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为什么不急于探测“暗电磁波”?

引力波和暗物质的搜索属于两个不同的物理学研究领域,但是,两种重大意义的搜索活动能够相得益彰,互相促进。在引力波发现的激发下,科学家也加快了暗物质搜索的节奏。最近在暗物质探索的“天空实验室”,或者“天文实验室”出现了两个引人注目的观测成果,其一是快速射电爆发。澳大利亚的科学家通过帕克斯射电望远镜,发现宇宙中存在快速射电爆发的现象,爆发持续的时间仅为数毫秒。帕克斯射电望远镜的直径为64米,可探测到遥远宇宙的射电信号。科学家之前认为快速射电爆发很难被探测到,目前只探测到16个类似的事件,对快速射电爆发的观测可以加深对宇宙的认识,甚至获得暗物质存在的线索。位于夏威夷的日本国家天文台的8.2米斯巴鲁光学望远镜也探测到类似的射电信号,确定其位于一个椭圆星系内,距离地球大约60亿光年。这是科学家第一次确定快速射电爆发的宿主星系,他们认为对快速射电爆发的观测可用于研究宇宙的尺度和构成。

其二是哈佛·史密森尼天体物理中心的天文学家发现了暗物质湮灭的迹象。他们研究了银河系中心区伽马射线辐射的空间分布。银心区距离地球相对较近,物质和暗物质的密度极高,如果发生了暗物质湮灭,那么该区域会产生很强的伽马射线。研究人员在银心区数百光年的范围内观测到大量的伽马射线源,向外延伸数千光年还有更弱的辐射。过量的伽玛射线也有其它的解释,主要的是过量的伽马射线可能来自大量快速旋转的脉冲星,但是,斯密森尼的天文学家排除了脉冲星发射过量伽玛射线的可能。

以上两个与暗物质湮灭现象有关的天文观测为本作者提出的“暗电磁波”概念提供了间接的依据,在清明节的日子里,本作者根据“等效原理”,提出了“暗电磁波”的假说,既然物质具有电磁相互作用,那么暗物质也可能具有这种作用,就像我们暂时探测不到暗物质一样,也许我们暂时探测不到“暗电磁波”。但是,科学家基本上否定了“暗电磁波”存在的可能,暗物质粒子探测卫星的首席科学家、紫金山天文台的研究员常达说过,“暗物质是不带电荷的,也没有电磁场的相互作用,能像幽灵一样穿透阻碍物,不着痕迹地从身边飞走。因此,尽管我们周围存在暗物质,例如:平均1立方厘米的空气中可能就有上千颗暗物质粒子,但并不能为我们所看到或感觉到。”尽管如此,本作者还是“念念不忘”这种“暗电磁波”存在的可能,需要为这一物理哲学的假说找到更多的依据。

最重要的依据就是暗物质湮灭的物理模型,一些物理学家和天文学家推测,暗物质除了像普通物质一样可以参与引力的相互作用,它也可能有两种“风味”:物质和反物质。如果正反暗物质相互接触,就会发生湮灭并释放高能辐射。世界上的物质都有反物质,当一个物质遇到一个反物质时,两者都会被销毁,由此产生巨大的能量。但是暗物质非常独特,它的反物质就是本身,如果暗物质粒子和自身的反物质粒子发生碰撞,产生的能量将非常巨大,假如能够探测到暗物质粒子碰撞后产生的高能粒子,如伽马射线、正电子、反质子、中微子等,并能够精确测量这些粒子的能谱,就能间接证明暗物质的存在,我国在去年底发射升空的暗物质粒子探测卫星就是搜索暗物质粒子湮灭或衰变后的产物,属于暗物质粒子的间接探测方法。

在搜寻暗物质的征途上,目前主要有3种方法:一是利用粒子对撞产生暗物质,观察其衰变的产生,欧洲核子中心的大型强子对撞机采用了这种方法。二是基于暗物质湮灭的原理,在太空进行湮灭实验。三是测量暗物质散射至液体或固体的散射实验。显然,我国锦屏的地下暗物质实验室采用了第三种方法,“悟空”号暗物质粒子探测卫星采用了第二种方法,中国的科学家也正在构思和设计暗物质搜索的第一种方法,建设体现中国科学更高水平的高能量粒子对撞机。暗物质搜索的第二种方法遵循了暗物质湮灭的基本原理。一些物理学家提出了暗物质电子和正电子的概念,暗物质质子和反质子湮灭的设想,这些概念和设想包含了一种可能性,即:暗物质可能有电子和正电子,质子和反质子的粒子形式,或者说暗物质粒子可能带有正电荷和负电荷,将这种概念和设想简单地延伸一下,可以推出一个结论,即:暗物质可能有电磁场的功能,具有电磁场的相互作用,为了将暗物质的电磁作用与物质的电磁作用区分开来,我们“顺水推舟”地引入了“暗电磁波”的概念。

其它的依据还有“暗原子”的发现,虽然科学家没有发现“深藏不露”的暗物质,但是,已经有科学家声称发现了“暗原子”,我们还不清楚“暗原子”的结构和属性,只能猜想它是由“暗原子核”和“暗电子”组成的,如果真的存在“暗电子”,那么“暗电磁波”的存在就毋庸置疑了。暗物质的模型有很多,被科学家普遍认可的是弱相互作用的大质量粒子(WIMP),其它理论模型还有诸如:轴子、惰性中微子,或者更大质量的奇异粒子。如果科学家最终证明暗物质就是中微子、或者一种大质量的中微子,那么“暗物质”和“暗电磁波”的概念和构想就是多余的,不存在什么“暗电子”、“暗质子”和“暗原子”,如果科学家最终证明暗物质是一种大质量的普通物质粒子,不是非普通的“暗物质”,那么“暗物质”和“暗引力波”的概念和构想还是成立的。

本作者提出“暗电磁波”的概念是从“等效原理”中推测出来的,只是一种物理哲学的推想,既没有违背科学家主流观点的意思,也没有鼓励科学家开始“暗电磁波”探测的意图,可以看成是一种“思想实验”,也可能引起一些物理学研究人员和科学爱好者的注意和争议,最好能引起自然哲学的研究人员和爱好者的一点关注和争议,以达到提高公民科学素质的目的。本作者认为,“暗引力波”存在的可能性要高于“暗电磁波”,原因很简单,LIGO的科学家已经发现了物质的引力波,“暗物质引力波”存在的可能性大大增加了,而科学家还没有发现所谓的“暗电子”和“暗质子”,因此,“暗磁场”或“暗电磁场”存在的可能性就有更大的悬念。

2016-4-12

(Dark Electromagnetic wave can be hidden inside Dark Matter ?)

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