再論暗物質(zhì)、暗能量、引力波-中微子及力的統(tǒng)一問題
——從宇宙微波背景輻射B模偏振之發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)意義談起

張海鵬，張 力，孟慶義，羅延安，張丹參，李玉清，華 凌

(1.河北省涿鹿縣醫(yī)院放射醫(yī)學(xué)與應(yīng)用物理研究所，河北 涿鹿 075600 ；2.河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000； 3.南開大學(xué)，天津 300071；4.中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853；5.科技日?qǐng)?bào)社，北京 100038)

哈佛—史密森天體物理學(xué)中心等機(jī)構(gòu)組成的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，利用架在南極的觀測(cè)宇宙微波背景輻射的 BICEP2 望遠(yuǎn)鏡，發(fā)現(xiàn)了“比預(yù)想中強(qiáng)烈得多”的B模式偏振信號(hào)[1-2]；并于2014 年 3 月18 日(北京時(shí)間)宣布發(fā)現(xiàn)了宇宙原初引力波存在的直接證據(jù)，稱其為宇宙暴漲理論的第一個(gè)最有力驗(yàn)證。

此無(wú)疑是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合該發(fā)現(xiàn)，在我們前期工作[3-4]基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探索暗物質(zhì)、可能的暗能量、引力波/子、中微子、宇宙起源和力的統(tǒng)一等問題。

1 關(guān)于暴漲與暗能量、暗物質(zhì)的問題

宇宙微波背景輻射 B 模偏振，無(wú)疑支持宇宙暴漲學(xué)說。

但正如理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家詹姆斯·登特、勞倫斯·克勞斯和哈什·馬瑟所說“尚未排除觀察到的 B 型偏振模式的所有可能的非暴漲源的可能性，和以標(biāo)量密度擾動(dòng)張量模式的動(dòng)力比率”，“盡管在統(tǒng)一大尺度規(guī)模的暴漲毫無(wú)疑問是這種原始波的最佳動(dòng)力源，但在聲稱確定暴漲已被證明之前，重要的是當(dāng)前 BICEP2 數(shù)據(jù)對(duì)其他可能的來源尚無(wú)法解釋”。也就是說，暴漲很可能是原因，然而也有一種可能性，在遙遠(yuǎn)的地方，其他一些后來的宇宙事件至少?zèng)]有被 BICEP2 全部測(cè)量到[5]。

任何質(zhì)量巨大且加速移動(dòng)的天體都應(yīng)該能夠產(chǎn)生引力波，我們唯一能夠直接探測(cè)到的引力波來自宇宙間的一些災(zāi)難性事件，如兩個(gè)黑洞碰撞后融合為一個(gè)黑洞；世界各地的一些天文臺(tái)也正在努力探測(cè)來自遙遠(yuǎn)黑洞合并時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)靜[6]。

誠(chéng)然，BICEP2探測(cè)到引力波，尚不一定是宇宙原始引力波。然而局部的天體事件產(chǎn)生這么強(qiáng)大的引力波的可能性很小，什么宇宙性(宇觀級(jí))事件才能產(chǎn)生這么強(qiáng)大的引力波？是下面要結(jié)合解釋宇宙加速膨脹的暗能量問題探討的。

1.1 大部分星系合并繼而真空相變，轉(zhuǎn)化為暗能量

據(jù)美宇航局公布的數(shù)據(jù)，宇宙早期(約38萬(wàn)年)暗能量?jī)H占約15%[7]。宇宙是在約50億年時(shí)才由減速膨脹轉(zhuǎn)為加速膨脹的。

盡管我們尚不知道暗能量究竟是什么(可能是真空一定能標(biāo)的虛粒子被引力激發(fā))，但宇宙原85%的物質(zhì)(主要是暗物質(zhì))[7]與15%的暗能量在50億年時(shí)發(fā)生了轉(zhuǎn)換，卻是簡(jiǎn)捷的宏觀解釋。如按Plank衛(wèi)星2013年3月21日公布的最新數(shù)據(jù)，暗能量占68.3%；物質(zhì)(暗物質(zhì)占26.8%；強(qiáng)子等物質(zhì)占4.9%)占31.7%，不難計(jì)算出：50億年時(shí)物質(zhì)(主要是暗物質(zhì))中占宇宙總質(zhì)能53%的那部分物質(zhì)，當(dāng)時(shí)轉(zhuǎn)化為暗能量了。

