探尋應當真實存在的平行世界

劉本林

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暗物質與伽馬射線暴是當代天文學中兩個熱門且令人費解的方向。我們如果將兩者融合，加以通盤考察分析，則會發現一個令人驚喜的結論：在我們熟悉的世界之外，應該存在著平行世界：擁有自己的太陽、行星，行星上還可能擁有生態圈。當然，我們無法體驗到這個世界陽光的溫暖，那里也無法感受我們的陽光……然而，這個世界真實存在，就如同我們世界一樣。本文選擇用術語“平行世界”，以區別于“平行宇宙”。“平行宇宙”概念常被用來解釋量子測量結果，數量極多，像是我們所處宇宙的影子，但其真實性未被確證。

“暗物質”概念源于人們對星系團質量的研究。1933年，瑞士學者弗里茨·茲威基在估算后發座星系團的總質量時，同時使用了兩種方法：光度法與動力學法。結果發現，用動力學法推算的星系團質量遠大于用光度法推算出的結果。茲威基的觀點是，在后發座星系團中，存在著大量具有引力但不發光的物質，即后來所稱的“暗物質”。后發座位于北斗七星南部，沒有明顯亮星，是一個包括數千乃至上萬個星系的星系集團。值得說明的是，后發座星系團與其他多個星系團相似，具有較強的X射線輻射。起初，人們并不看重茲威基的結論，但20世紀80年代前后科學家對銀河系與仙女星系（M31）中恒星運動與光度的觀測與分析，支持了茲威基的結論。后來人們發現，現代天文學繞不開茲威基的發現。

在過去數十年中，人們傾向于認為暗物質以粒子狀態彌散在星際空間：它們穩定，除了具有引力作用以外，與通常物質的相互作用極其微弱，自身間的相互作用也微弱；它們不是質量非常大（例如質量為質子數十倍的WIMP粒子），就是數量非常多（例如軸子，質量非常小）。當然，略顯遺憾的是，數十年來，這些好像是為解釋星系額外引力源而量身定制的粒子，在精心安排的物理實驗與天文觀測中都沒有現身。應當認為，目前人們還不明白暗物質到底是什么。

伽馬射線暴由美國空間軌道探測器發現于20世紀60年代末。目前，在空間運行的探測系統平均每天能記錄到一個伽馬射線暴事件。伽馬射線暴的特征是輻射能流密度極高，時間短（0.1秒至100秒），變化迅速且不規則。通常第一個脈沖結束以后緊接著會有第二個、第三個脈沖出現（脈沖數1個至5個）。長期研究表明，伽馬射線暴在短短的數秒時間內，輻射的能量往往可以達到或超過1046焦耳。太陽的功率約為3.82×1026瓦（可從太陽常數1360瓦/平方米，日地平均距離1.496億千米算得），在預期100億年（3.15×1017秒）的壽命中，太陽輻射能量的總和約為1.2×1044焦耳，僅為上述伽馬射線暴在數秒中的輻射能量的百分之一左右。

目前，有些人試圖將部分伽馬射線暴理解為致密天體（中子星或黑洞）并合過程中的電磁輻射，并嘗試用最新探測到的引力波作為佐證。然而，該觀點并不完全令人信服。恒星并合的事例聞所未聞，這與幾乎每天都能記錄到伽馬射線暴的事實不符。此外，致密天體并合，其輻射過程相對一致，這明顯與伽馬射線暴捉摸不定的模式不一致。到目前為止，多數人更趨向于將伽馬射線暴歸入一種原因不明的、無與倫比的電磁（光子）輻射過程。

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其實，在目前人們所知的恒星演化過程中，有一種輻射機制在強度與時長等多方面可以與伽馬射線暴相比擬：這就是超新星爆發中伴隨的中微子輻射過程。

超新星是一種引人注目的天象，中國古代稱之為“客星”，數朝歷史文獻均有記載。《宋史·仁宗本紀》對公元1054年超新星（SN1054）記載道：“嘉祐元年三月辛末，司天監言：自至和元年五月，客星晨出東方，守天關，至是沒。”更詳細的歷史記載表明，這顆超新星最亮時竟然亮如金星，白天都能看到，并持續了23天，而夜晚可見的時間持續了15個月。

