给宇宙增加更多维度，就能破解暗物质？

参考消息网10月6日报道美国趣味科学网站近日发表文章《我们能够通过给宇宙增加更多维度来解释暗物质吗？》，作者是保罗·萨特。全文摘编如下：

宇宙学家说，暗物质可能比人想象的更怪异。他们指出，这种占宇宙质量80%以上的神秘物质可能会与自身发生相互作用。

“我们生活在一个暗物质海洋中，但我们对它可能是什么却知之甚少。”加利福尼亚大学里弗赛德分校物理学和天文学副教授弗利普·塔内多在一份声明中说。

利用已知物理学解释暗物质的每次尝试都以失败告终，因此塔内多和他的合作者正在开发可能更好匹配观测结果的奇异模型。他们提出了问题：如果暗物质通过在一个比我们通常的三维空间维度更多的空间中运行的连续力量与自身发生相互作用会怎样呢？这听起来很疯狂，但与传统的简单暗物质模型相比，他们的模型能够更好地解释小型星系中恒星的行为。因此，值得一试。

小星系大问题

尽管宇宙学家不知道暗物质的身份，但他们确实知道暗物质的一些特性。所有观测都表明，暗物质是由物理上不为人所知的某种新的粒子构成的。这种粒子充斥着每个星系，占到它们质量的80%以上。这个粒子不会与光线发生太多相互作用，如果不说完全没有的话（否则我们现在就会在天文观测中看到它）。而且它也不与正常物质发生很多相互作用，如果不说完全没有的话（否则我们会在粒子对撞机实验中看到它）。

将这些特性结合在一起，宇宙学家能够对宇宙中大结构的演化进行复杂的计算机模拟。这些模拟通常与观察结果相符，但有一个有趣的警告。这一简化的暗物质图景预测，小型星系内核中暗物质的密度应该非常高（宇宙学家称之为“尖点”模型）。但观测显示，暗物质密度相对较低。因此，这种物质一定是均匀地分布在小星系中（称为“核心模型”）。

几十年来，这个“核心-尖点”问题一直是暗物质研究的一个难点。一个成功的暗物质模型必须能够解释小型和大型星系的行为，以及所有其他暗物质的观测结果。一个这样的模型被称为自我互动的暗物质，而且就像这个名字所表明的那样，它预言暗物质的确偶尔会与自身发生相互作用，这意味着暗物质粒子有时会相互撞击，甚至毁灭对方。这种自我相互作用消除了暗物质密度高的区域，使小星系的尖点变成了核心。

需要额外维度

问题解决了是吧？并不完全是：自我互动的暗物质模型难以匹配其他观测结果，比如星系透镜（当一团巨大物质的引力扭曲并放大其背后特定星系的光线时）以及宇宙早期星系的发展。

然而，这些仍然表现不佳的模型是基于通过自然界四种基本力之一发生的已知物理相互作用。电子通过电磁力发生相互作用，夸克通过强力相互作用，诸如此类。但是，如果简单地把已知的物理学输出到暗物质领域是不行的，也许现在该研究一下全新的力了。

塔内多及其合作者正是在尝试这样做，并在6月1日发表在《高能物理学报》上的论文中阐述了他们的研究。他们的新模型极大地拓展了相互作用暗物质的可能模型，使未知的力得以发挥作用。

“过去两年我的研究计划的目标是扩展暗物质与暗力量'对话’的概念，”塔内多在声明中说，“在过去10年里，物理学家逐渐意识到，除了暗物质之外，隐藏的暗力量可能支配着暗物质的相互作用。这可能会彻底改写人们该如何寻找暗物质的规则。”

塔内多对暗物质的研究方式有两个令人惊讶的特征。第一，该模型不是将暗物质粒子连接在一起的单一力量，而是包含无线频谱内的所有协同工作的新力量。第二，该模型需要宇宙的一个额外维度，因此需要一个四维空间。

孕育全新理论

在构建暗物质粒子如何相互作用的理论时，无限频谱的力量（每种力量都以一个质量不同的新粒子为代表）就带来了很大的灵活性。虽然在通常的物理学中没有类似的理论，但天体物理学家已经知道，暗物质未必遵循通常的规则。

在解释已知物理学的理论中，当两个粒子相互作用时，它们是通过交换一种携带作用力的粒子来实现的。例如，两个电子通过交换光子——电磁力的载体——实现相互反弹。但这种新模式取代了有连续统一体（也就是频谱）互动的单一互动，所有这些互动协同实现了单一互动。

“我的研究计划针对的是我们对粒子物理学作出的假设之一：更多粒子的交流很好地描述了粒子的相互作用，”塔内多在声明中说，“虽然对普通物质来说的确如此，但没有理由认为暗物质也是如此。它们的相互作用可以通过交换粒子的连续体来描述，而不仅仅是交换一种力的粒子。”

至于增加一个额外的维度，塔内多的团队借鉴了其他高能粒子物理学理论中的一个技巧。通过一个了不起但尚未得到充分证实的概念，在我们正常的三维空间中极难解决的一些物理问题在延伸到四维空间时就会变得更容易解决。

通过运用这种数学技巧，塔内多和他的合作者得以解释出暗物质之间的力量是如何相互作用的。然后，他们可以将研究结果转化到三维空间，并对这些力量在真实宇宙中的运作方式作出预测。他们发现，这些力量的行为方式与我们习以为常的自然力量大相径庭。

对暗物质粒子之间的自我相互作用的这种修改使研究人员能够建立起匹配小型星系观测结果的模拟结果，从而使它们具有“核心”式的暗物质描述，而不是传统暗物质模型中的“尖点”描述。这些结果与其他有可能产生“尖点”中心的自我相互作用暗物质模型类似，但这一理论来自一个可能产生其他观测结果的全新理论方向。

因此，还有很多工作要做。宇宙学家们利用暗物质来解释宇宙各处的许多不同范围和规模的观测结果。进一步的研究将揭示这种奇异理论是否与我们所看到的宇宙相符。