如此則出現(xiàn)一個(gè)問題，二者是如何轉(zhuǎn)化的？結(jié)合暴漲宇宙論的真空相變[8-9]，我們認(rèn)為，可能是以暗星(“黑洞”)為中心的星系之間碰撞最后合并成一個(gè)巨大的、宇宙級(jí)的重力真空星(法國(guó)、荷蘭兩位科學(xué)家提出了與文獻(xiàn)[3]有一定類似的普朗克星模型，均不支持宇宙起源的“奇點(diǎn)”論[10])。這種星體在超巨質(zhì)量、超高溫(1028～1032K)、超高能標(biāo)(10-31～10-35m)下，由于發(fā)生真空相變而轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥蛎浀陌的芰?某種程度上類似于宇宙暴漲期)[3-4]。而宇宙學(xué)最難解釋的微波背景輻射的斜軸現(xiàn)象[11-12]——有可能就是上述過程中最后的兩個(gè)暗物質(zhì)星體碰撞合并后暗能量向原對(duì)撞方向“反彈”的跡象。

暗能量用于解釋宇宙加速膨脹已較普遍地被學(xué)界接受。而太陽(yáng)每年的質(zhì)量損失與經(jīng)典理論計(jì)算相差一個(gè)數(shù)量級(jí)以上[13]，是否與忽視宇宙加速膨脹對(duì)太陽(yáng)系的影響有關(guān)？或者說是加速膨脹更加直接的反應(yīng)？史例已有廣義相對(duì)論對(duì)水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)率異常的全新解釋。順便提一下，我國(guó)科學(xué)家通過固體潮觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算，獲得了引力場(chǎng)以光速傳播的第一個(gè)可靠證據(jù)[14-15]。

暗能量的負(fù)性引力性，還有可能作為意識(shí)信息的物質(zhì)載體。

1.2 星系中心的巨大“黑洞”-暗星-夸克星：其所占星系質(zhì)量的高比例足以解釋暗物質(zhì)

太陽(yáng)占太陽(yáng)系總質(zhì)量的99%以上[16]，根據(jù)萬(wàn)有引力公式等，星系中心的巨大“黑洞”——暗星，其所占星系質(zhì)量的高比例足以解釋暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)的比例[26.8/(26.8+4.9)][4]。

那么暗(物質(zhì))星(“黑洞”)是如何組成的？個(gè)人認(rèn)為，可能是1/3的分?jǐn)?shù)電荷——最基本電荷的夸克：下夸克(d)、1/2的上夸克(u/2)之間凝聚而成的類似于金剛石“空間點(diǎn)陣”的高度致密的星體：由強(qiáng)相互作用、電磁力、引力凝聚。我國(guó)物理學(xué)家魯潤(rùn)寶教授早在1994年即已在“電子-離子束縛態(tài)及其引發(fā)核過程”模型中提出可能存在少量的下夸克(d)聚變[17]。最近英國(guó)《自然》雜志發(fā)表了美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和德國(guó)馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所學(xué)者的探測(cè)研究結(jié)果：首次發(fā)現(xiàn)了“黑洞”的磁場(chǎng)；所觀測(cè)的76個(gè)黑洞(暗星)的磁場(chǎng)之強(qiáng)，已和其自身強(qiáng)大的萬(wàn)有引力相當(dāng)?shù)腫18]。此不僅促進(jìn)重新看待以往的黑洞模型，而且，客觀上，有力地支持我們(2013)在文獻(xiàn)[4]提出的暗星-“黑洞”的上述夸克星模型。

在文獻(xiàn)[4]中，我們已經(jīng)以脈沖星中心的夸克星核結(jié)構(gòu)對(duì)脈沖星的強(qiáng)大磁場(chǎng)進(jìn)行了解釋。

在宇宙極早期，還可能存在1/3 電子電荷的“夸克”與1/2上夸克聚合成的原始夸克星——這種暗星-“黑洞”。此系在暴漲的極端溫標(biāo)下包括電子夸克(1/3分?jǐn)?shù)電荷的最基本的夸克之一)在內(nèi)的夸克禁閉均可打破。重子物質(zhì)組成的恒星等有可能僅僅是原始夸克星對(duì)撞產(chǎn)生的“碎片”，2013年4月18日英國(guó)《自然》報(bào)道發(fā)現(xiàn)了宇宙早期的極端星爆形成了星系的恒星等也佐證了這一點(diǎn)。