現代，天體物理學對恒星演化以及超新星爆發機制已具有清晰理解與詳細分類。

通常，恒星輻射源自恒星中心的核聚變釋放的能量。該能量在恒星中心釋放，抵抗恒星內部的巨大壓力，并以輻射傳導的方式傳送至恒星表面，形成電磁輻射。由于恒星核聚變存在部分中微子輻射，其輻射的能量值略低于核聚變前后的質量差所對應的值。當大質量恒星演化至晚期，核聚變進行到鐵核時，其聚變過程不再產生能量。此后，恒星核心并不以緩慢的方式逐步收縮，而是以塌縮方式快速地轉變為致密天體。20世紀30年代初，在查德威克發現中子后不久，茲威基與巴德就意識到，晚期恒星核心塌縮為中子星是（II類）超新星爆發的原因。令人驚奇的是，在英國學者修伊什與貝爾發現首顆脈沖星之后，意大利的佛朗哥·帕齊尼等人于1968年在中國歷史上有記錄的1054年超新星爆發的遺跡——蟹狀星云——中找到了每秒轉動約30周的中子星。

這樣，自觀測客星開始的這段歷史千年呼應，中西貫通，結局似已非常圓滿。然而，故事沒有就此結束。

早在中子星被發現之前，人們就著手核算超新星爆發的能源收支狀況。

這其實并不費解，如果假定質量為M的物體收縮前后均為勻質的球體，則其釋放的引力勢能可根據牛頓引力定律做積分運算獲得：

E=（9/15）[（1/r）-（1/R）]GM2（1）

式中，R為球體收縮前的半徑，r為收縮后的半徑，G為引力常數，值為6.67×10-11N·m2/kg2。一般情況下，恒星收縮前后并不是勻質的，但恒星大幅度收縮釋放的能量仍可以表達為：

E≈（1/2）（1/r）GM2（2）

對于較大比例的收縮，（1）式中（1/R）與（1/r）相比是小量，在（2）中可略去不計。

19世紀后半葉，在發現原子核之前，開爾文與亥姆霍茲試圖用星云收縮成為恒星而釋放的引力勢能來解釋太陽發光的能源機制。然而，定量核算無法通過。太陽質量約為2×1030千克，當從數光年的稀薄星云收縮到半徑為65萬千米時，其具有的引力勢能約為4×1041焦耳，可維持太陽輻射約1015秒，尚不足4000萬年，遠不能與地球已經具有的數十億年的地質學史相匹配。

對于恒星核心塌縮與超新星爆發，則是另一種能量不匹配。

如果1.5倍太陽質量的物質塌縮到原子核密度，即1018千克/立方米，其中子星的相應直徑約為18千米，引力收縮釋放的勢能則為3×1046焦耳（約為致密天體的靜質量的10%左右）。這是一個極高的能量值，且奇跡般地與伽馬射線暴的輻射平均預期值處于相同量級。然而，超新星爆發沒有消耗這么多能量。

通常，超新星的亮度在太陽的1億倍左右，其輻射功率約為1035瓦。超新星爆發的時間通常不足2年（6300萬秒），則超新星爆發輻射的總能量不大于1043焦耳，尚不足前述恒星核心塌縮的引力勢能的千分之一。即使考慮到超新星爆發拋射的氣體物質具有的動能，與超新星可視部分相關的能量仍不及晚期恒星核心塌縮釋放的引力勢能的1%。

1964年（此時，距發現中子星尚有數年），美籍華裔學者丘宏義在細致核算了晚期恒星能量流轉差額問題后，提出了新的觀點：導致超新星爆發的晚期恒星核塌縮釋放的引力勢能大部分通過中微子形式無障礙（或極低障礙）且即時地從星體中輻射出去。

