一些物质集中在一个稠密的球体中,其余的则以水蒸气的形式徘徊不去。实际上,宇宙学家已经观察到,暗物质的行为方式几乎完全相反:它以一个遥远的光环结构围绕星系边缘运行,由此产生了“尖端-核心”问题,为了解释尖端-核心的差异,科学家们提出了自作用暗物质理论。这个模型提出,暗物质粒子之间的相互作用是物理学目前无法解释的,因为它是如此的神秘和难以理解,然而,并不是每个人都同意这种解释,另一个理论——暗物质加热——表明暗物质是由恒星形成过程中产生的能量和风从星系中心推动出来的。

8、惰性中微子

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Photo credit: physicsworld.com

中微子研究是当代物理学中最引人入胜的领域之一,2015年,高木·卡伊塔(Takaaki Kajita)和阿瑟·b·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)因证明中微子在穿越宇宙的过程中会周期性地改变特点而获得诺贝尔物理学奖。目前,已知的特点只有中微子-电子、介子和tau三种,它们都太快了,无法构成暗物质。然而,伊利诺斯州费米实验室的研究人员正在研究第四种口味和潜在的暗物质候选:无菌中微子。他们的MiniBooNE实验是在强烈的粒子束中寻找难以捉摸的第四种味道。探测器由一个装满800多吨矿物油的大型球形储罐组成。在2018年,MiniBooNE产生了有希望的结果,暗示无菌中微子的存在。然而,MINOS+在2019年报告的实验结果与2018年的研究结果相矛盾。显然,目前还没有达成共识。

9、黑暗的光子

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Photo credit: NASA

如前所述,光子是光的一个粒子,它可以调节电磁力,电磁力是自然界最基本的力之一,为了解释暗物质之谜,一些专家提出了暗光子的概念——一种假设的力介质,类似于具有极低质量的普通光子,事实上,一些研究人员认为,引力波——空间和时间结构中的天体涟漪——可能是发现这些微小粒子的关键,如果暗光子潜伏在宇宙中,它们独特的信号可能会被LIGO和Virgo等高度敏感的引力波探测器捕捉到。当科学家们急切地等待激光干涉仪太空天线(LISA)——第一个基于太空的引力波天文台——的发射时,我们似乎离最终确定暗物质又近了一步。

10、暗物质并不存在

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Photo credit: cosmos.nautil.us

随着时间的推移,缺乏任何候选人的证据导致一些物理学家怀疑他们是否犯了一个错误。也许暗物质根本不存在。也许还有另一种解释。最著名的暗物质怀疑论者之一是以色列物理学家默德海·米格罗姆,他在20世纪80年代首次提出了与之相抗衡的修正牛顿动力学理论(MOND)。

在他那篇特立独行的论文中,米格罗姆认为,由艾萨克·牛顿(Isaac Newton)提出的传统物理学开始在极其大的范围内分崩离析。如果这是真的,它将彻底改变目前关于星系外围恒星的观点。在蒙德的理论下,没有必要用暗物质来解释它们不寻常的运动。那么,暗物质是一个巨大的错误吗?这并不是物理学家第一次犯如此大规模的错误。

在19世纪,人们普遍认为我们的宇宙充满了一种看不见的物质,这种物质被称为光以太,几十年来,人们一直认为以太是光传播所必需的,1887年关键性的迈克尔逊-莫雷实验基本上证明了它的不存在,关于这一点,米尔格罗姆将暗物质描述为“我们这一代的以太”。暗物质是否存在,以何种形式存在,仍然是现代科学的一大谜团,未来的证据可能表明,这里列出的所有理论都是完全错误的,另一方面,我们离重大突破只有咫尺之遥。随着每一个新的暗物质探测器和每一个无效结果的出现,我们离发现真相更近了一步。

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