互动科普

单个暗物质粒子的尺度可能有数光年那么大吗？

1996年，《发现》杂志刊出了一则愚人节消息，声称一种叫做“巨子”（bigon）的巨型基本粒子的存在是所有无法解释的现象的原因。现在，作为一个从艺术到现实的事例，一些物理学家提出，宇宙中神秘的暗物质是由非常大的粒子组成，其尺度有数光年之巨甚至更大。在这些巨大粒子碰撞的包围中，普通物质就像尖鼠在恐龙的巨足间上窜下跳那样竭力维持自身的存在。

这个观点源于解释有关暗物质的一个令人费解的现象：虽然暗物质在大尺度上成团，形成了诸如星系团等集群，但是它似乎在小尺度上拒绝聚积成团。天文学家注意到，少数遥远的小星系和亚星系气云比星系团得来的简单推论可能更有启发意义。因此，很多科学家提出构成暗物质相互作用的粒子类似气体中的分子，会产生平衡引力的压力。

巨型粒子假说还有另一个成功之处。它利用任何量子化粒子的固有特性来反抗禁闭，而不是去增加暗物质粒子的新属性。如果你挤压粒子，你减少了它的位置不确定性的同时却增加了它的动量不确定性。结果，挤压增大了粒子的速度，从而产生了压力来抵消你施加的外力。超过与粒子等效波长可比拟的距离时，量子禁闭将变得重要。抵抗引力似乎需要一个数十光年的波长。

什么类型的粒子能有天文学尺度呢？恰巧，物理学家预言了很多其对应粒子能够满足要求的能量场——也就是所谓的标量场。这种场在粒子物理标准模型和弦理论中均有出现。虽然实验物理学家仍需寻找它们当中的任意一种，但理论物理学家确信它们真实存在着。

宇宙学家已经将宇宙暴涨和可能导致现在宇宙加速膨胀的暗能量（不同于暗物质）的原因归于标量场。如此说来，这样的场真实有效是因为它是爱因斯坦宇宙常数最简单的推广。如果一个标量场缓慢变化，它就好似一个常数，不但数值固定而且没有方向性；相对论预言它将产生出万有斥力。但是如果场足够迅速变化或者振荡，它就会如一般物质或者暗物质那样产生万有引力。早在1960年代，物理学家就提出应对标量粒子组成的实体予以考虑。这一观点在1980年代后期复苏，但是仅仅4年前它才开始被真正接受。

两位项目领导者是墨西哥高等研究中心的Tonatiuh Matos Chassin和瓜纳华托（Guanajuato）大学的Luis Urena Lopez。今年6月，在古巴的拉斯维亚斯（LasVilas）中心大学（UCLV）的讨论会上，他们描述了标量粒子如何复现星系内部结构：当这种粒子在星系尺度上集聚成团时，他们交叠形成玻色-爱因斯坦凝聚物，这是过去10年间实验物理学家所创建的低温原子团块的超大型版本。凝聚物具有与那些真实星系相匹配的质量和密度轮廓。

暴胀、暗能量和暗物质都被摆在了标量场的门前，这意味着它们可能相互关联。UCLV的Israel Quiros在讨论会上指出同样的场可以导致暴胀和暗能量。其他物理学家已经试图在两种暗能量之间寻找联系。“正如年长的同事经常跟我说的，‘你只能引入先验假定一次’”而美国范德堡（Vanderbilt）大学的Robert Scherrer则说：“现在我不得不同时使用两次：我们需要假定一个尚未发现的暗物质粒子和一个暗能量的未知来源。”我的模型设法用单一的场来解释两者。

但是所有这些模型都遇到了一个棘手的问题。因为粒子的波长和它的质量成反比，所以天文尺度对应着一个极度有悖常理的微小质量，大约是电子伏特（与此相对比，质子质量为109电子伏特）。这就需要物理定律包含一个至今未被发现的对称性。“这样的对称性是可能的，虽然它看起来有些人为的痕迹。”美国芝加哥大学物理学家Sean Carroll说。此外，设定超大粒子的主要动机——它们阻止成团现象——现在已经不那样令人瞩目了，因为宇宙学家发现更加平常的过程（如恒星形成）就可以巧妙地解决这个问题。尽管如此，当物理学家寻求对暗物质的神秘性做出某些解释时，不可避免地会浮现出一些宏伟的遐想。

张旭/译

曾少立/校