暗物質本質原理的猜想

P145.9

暗物質，一個幾乎可以說是家喻戶曉的名詞。它占據了宇宙質量的90%或更多，但它獨立于標準模型之外，既不發射電磁輻射，也不反射電磁輻射，而只通過引力作用與我們的宇宙物質世界相聯系。為了找尋暗物質，許多杰出的物理學家投身其中，從理論到實驗，提出了許多千奇百怪的模型公式，但目前為止，沒有一個能徹底解決其實際問題。下面，結合暗物質自身的發展歷史，來談談自己的理解。

在1915年的時候，愛因斯坦根據相對論得出宇宙的形狀取決于宇宙質量的多少。他認為：宇宙是有限封閉的。如果是這樣，宇宙中物質的平均密度必須達到每立方厘米5×10的負30次方克。但是，迄今可觀測到的宇宙的密度，卻比這個值小100倍。也就是說，宇宙中的大多數物質“失蹤”了，科學家將這種“失蹤”的物質叫“暗物質”。用數學模型來解釋，即將相應的時空度規場和相應的同性介質的能-動張量代入到愛因斯坦場方程中，繼而得到宇宙學密度的符號。如果宇宙中的物質主要表現為發光的星系，其密度應當為： 。不過，通過天文觀測所給出的實驗值表明： 。 ，表明我們實際的空間存在著大量無法觀測的物質成分，科學家將其定義為暗物質。到目前為止，中微子和黑洞已被證實屬于暗物質，但其比例微小，并不構成其主體，而理論上的弱相互作用大質量粒子，軸子，超對稱粒子等也缺乏嚴格的實驗證據來表明。現在的實驗物理學家們，主要通過引力透鏡法、觀測漩渦星系的曲線等手段來間接推斷暗物質的分布情況。到2016年，最新的探測結果表明，暗物質之間可能存在第五種未知的力。這樣一來，其詭異性又大大增加了。接著，個人談談自己的觀點。

首先，我們接受這樣一個基本事實：暗物質是的確存在的。那么，為什么它有如此奇特的性質而背離于我們的日常生活經驗呢？廣義相對論和量子場論分別在各自的領域取得了巨大成功，但二者卻不能協調統一在一起。超弦理論雖然在數學上完美統一了上述相互作用，但其基礎是超對稱。而2016年夏天疑似的雙光子峰的消失，同時并未出現新的雙光子峰的結果也表明對超對稱粒子的探索基本結束，以維爾切克等為代表的超對稱理論的堅定支持者們徹底輸給了Hooft等人，至少表明超弦理論需要進一步修改的可能性達到了99%。

此外，兩者理論本身，也有一定的不完備性，盡管引力波在2016年被LIGO組在觀察雙黑洞合并的過程中所探測到，但之后的數據分析卻顯示，愛因斯坦的廣義相對論在黑洞邊緣的極端條件下會失效，客觀也說明其應該得到進一步修正。而場論中的發散項本身背后的物理實質始終沒有得到具體的解釋，這些都有待于科學家們的進一步探索。

最后，有關世界歷史上還存在一些未解之謎，如瑪雅文明的起源，古埃及金字塔的建造，亞特蘭蒂斯是否真實存在，UFO的高速飛行原理等。這些到現在為止也缺乏一個統一的論證，基本上是眾說紛紜。所有的這一切均表明，未來需要改進的地方還有很多。

綜上所述，個人以為復雜現象的背后往往蘊藏著簡單的原理，可能就是我們所說的終極原理。要想徹底解決暗物質的問題，必須先將四大作用力統一在一個優雅簡單的模型之中，它包容目前所有的已知實驗現象和物理性質，然后基于此背景，來設計相應的實驗方案，從而有的放矢。否則，在一個不成熟的理論體系框架背后，探索失敗的可能性會很大。暗物質本身的模型以WIMP和軸子，額外維作用為主流。但必須從第一性原理出發解決下面的問題才能表明其被徹底解決：

1. 有關暗物質之間的相互作用是否真實存在，它是否歸為第五種作用力？

2. 為什么僅僅引力可以被滲透到額外維，其余的相互作用是受到什么約束而被限定在四維時空里？

3. 引力和物質質量密切相連系，那么在暗物質與正常粒子的碰撞過程中，有無可能引發粒子質量的波動性？

4. 有沒有暗暗物質的存在？（注：暗暗物質是只與暗物質作用而不與我們所處世界的物質發生反應，但它改變了暗物質的運動軌跡以及分布形態，從而間接影響我們的世界的變化。）

5. 與暗物質密切相關的暗能量來自哪里？是暗物質消失所放出的能量還是其它來源？

以上就是解決暗物質的5個最為核心的問題，我們期待，21世紀將會是人類文明史上的一個里程碑，希望在我們的有生之年，能夠看到暗物質這個世紀謎題被杰出的科學家團體或個人完美破解。屆時，物理這門學科，將真正意義上變成一門全能性的學科。

作者簡介：

辛炫理 1988，男，成都，云南大學研究生在讀，理論物理方向