1996年,《发现》杂志刊登了一篇四月愚人节故事,讲述了一种名为“大子”的巨型粒子,它可能对各种无法解释的现象负责。现在,在生活模仿艺术的案例中,一些物理学家提出,宇宙中神秘的暗物质是由巨大的粒子组成的,这些粒子跨度达光年或更长。在这些巨大的粒子相互碰撞中,普通物质勉强维持其存在,就像鼩鼱在恐龙的脚下匆匆奔走。
这个想法的出现是为了解释关于暗物质的一个令人困惑的事实:尽管暗物质在最广阔的尺度上会聚集,形成星系团等天体,但它似乎抵抗在较小尺度上的聚集。天文学家观测到的小星系和亚星系气体云比从星系团简单外推所暗示的要少得多。因此,许多人认为,构成暗物质的粒子像气体中的分子一样相互作用,产生一种压力来抵消引力。
大粒子假说采取了另一种方法。它没有给暗物质粒子增加新的属性,而是利用了任何量子粒子固有的抵抗束缚的趋势。如果你挤压一个粒子,你会减少其位置的不确定性,但会增加其动量的不确定性。实际上,挤压会增加粒子的速度,产生一种压力来抵消你施加的力。量子幽闭恐惧症在与粒子的等效波长相当的距离上变得重要。对抗引力聚集需要几十光年的波长。
支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章,请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅,您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的有影响力的故事的未来。
哪种类型的粒子可以具有如此天文数字般的尺寸?碰巧的是,物理学家预测了大量的能量场,这些能量场对应的粒子可能符合要求——即所谓的标量场。这种场既出现在粒子物理学的标准模型中,也出现在弦理论中。尽管实验者尚未识别出任何标量场,但理论家确信它们是存在的。
宇宙学家已经将宇宙暴胀,以及可能正在引起宇宙加速的暗能量(与暗物质不同)归因于标量场。在这些背景下,这些场之所以起作用,是因为它们是爱因斯坦宇宙常数的最简单推广。如果标量场变化缓慢,它就像一个常数,无论是在其固定的幅度上还是在其缺乏方向性上;相对论预测它会产生引力斥力。但是,如果场变化或振荡足够快,它就会产生引力吸引力,就像普通物质或暗物质一样。早在 20 世纪 60 年代,物理学家就假设存在由标量粒子组成的物体,这个想法在 20 世纪 80 年代后期复兴,但直到四年前才真正开始流行起来。
该学科的两位领导者是墨西哥城研究和高级研究中心的托纳蒂乌·马托斯·查辛和瓜纳华托大学的路易斯·乌雷亚·洛佩斯。在六月于古巴拉斯维拉斯中央大学 (UCLV) 举行的研讨会上,他们描述了标量粒子如何再现星系的内部结构:当粒子在星系尺度上聚集时,它们会重叠形成玻色-爱因斯坦凝聚态——过去十年中实验者创造的冷原子堆的巨型版本。凝聚态具有与真实星系质量和密度分布相匹配的质量和密度分布。
暴胀、暗能量和暗物质都可以归咎于标量场,这表明它们可能存在联系。UCLV 的以色列·基罗斯在研讨会上认为,同一个场可以解释暴胀和暗能量。其他物理学家也在研究将这两个暗实体联系起来。“正如我的资深同事过去常说的那样,‘你只能召唤一次牙仙’,”范德比尔特大学的罗伯特·谢勒说。“现在我们不得不召唤两次牙仙:我们需要假设一个尚未被发现的粒子作为暗物质,以及一个未知的暗能量来源。我的模型设法用一个场解释了两者。”
但所有这些模型都存在一个恼人的问题。由于粒子的波长与其质量成反比,天文尺寸对应于一个几乎荒谬的小质量,约为 10-23 电子伏特(相比之下,质子的质量为 109 电子伏特)。这要求物理定律具有迄今为止未被怀疑的对称性。“这种对称性是可能的,尽管它们显得有些牵强,”芝加哥大学的物理学家肖恩·卡罗尔说。此外,大粒子的主要动机——它们对聚集的抵抗力——现在已经变得不那么令人信服了,因为宇宙学家发现,更平淡的过程,如恒星形成,可以做到这一点。不过,随着物理学家们四处寻找对暗物质之谜的某种解释,一些相当宏大的想法不可避免地会浮出水面。