此不僅與宇宙微波背景、可見物質(zhì)的元素豐度——熱大爆炸模型的證據(jù)毫不矛盾，而且可避免“瓊斯假說”的宇宙早期神秘的“消電離作用”[19]問題的困難及暗物質(zhì)暈假說存在的矛盾[4]。

1/2上夸克和1/3電子電荷的“電子夸克”，均源于我國(guó)古代老子、莊子道家的陰陽(yáng)哲學(xué)觀與現(xiàn)代物理學(xué)的對(duì)稱原理，結(jié)合令人震驚的γ暴能量的來源之思索。電荷守恒(對(duì)稱)是極嚴(yán)格的。電子可能是3個(gè)或5個(gè)單電荷夸克聚變的產(chǎn)物，電子質(zhì)量之輕，恰說明其“合成”時(shí)釋放的聚變能量之大。事實(shí)上，著名理論物理學(xué)家韋斯科夫(1970)曾提出“電子結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是一個(gè)人們尚未正視的問題[20]”；更早時(shí)(1949)還提出，電子和能量非常高的光量子相互作用還沒有搞清楚；質(zhì)子和介子(注：應(yīng)該指π介子)的電荷等于電子的電荷，電子的經(jīng)典半徑幾乎等于核力的力程，這些都不可能是純粹的巧合。在量子電動(dòng)力學(xué)與未來的介子與核力理論間必然有一定聯(lián)系[20]”(盡管在《后記》中懷疑了自己的觀點(diǎn))。此可以作為上述假說的佐證。同時(shí)，π介子(由u夸克與反d夸克組成)屬?gòu)?qiáng)子，其10-2%衰變?yōu)閇(e+,νe)][21]，此也有助于提示e+蘊(yùn)含著潛在的強(qiáng)力。近年，在以電子探針探測(cè)質(zhì)子形狀及其他特征時(shí)發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子自旋危機(jī)等很多令人困惑的現(xiàn)象[22]，此是否可能與作為探針的電子的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？

1.3 不支持暗物質(zhì)的冷暗粒子模型的部分證據(jù)：美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)

費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的粒子加速器(Tevation)2008年以高速正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞，檢測(cè)到了底夸克及其反夸克，令人驚奇的是發(fā)現(xiàn)對(duì)撞產(chǎn)生的μ子數(shù)比預(yù)期的要多得多，而且其中的一些μ子好像是在束管(1.5cm寬)外產(chǎn)生的(其在探測(cè)器最里層未留下任何痕跡)，CDF小組推測(cè)，束管外的μ子系壽命為2×10-11秒的未知粒子(CDF粒子)行進(jìn)了約1m而穿出束管壁后發(fā)生衰變而產(chǎn)生的，CDF粒子質(zhì)量接近109eV，從而推測(cè)是暗物質(zhì)相關(guān)反粒子的可能性[23]。慮及Ω粒子的質(zhì)量約1.67×109eV且壽命8.2×10-11s，主要蛻變方式多可產(chǎn)生π-或π0介子[24]，我們認(rèn)為宜優(yōu)先考慮Ω粒子，而π±介子近乎100%蛻變?yōu)棣套樱M(jìn)一步佐證之(Ω粒子在其甚高能情況下，是否可能直接蛻變?yōu)棣套樱?。Ω粒子正是蓋爾曼[費(fèi)(因)曼甚推崇之[25]]1962年按照幺正對(duì)稱十重態(tài)預(yù)測(cè)的粒子[注：該十重態(tài)(及八重態(tài))僅系楊(楊振寧)-米爾斯(非阿貝爾)規(guī)范場(chǎng)(1954)的一種近似形式[26]。

2011年5月意大利Gran Sasso國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究人員認(rèn)為，他們探測(cè)到的“暗物質(zhì)粒子”很可能是普通粒子的假陽(yáng)性，因此推測(cè)其他聲稱發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的觀測(cè)結(jié)果可能也是站不住腳的[PRL(物理評(píng)論快報(bào))][4]。2012年對(duì)全太陽(yáng)系(注：不存在“黑洞”)附近的探測(cè)也沒能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)[27]；2013年10月30日，世界上最先進(jìn)的暗物質(zhì)搜尋器——美大型地下氙探測(cè)器(LUX)科學(xué)家宣布，LUX 實(shí)驗(yàn)無(wú)果而終，暫時(shí)排除了弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)候選者的可能[28]。文獻(xiàn)[4](2013)提及已知的弱相互作用的中間玻色子均是極短壽命的粒子。

