1996年,《發現》雜誌刊登了一篇四月愚人節故事,講述了一種名為“大子”的巨型粒子,它可能對各種無法解釋的現象負責。現在,在生活模仿藝術的案例中,一些物理學家提出,宇宙中神秘的暗物質是由巨大的粒子組成的,這些粒子跨度達光年或更長。在這些巨大的粒子相互碰撞中,普通物質勉強維持其存在,就像鼩鼱在恐龍的腳下匆匆奔走。
這個想法的出現是為了解釋關於暗物質的一個令人困惑的事實:儘管暗物質在最廣闊的尺度上會聚集,形成星系團等天體,但它似乎抵抗在較小尺度上的聚集。天文學家觀測到的小星系和亞星系氣體雲比從星系團簡單外推所暗示的要少得多。因此,許多人認為,構成暗物質的粒子像氣體中的分子一樣相互作用,產生一種壓力來抵消引力。
大粒子假說採取了另一種方法。它沒有給暗物質粒子增加新的屬性,而是利用了任何量子粒子固有的抵抗束縛的趨勢。如果你擠壓一個粒子,你會減少其位置的不確定性,但會增加其動量的不確定性。實際上,擠壓會增加粒子的速度,產生一種壓力來抵消你施加的力。量子幽閉恐懼症在與粒子的等效波長相當的距離上變得重要。對抗引力聚集需要幾十光年的波長。
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哪種型別的粒子可以具有如此天文數字般的尺寸?碰巧的是,物理學家預測了大量的能量場,這些能量場對應的粒子可能符合要求——即所謂的標量場。這種場既出現在粒子物理學的標準模型中,也出現在弦理論中。儘管實驗者尚未識別出任何標量場,但理論家確信它們是存在的。
宇宙學家已經將宇宙暴脹,以及可能正在引起宇宙加速的暗能量(與暗物質不同)歸因於標量場。在這些背景下,這些場之所以起作用,是因為它們是愛因斯坦宇宙常數的最簡單推廣。如果標量場變化緩慢,它就像一個常數,無論是在其固定的幅度上還是在其缺乏方向性上;相對論預測它會產生引力斥力。但是,如果場變化或振盪足夠快,它就會產生引力吸引力,就像普通物質或暗物質一樣。早在 20 世紀 60 年代,物理學家就假設存在由標量粒子組成的物體,這個想法在 20 世紀 80 年代後期復興,但直到四年前才真正開始流行起來。
該學科的兩位領導者是墨西哥城研究和高階研究中心的託納蒂烏·馬託斯·查辛和瓜納華託大學的路易斯·烏雷亞·洛佩斯。在六月於古巴拉斯維拉斯中央大學 (UCLV) 舉行的研討會上,他們描述了標量粒子如何再現星系的內部結構:當粒子在星系尺度上聚集時,它們會重疊形成玻色-愛因斯坦凝聚態——過去十年中實驗者創造的冷原子堆的巨型版本。凝聚態具有與真實星系質量和密度分佈相匹配的質量和密度分佈。
暴脹、暗能量和暗物質都可以歸咎於標量場,這表明它們可能存在聯絡。UCLV 的以色列·基羅斯在研討會上認為,同一個場可以解釋暴脹和暗能量。其他物理學家也在研究將這兩個暗實體聯絡起來。“正如我的資深同事過去常說的那樣,‘你只能召喚一次牙仙’,”範德比爾特大學的羅伯特·謝勒說。“現在我們不得不召喚兩次牙仙:我們需要假設一個尚未被發現的粒子作為暗物質,以及一個未知的暗能量來源。我的模型設法用一個場解釋了兩者。”
但所有這些模型都存在一個惱人的問題。由於粒子的波長與其質量成反比,天文尺寸對應於一個幾乎荒謬的小質量,約為 10-23 電子伏特(相比之下,質子的質量為 109 電子伏特)。這要求物理定律具有迄今為止未被懷疑的對稱性。“這種對稱性是可能的,儘管它們顯得有些牽強,”芝加哥大學的物理學家肖恩·卡羅爾說。此外,大粒子的主要動機——它們對聚集的抵抗力——現在已經變得不那麼令人信服了,因為宇宙學家發現,更平淡的過程,如恆星形成,可以做到這一點。不過,隨著物理學家們四處尋找對暗物質之謎的某種解釋,一些相當宏大的想法不可避免地會浮出水面。