速读 关于暗物质,我们知道什么?

你想知道宇宙是由什么组成的吗?你想知道宇宙最终会如何吗?你想知道时间和空间从何而来吗?你想了解我们在宇宙中是否孤单吗?很遗憾!这本书不会告诉你任何答案。相反,这本书写的全都是宇宙中我们不知道的事情。

□馨宇整理

关于暗物质

暗物质肯定是存在的,而且它很奇怪,和我们所熟悉的东西不太一样。关于暗物质,我们知道:它有质量。它不可见。它喜欢和星系待在一起。普通物质碰不到它。

关于暗物质,我们还知道一点,那就是它并非躲在远处。暗物质倾向于聚集在一起,形成一个大质量团块,并且飘浮在宇宙空间中,和星系在一起。这意味着,此时此刻你很可能就待在暗物质中。而就在你看书时,暗物质很可能正在穿过书和你。但是,如果它就在我们周围,为什么它还是个谜?为什么我们无法看见和触摸到暗物质?一件东西明明就在那里,我们却看不到。

研究暗物质非常困难,因为我们和它没有多少相互作用。我们看不见它(所以它“暗”),但是我们知道它有质量(所以它是“物质”)。为了解释这一切,我们先回顾一下普通的物质是如何相互作用的。

物质的相互作用有四种主要方式:

(万有)引力:如果两个东西有质量,那么它们就会对彼此有这种吸引力。

电磁力:如果两个粒子带有电荷,那么这两个粒子之间就会产生电磁力。这种力可以让它们相互吸引,也可以让它们相互排斥,这取决于两个电荷的电性。

实际上,你每天都会在生活中感受到这种力。你用手按住这本书,这本书并不会被压垮,你的手也不会穿过纸张,因为书的分子通过电磁力的作用紧密结合在了一起,同时会排斥你的手。

弱核力:这种力在很多方面和电磁力相似,但它弱得多。比如,中微子就是通过这种力与其他粒子(微弱地)相互作用的。在能量非常高时,这种很弱的力会变得像电磁力一样强。事实上,这一点已经得到了证实,就是这种弱作用组成了电磁作用。

强核力:这是在原子核内把质子和中子黏在一起的力。没有了它,原子核内带有正电荷的质子会互相排斥,最后四散而逃。

暗物质如何相互作用?

需要注意的一个重点是,我们这是在描述这几个力。在某种程度上,物理学和植物学相似。我们目前还不知道这些力为什么会存在。到目前为止,我们能够用这四种力解释粒子物理中的每个实验。

那么,为什么暗物质这么暗呢?好吧,暗物质有质量,所以它有引力。但是关于它的作用,我们能够确定的信息也只有这些了。目前,我们认为它不参与电磁作用,不会反射或者发出光线,因此我们很难直接看到它。暗物质似乎也没有弱核力和强核力。

除了某种我们还未发现的新作用,任何机制都不能使暗物质与望远镜、探测器,还有我们的身体接触。这使它非常难以研究。

在已知物体相互作用的四种基本力中,我们唯一确定与暗物质相关的只有引力。这就是暗物质中“物质”两个字的来源。暗物质是物质,它有质量,所以它有引力。

暗能量可能是什么?

暗能量到底是什么?我们还不知道。我们知道它是一种力,当前它正在使宇宙膨胀,把宇宙里所有要紧的东西向外推。此时此刻,它推着我,推着你,推着我们知道的所有东西互相远离。不过,我们还不知道它是什么。

当前流行的观点是,暗能量来自空的空间的能量——没错,空的空间。当我们说什么东西是空的时,我们的意思是那里面没有“东西”。说得专业一点,我们认为东西是空的反面。星系之间有些空间没有物质粒子,甚至没有暗物质。现在,请考虑这个情况:如果这个空的、没有物质的空间有能量(比如一缕红光或者嗡鸣一样的声波),如果这就是事实,这个能量就能提供一个引力效应,把宇宙向外推。

这听起来有点荒唐,却有着令人意外的合理性。事实上,在量子力学里,真空能量的存在很自然。根据量子力学,小物体(比如粒子)和大物体(比如人和腌菜)的世界运行规则很不一样。微粒可以做到腌菜做不到的事,比如拥有不确定的位置,比如穿过不可逾越的障碍,比如在被观测和不被观测的情况下呈现不同的样子。还有,根据量子物理,粒子可以在本来空的空间里从能量中突然出现然后又退回去。

量子力学给了我们不同的世界,相对论使我们放弃了绝对空间和时间的想法。既然如此,我们为什么不能接受看起来空的空间实际上充满了可以把宇宙推开的真空能量呢?