中微子概念源于β衰變研究。在精確測量了原子在β衰變中發射的電子動能分布后，泡利與費米提出，原子在β衰變中發射電子的同時，還輻射了一種名為“中微子”的粒子：它以光速運行，不帶電，與物質的相互作用極其微弱。按照目前的恒星演化理論，在晚期恒星塌縮過程中，中微子輻射具有兩種方式：

一種方式是原子核（主要是鐵核）中的質子在晚期恒星塌縮時吸收電子，轉變為中子并輻射出中微子。1.5倍太陽質量的鐵核具有的質子數量約為1057個，每個質子與電子合并為中子需吸收1.3兆電子伏，輻射出的中微子帶走數兆電子伏的能量，該過程將消耗約1045焦耳能量。

另一種方式是熱中微子。當塌縮形成的致密天體的密度很高時，對中微子也變得不透明。這時，電子、正電子與中微子、反中微子將組合在一起參與致密天體的熱平衡，中微子的能量分布由費米分布描述。恒星核心塌縮成中子星初期，塌縮釋放的引力勢能轉變為中子的熱運動動能，其溫度達到1012℃（超出太陽表面溫度約1000萬倍）。熱中微子的輻射規律與電磁波的黑體輻射規律相似，由斯特番-玻爾茲曼定律描述，其輻射強度正比于其溫度的4次方，單位面積輻射強度超出太陽1028倍。即使考慮到中子星的表面積僅為太陽表面積的百億分之一，形成初期的中子星的電磁熱輻射與中微子熱輻射功率仍比太陽的輻射功率高出1018倍以上。極高功率的電磁熱輻射在加熱致密天體外部及未參與塌縮的物質的同時，也遭到這些物質的反射與阻攔，中微子則幾乎無障礙地穿越這些非致密物質，使得晚期恒星核塌縮得以在短時間內完成。若僅僅具有電磁輻射傳導，超新星爆發或將不會發生：即使核聚變不再產生能量，參照開爾文與亥姆霍茲的模型，晚期恒星可以通過引力收縮逐步釋放能量，以維持晚期恒星平穩地“點亮”極長時間。

丘宏義提出超新星爆發同時伴隨中微子輻射的觀點時，響應者很少，自己也不是信心十足。他曾說，估計這個觀點需等待很長時間才能獲得觀測驗證。

然而，無須如同從SN1054超新星爆發遺跡中找到中子星那樣等待1000年。在邱宏義提出他的晚期恒星演化模型20年后，人們在超新星SN1987A的綜合觀測中，記錄到了預期的中微子輻射。在SN1987A被光學觀測到的當天，世界上有4個中微子實驗室在數秒內記錄到27個來自宇宙空間的中微子。其中，日本神崗中微子觀測站與美國IMB中微子觀測站記錄到的數據如下：

然而，無須如同從SN1054超新星爆發遺跡中找到中子星那樣等待1000年。在邱宏義提出他的晚期恒星演化模型20年后，人們在超新星SN1987A的綜合觀測中，記錄到了預期的中微子輻射。在SN1987A被光學觀測到的當天，世界上有4個中微子實驗室在數秒內記錄到27個來自宇宙空間的中微子。其中，日本神崗中微子觀測站與美國IMB中微子觀測站記錄到的數據如下：

上述研究還啟發了人們對暗物質的理解，可能開啟故事的新篇章。

3

筆者是天文愛好者，自幼熱愛星空，廣泛閱讀所有能夠接觸到的天文學書刊。當暗物質與伽馬射線暴逐漸為人們了解時，也吸引了筆者的高度關注。

2007年3月下旬，筆者去石家莊探訪網名“玉石”的天文同好。與“玉石”交流期間，筆者突然意識到，伽馬射線暴很可能就是暗物質世界中的超新星爆發時伴隨的暗中微子輻射！

在隨后幾個月中，筆者將上述思路整理成“平凡暗物質假說”。

按照“平凡暗物質假說”，暗物質雖然與人們接觸到的物質世界的相互作用非常弱（引力除外），但應并不彌散，它們應存在于獨立普通物質的相互作用，并形成多種（層次）凝聚狀態。假定暗物質恒處于彌散狀態，僅作為我們世界的引力背景而存在，這種思路其實與哥白尼原理相悖。哥白尼原理認為：宇宙沒有中心，所有位置平權。