最近有課題組發(fā)現(xiàn)銀河系中心的暗物質(zhì)跡象[29]，也有發(fā)現(xiàn)認(rèn)為太陽(yáng)中心有暗物質(zhì)跡象[30]，后兩個(gè)研究均不支持“暗物質(zhì)暈”觀。

BICEP2 望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射B膜偏振，基本上排除了作為非強(qiáng)子的暗物質(zhì)粒子的第二候選者的“軸子”[31]。

因此，暗物質(zhì)問題仍有待于進(jìn)一步探討和研究。

1.4 本文對(duì)BICEP2 望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)的B膜偏振的引力源的解釋

引起宇宙微波背景輻射B膜偏振的強(qiáng)大引力波，既可能是宇宙暴漲期間釋放的，也可能前述的50億年左右時(shí)導(dǎo)致宇宙開始加速膨脹的宇宙級(jí)事件中釋放的。更大可能性則是這兩次引力波對(duì)微波背景輻射作用的疊加。

2 引力波-中微子、力的統(tǒng)一問題研究

2.1 關(guān)于引力子/波-左旋中微子

由上可見，BICEP2 望遠(yuǎn)鏡新發(fā)現(xiàn)的B膜偏振的最明確意義是，世界上首次直接地探測(cè)到愛因斯坦在廣義相對(duì)論中預(yù)言的引力波——繼1974 年拉賽爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒通過對(duì)脈沖雙星的觀察間接驗(yàn)證了引力波的存在(后獲諾氏物理學(xué)獎(jiǎng))之后。同時(shí)，有力地提示引力與量子力學(xué)的融合[32-33]。

倫敦皇家學(xué)院Joao Magueijo 和 Dionigi Benincasa曾建議注意宇宙微波背景輻射(CMB)在極早期暴漲階段，強(qiáng)大的引力波會(huì)在時(shí)空中傳播，將 CMB的光子偏振到足以說明問題的形態(tài)；其計(jì)算表明:若引力只是有賴于左旋或右旋的引力子, 則會(huì)以明顯的方式歪斜 CMB光子的偏振態(tài)(B模式), 而易于被觀測(cè)到[34,3]。

因此，BICEP2 望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射偏振信號(hào)的顯著性(“比預(yù)想中強(qiáng)烈得多”)，支持引力有賴于左旋(或右旋)的引力子[34,3]。也為我們提出的中微子通過其與光子相互作用證實(shí)左旋中微子是否為引力子提供了進(jìn)一步的依據(jù)，如獲證實(shí)，則可能是繼光與電磁波的同一性之后物理學(xué)的又一次簡(jiǎn)約化。

左旋中微子與引力子的一致性(“一元化”一直是醫(yī)科臨床診斷的思維原則)，在文獻(xiàn)[3]中已從多個(gè)方面進(jìn)行了較系統(tǒng)地闡述。日本學(xué)者最早發(fā)現(xiàn)的中微子震蕩現(xiàn)象無(wú)疑是重要發(fā)現(xiàn)，其支持中微子具有非零靜止質(zhì)量，但我們認(rèn)為尚不足以證實(shí)后者(部分中微子的消失，可能分解為低頻的引力波)。正象電磁場(chǎng)輻射電磁波-光子一樣，引力場(chǎng)下星體坍縮所輻射的超量中微子是提示中微子之引力子性質(zhì)的非常有力的線索：II型超新星形成中子星(及其他)所須星核釋放的中微子在數(shù)量上是通過電子俘獲而形成的中微子的好幾倍——這不是由逆β衰變可解釋的。如果左旋的虛中微子屬于零質(zhì)量的引力子，則可以很好地解釋超新星(SN)1987A中微子到達(dá)地球早于光子僅3小時(shí)(光子在星體內(nèi)的反射遲滯時(shí)間)的現(xiàn)象[3]；而魯比亞等在前年的“中微子超光速”事件后重新測(cè)量得出的中微子等光速(“a neutrino propagation velocity in agreement with the speed of ligh”)結(jié)果，也支持中微子的零質(zhì)量。