暗能量还有其他解释,比如渗透到空间中的新型力或者特殊场(就是像电磁场那样的场)。这些作用场中有一些在概念上随时间变化,以解释宇宙的加速膨胀为何开始于50亿年前。这类理论有许多不同的版本,它们的共同点是很难验证。毕竟,这些作用场中有一些不与我们的粒子相互作用,我们很难探测它们。有些作用场可能会有新的特征粒子(就像希格斯场有希格斯粒子),但是那些粒子质量非常非常大,远超我们目前能测量的范围。那到底有多大呢?它们比我们以前见过的粒子都重,但是没有你家猫重。

这类理论都处于发展初期,它们仅仅是最早的原型理论,引导科学家发现更好的解释,直到我们最终了解宇宙中的大多数能量。通过比较,暗能量使暗物质看起来简单而且易于理解——至少我们知道它是物质。毫不夸张地说,暗能量可能是任何东西。如果500年后的科学家回过头来看今天的我们,我们当前关于暗能量的讨论可能让他们觉得滑稽,就像我们现在看原始人解释恒星、太阳。听古人说天气和上帝穿的长袍相关,我们也会觉得离奇。我们知道有强大的力量存在,它超出了我们的理解能力。关于宇宙,还有很多东西等着我们去学习。

维度更多的空间在哪里?

你可能会问:如果(除了时间以外)真的有第四维,那为什么从来没有人看到过它?

我们无法驾驭或感知自己在更高维度中的运动,因为这部分能力无关也无益于我们的生存。即便如此,如果它和那三个寻常维度一样,是线性维度,那我们应该已经注意到它了。就算我们只能在三维空间里感知事物,如果有东西在其他维度上运动,我们也会看到它在三维空间里反复出现和消失,这很容易引起我们的注意。

因此,我们可以相当肯定地说,不存在和其他三个空间维度相似的第四个维度。其他维度即使存在,也是以某种隐秘的、难以捉摸的方式存在。有这样一种可能:我们已知的所有力和物质粒子都无法进入这些维度。也就是说,不会有物体在第四维中滑动,也不会有能量(通过作用力的媒介粒子,比如光子)扩散到这些维度中。这类令人费解的维度有可能存在吗?有可能,但是如果任何已知的粒子都难以进入这些维度,那我们发现和研究它们的机会也微乎其微。

另一种可能是,只有某些特定的粒子可以进入更高的维度,这些粒子比其他粒子更稀有、更难研究,也更难被发现。最重要的是,更高的维度也可能因为自身的特点而不易被发现。那会是什么样的特点呢?比如,这些维度可能是弯曲的,可以构成小的圆圈或环。这意味着在这种维度中运动不会让你走得很远。事实上,如果沿着一个环状的维度移动,最终你会回到起点。

如果你觉得维度可以弯曲成环状这个想法过于匪夷所思,那么你不是唯一这么想的人。就连最聪明的人也觉得这难以理解。事实上,说不定所有的空间维度都是环状的。就我们所熟悉的三个空间维度而言,这个环应该非常非常大——比观测可及的宇宙范围还要大。

假如这些维度非常小而且是环状的,只有少数特定的粒子可以进入,那事情就说得通了。在三维空间中的我们看来,物体在这些小的环形维度中的运动所引起的变化并不大。尽管如此,我们还是有办法寻找这些维度的。

这些更高的维度是否存在?我们是否生活在有三个以上空间维度的宇宙中?我们不知道。但是,从物理学上讲,宇宙是可能存在高维空间的。更令人兴奋的是,我们有可能发现它们。也会了解我们可能通过哪些途径揭开这个谜团,让自我感觉良好的四维物理学家对我们刮目相看。

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