我們試圖將哥白尼原理最大限度地推廣到對暗物質的理解與探索方面。我們設想，對應于可視世界的光子、電子、夸克，暗物質世界相應存在暗光子、暗電子、暗夸克。我們設想，除了“共享”的引力相互作用以外，暗物質粒子具有獨立于我們可視物質之外的暗電磁相互作用、暗強相互作用。我們可視世界中的基本粒子不參與暗電磁相互作用與暗強相互作用，相應的，暗物質粒子也不參與我們熟知的電磁相互作用與強相互作用。這就如同引力作用不參與電磁相互作用與強相互作用一樣。從這里出發，我們將能導出一個比較熟悉、并不費解的暗物質模型。因此，我將其稱為“平凡暗物質假說”。

與我們可視物質中上夸克與下夸克的不同組合可構成中子與質子相類似，在暗物質世界中，通過暗強相互作用，暗上夸克與暗下夸克的不同組合也可構成暗中子與暗質子。而暗中子與暗質子以不同數目組合，可以組成與可視世界相對應的各種暗原子核。這些暗原子核與暗電子結合在一起，可以通過暗電磁相互作用組成各種暗原子。與我們可視世界中的情形相似，排列這些暗元素，也可以組成門捷列夫周期表，其中包括26個暗質子、30個暗中子的暗鐵元素，也是核勢能最低的暗原子核。

這些暗原子可以構成暗物質的各種化合物及凝聚態。例如，暗1號、暗6號、暗7號與暗8號元素，分別為暗氫、暗碳、暗氮、暗氧元素，它們可結合生成各種暗氨基酸等有機物，這些暗氨基酸可構成暗蛋白質，并與暗核酸等構成暗物質世界中生命的基礎物質。當然，暗物質世界的生命與我們世界也可能有些差別。例如，在我們世界中，手征特性左旋的氨基酸與右旋的糖類具有生物活性。根據直覺推測，在暗物質世界中可能正好相反，手征特性右旋的暗氨基酸與左旋的暗糖類才具有生物活性。筆者無意繼續延伸暗物質世界生命的話題，畢竟在可預期的時間范圍內無法驗證這些猜想的真偽。我們應將注意力集中在那些可以驗證的效應上。

不難想象，在暗物質世界中，分布著多種形式的暗物質天體，暗物質恒星則是其中一種。這些暗（物質）恒星應當源于暗氫原子、暗氦原子等組成的暗物質星云，在引力作用下收縮并升溫后，點燃暗氫原子核聚變反應，成為發射暗光子（中微子）的暗恒星。這一切與我們所見的世界相當。這些暗恒星發射大量暗光子，在暗物質世界的天空中星光閃閃，熠熠生輝。當然到目前為止，限于我們的中微子探測能力，暗恒星仍在我們直接觀測視野之外。

由于物質與暗物質之間不存在可引起明顯碰撞、動量轉移等的短程相互作用，所以兩類物質之間的黏滯作用非常弱，從星云收縮直接形成兩種物質比例接近的混合天體的情況應非常罕見。當然，由于兩者具有引力相互作用以及可能存在的某些未確認的相互作用，在我們可視物質天體（尤其是核心）中包含少量暗物質應是可理解的，反之亦然。值得說明的是，即便可視物質與暗物質形成混合天體，兩者共存于同一空間（如在同一顆恒星的中心），但它們依然具有相互獨立的溫標系統，因為兩者具有各種獨立的電磁相互作用及輻射傳導。

平凡暗物質假說推測，可視物質與暗物質之間并不是完全平行而且毫不相關的。它們之間應存在著一些重要的聯系紐帶，中微子可能就是其中之一，它很可能就是暗物質世界中傳遞暗電磁相互作用的暗光子。相應的，可視物質世界中的光子在暗物質世界中也扮演著暗中微子的角色。