宇宙暴漲期間可能首先放出引力子/波，而據(jù)美宇航局公布的數(shù)據(jù)，宇宙早期(約38萬(wàn)年)中微子在宇宙總質(zhì)能的比例高達(dá)10%[7]。此支持左旋的虛中微子可能屬于零質(zhì)量的引力子的假說。而標(biāo)準(zhǔn)模型(近年希格斯粒子在加速器上的成功發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步支持標(biāo)準(zhǔn)模型)本來要求中微子零質(zhì)量。

2.2 關(guān)于“基本”力的統(tǒng)一問題

試圖將量子力學(xué)與廣義相對(duì)論結(jié)合的理論——圈量子引力(Loop Quantam Gravity)表明 :一個(gè)不對(duì)稱性已深藏在宇宙的定律之內(nèi)并使引力成為左手性[34]。如果左旋的虛中微子屬于零質(zhì)量的引力子，則費(fèi)米最先提出的弱相互作用可能不是基本力(甚至有可能主要是10-17m尺度內(nèi)的圈量子引力)；除弱力的玻色子重外(萬(wàn)有引力最弱而理論上預(yù)測(cè)的引力子卻無(wú)靜止質(zhì)量)，作用過程的錯(cuò)綜復(fù)雜性可能也是弱作用的原因(而費(fèi)曼亦曾提出電磁力玻色子的光子與3種弱力玻色子的關(guān)聯(lián)應(yīng)予進(jìn)一步推敲[25])。

果如此，則我國(guó)科學(xué)家(楊振寧教授、李政道教授1957年獲得諾獎(jiǎng)時(shí)均尚未加入美國(guó)藉)發(fā)現(xiàn)的弱相互作用中的宇宙不守恒(在吳健雄教授實(shí)驗(yàn)證實(shí)之前，德國(guó)物理學(xué)家泡利、前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道等均難以接受之)，也可得到進(jìn)一步解釋(引力子為左旋的[34])。四種“基本”力之間如果沒有任何關(guān)聯(lián)，并不符合唯物辯證法的普遍聯(lián)系觀。

愛因斯坦質(zhì)能守恒定律(E=mc2)中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能量的經(jīng)典物理學(xué)意義是物質(zhì)以光速運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能的2倍，后者只能兼源于以光速自旋的動(dòng)能，此有力地提示組成物質(zhì)的前述的最基本的1/3分?jǐn)?shù)電荷的夸克應(yīng)該是空心的，因而宜加強(qiáng)對(duì)圈量子力學(xué)的研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)以宇宙大部分星系合并成的重力真空星的類似局部暴漲，解釋了宇宙加速膨脹的可能暗能量的高比例之源，因此，哈佛—史密森天體物理學(xué)中心等BICEP2 望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射的B模式偏振信號(hào)，無(wú)論作為“宇宙暴漲的確鑿證據(jù)”，還是作為引力波的宇宙原初證據(jù)，均不一定成立，其可能是宇宙暴漲與上述的類似局部暴漲的引力波疊加作用的結(jié)果。(2)英國(guó)《自然》雜志不久前發(fā)表的76個(gè)“黑洞”探測(cè)所發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)大的磁場(chǎng)，客觀上較強(qiáng)有力地支持我們提出的“黑洞”(暗星)的夸克星模型：由1/3基本電荷的正負(fù)夸克以類似于金剛石的正四面體“空間點(diǎn)陣”組成。質(zhì)能守恒定律提示1/3基本電荷的夸克可能是空心結(jié)構(gòu)。(3)進(jìn)一步總結(jié)了我們2013年1月暗物質(zhì)著述發(fā)表后的相關(guān)國(guó)際進(jìn)展(暫時(shí)排除大質(zhì)量弱相互作用粒子)，后者進(jìn)一步支持“黑洞”(暗星-夸克星)作為暗物質(zhì)的候選者的可行性(比例足夠)。論述了美國(guó)費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(CDF)2008年發(fā)現(xiàn)的疑似暗物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，可能是已有的Ω粒子。(4)BICEP2 望遠(yuǎn)鏡的前述發(fā)現(xiàn)有力地支持引力子的單手性，為我們2011年提出的左旋中微子(中微子震蕩不足以證明其非零質(zhì)量)與引力子可能的一致性提供進(jìn)一步的佐證，為四種力的廣義統(tǒng)一提供新的可能性，以相關(guān)實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽左旋中微子與引力子一致性。

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