沿用現代恒星演化理論，當暗恒星中心的暗物質核聚變進行到暗鐵核時，晚期暗恒星中心發生塌縮，塌縮釋放的引力勢能使得形成的暗中子星達到極高溫度，隨即形成極高強度的暗光子與暗中微子（中微子與光子）輻射，輻射的暗光子在加熱晚期暗恒星外部非塌縮暗物質、形成暗超新星爆發的同時，也被這些暗物質反射、遮擋與遲滯。然而，源自暗中子星的暗中微子輻射，則幾乎無障礙地穿越了晚期暗恒星外部的非塌縮暗物質，有效地將暗恒星塌縮釋放的巨大引力勢能帶出，形成時間很短、強度極高電磁輻射，即伽馬射線暴。

與伽馬射線暴相伴的暗超新星爆發，其輻射的中微子強度雖比正常暗恒星的輻射強度高出數以億倍，但仍未達到可被人們觀測的強度。在可視世界中，在超新星爆發的同時輻射的中微子脈沖，即暗物質世界星空中的伽馬射線暴，其中微子輻射強度比暗超新星的中微子輻射強度還要高出數以億倍，但人們通過大型中微子探測器僅探測到1次，總計27個中微子（SN1987A）。

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在引入平凡暗物質概念之后，一些天文現象可以獲得新的理解。

1.太陽中微子失蹤之謎曾困擾人們許多年。在平凡暗物質假說的框架下，似可以引入更簡便的理解：太陽中心核聚變產生中微子后，受到共存于太陽中的小部分暗物質的散射與變性（如同X光在氣體或者固體中發生散射與改變那樣）作用，通量與能區發生了變化，導致測量結果與理論預期出現較大差異。由于太陽核聚變輻射的中微子對暗物質的持續加熱作用，可以推測，太陽中的暗物質應當處于氣態。

2.X射線源天鵝X-1，為一距離地球6000光年的雙星系統，其中包括一質量約為太陽30倍的藍色超巨星與一質量約為太陽15倍、僅輻射X射線與伽馬射線的暗星。暗星的X射線輻射具有毫秒量級的快速變動。現在，通常將該暗星理解為黑洞，但尚缺少決定性證據。

如果我們將天鵝X-1的暗伴星視為暗恒星，理解似更流暢。其中X射線輻射可理解為暗恒星中暗核聚變伴隨的暗β射線，它產生于暗恒星中心，雖然在向外傳播過程中遇到一些共存于暗恒星中的普通物質的散射與改性，但基本保持了核聚變現場的基本特征。快速變動則表明該大型暗恒星中心的暗核聚變并不十分平穩，呈“噼噼啪啪”的燃燒狀態。這種核聚變不平穩狀態甚至在太陽中也存在，我們可以將太陽耀斑理解為其核聚變形成的高溫氣泡溢出太陽表面的現象。當然，人們尚無靈敏的中微子探測技術對太陽核聚變現場進行實時觀測。對于暗恒星，我們雖不能感受到它發出的（暗光子）光輝，但是其核聚變狀態通過暗中微子（X射線）直接從現場傳出，并為人們觀測到，實為趣事一件。

3.許多星系團具有X射線背景輻射，似應理解為其中暗恒星在暗核聚變過程中輻射暗中微子。據費米伽馬射線空間望遠鏡的探測結果，銀河系也具有超過預期的高能電磁輻射，似也可歸入銀河系中的暗恒星核聚變伴隨的暗中微子（光子）輻射。

4.綜合外行星（木星以外的行星）運行軌道天文觀測結果，人們推測，在冥王星軌道外，應存在一顆質量數倍于地球的大行星，即未知第九大行星。但光學望遠鏡搜尋多年尚無結果。近2年，有人根據未知行星的預期軌道特點推測，該未知行星可能是太陽系俘獲的一顆大行星。

據此，我們可做出進一步推測：未知大行星可能是一顆被俘獲的暗物質行星，它光學“隱身”，自然望遠鏡直接搜索多年無果。

5.2016年，美國激光干涉引力波天文臺宣布探測到引力波短促的波動信號，其中GW150914、GW170814等5個引力波信號無伽馬射線暴伴隨，被認為來自遙遠的雙黑洞并合，另有一組GW170817有伽馬射線暴伴隨，被認為來自雙中子星并合。這些引力波信號無一例外地被解釋為遙遠的致密天體并合引起的引力波輻射。

恒星與暗恒星塌縮可能給探測到的引力波一個更易理解的說明。

恒星與暗恒星都具有自轉，塌縮時，極區自轉影響小，塌縮比赤道區更快，這導致晚期星體的塌縮通常是非球對稱的，最初形成的中子星預期是一個快速旋轉的鐵餅狀天體。該鐵餅狀中子星在自身引力作用下，邊緣將向中心收縮，隨后應變成橄欖狀，并伴隨中子星轉速上升。隨后，致密天體自身的引力使凸出的兩極向下回落，恢復成鐵餅狀，并伴隨中子星轉速下降。中子星的鐵餅—橄欖兩個模式周期轉化，將通過轉速變化與形狀變化輻射頻率相同的引力波，并對中子星的變形產生阻尼，形成短脈沖引力波輻射。

為什么多數引力波記錄沒有相應的伽馬射線暴記錄？原因可能在于，無伽馬射線暴伴隨的引力波信號可能來自超新星爆發伴隨的普通物質的晚期恒星塌縮，初期致密天體在經歷鐵餅—橄欖來回變動產生引力波的同時，致密天體熱輻射形成的是難以探測的中微子脈沖。細致搜索超新星觀測結果，也許能夠找到一些對應的記錄。搜索時，應注意到引力波、伽馬射線暴或者中微子脈沖通常以秒為時間單位進行記錄，而超新星爆發時間通常以小時為時間單位進行記錄，較大幅度滯后于引力波信號記錄。

進一步，從目前無伽馬射線暴伴隨的引力波信號多出有伽馬射線暴伴隨的引力波信號（僅一例）數倍的事實來看，可能存在多個類型的平行世界。其中有些平行世界的致密天體形成之初所伴隨的輻射既不是光子輻射，也不是我們已有所認識的中微子輻射。

對于引力波輻射機制與含義的進一步分析，有待引力波探測精度的進一步提高。

6.在地球范圍內如果存在“平凡的”暗物質，應位于地心，且呈固態。因為從太陽接收到的中微子輻射能流量為陽光能流量的4%左右，位于地心的暗物質輻射平衡溫度應不足100K。在此溫度下，暗氫、暗氦元素仍為氣態，但其他暗物質元素應為固態。如果地心具有固態暗物質，那么地心對于中微子（暗光子）應是不透明的，可設置實驗加以驗證。

類似的實驗有美國費米實驗室進行的MINOS實驗：用費米加速器產生的高能質子撞擊石墨靶，產生派高能介子，導入衰變管后，衰變為中微子，穿越地殼，指向734千米之外的安裝在礦坑中的中微子探測器，以檢驗中微子特性，并測量中微子速度。稍后，歐洲核子中心以超級質子加速器為基礎進行了類似實驗。

上述實驗中，中微子在地球內部穿越最深處距地表約12千米。檢測地心是否具有中微子不透明的暗物質，則需將中微子束指向地心，并在地表的另一側設置中微子探測器。此時，中微子在地球內的穿越距離為地球直徑，是MISON實驗距離的17倍；相同條件下，中微子束到達地球另一側的流強約為MINOS實驗的1/300。可以預期的是，處理這些問題應不存在實質性困難。

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我們從伽馬射線暴與超新星爆發伴隨的中微子輻射具有相似特性出發，推測暗物質具有凝聚態，并形成與我們世界高度對稱、因而并不特別令人費解的暗物質世界。在理論物理學界，已經有“超對稱”理論解釋過暗物質，與之呼應，可將描述平凡暗物質對稱性的觀點稱為“平凡對稱”。一般說來，“平凡對稱”還只是一個初步概念，細節有待探索與斟酌。

如果最終能確認暗物質是平凡的，不但將在很大程度上改進我們對宇宙天體的認識，還有可能改進人們對微觀世界的認識，加深或調整人們對物質量子特性的理解。