暗物質謎團又有新說——可改變形態

最新 07-20

暗物質是一種假想物質，一個世紀前提出，用於解釋宇宙物質量與將星系聚集在一起的引力之間的失衡。我們無法直接探測到暗物質，但我們能夠觀測到暗物質對萬事萬物的影響，從星系的旋轉方式到光線在宇宙中穿行時的彎曲方式。暗物質的影響遠遠超乎我們的想像。

暗物質占宇宙總質量的大約85%。時至今日，物理學家仍不清楚暗物質究竟是什麼。現在，美國物理學家提出一個新假設，可能讓我們在揭示暗物質謎團的道路上又往前邁進一步。根據這一假設，暗物質能夠改變形態，從宇宙最大結構中的幽靈般粒子到小尺度下的奇異超流體態。不久的將來，我們或許能夠找到相關工具來證實這個假設。

根據賓夕法尼亞大學的賈斯汀·科赫里和普林斯頓大學的拉沙·伯倫希尼提出的假設，暗物質一直不按常理出牌。這也就是為什麼它們如此神秘莫測。加州大學歐文分校的粒子物理學家蒂姆·泰特在接受《量子雜誌》採訪時表示：「這並非一個好想法。這意味著我們要面對兩種不同類型的暗物質。」

傳統觀點認為，暗物質由交互作用較弱的粒子構成，例如軸子。它們受到引力影響，我們可以在大尺度下觀測影響方式。暗物質的這種「冷」形態可用於預測巨型星系團的行為，預測結果符合我們對「宇宙網」的認知。科學家認為不可見的暗物質「絲線」編織成一張巨大的星系際網，網路所有星系。但在小尺度下，對於個體星系的行為以及恆星環繞星系中央旋轉的方式，無法用這種暗物質形態加以解釋。

科赫里表示：「宇宙內的巨大多數物質都是暗物質，與絕大多數普通物質井水不犯河水。在宇宙網尺度，這種形態與觀測結果相符。在星系團尺度，也非常符合。但在星系尺度，並不符合。」

科赫里和伯倫希尼認為，暗物質在宇宙大尺度和小尺度下的行為之所以出現不一致，是因為暗物質能夠改變形態。在巨型星系團，暗物質以冷粒子的形態存在，但在個體星系尺度下，它們卻呈超流體形態。

超流體是一種寒冷緻密物質，摩擦力和粘度為零，有時會變成玻色-愛因斯坦凝聚態，也就是所謂的「第五物質態」。聽起來很怪異，超流體可能普遍存在。最近，有研究人員宣布，他們首次在溫室條件下創造出行為類似液體的光線——超流體的一種形態。

隨著對超流體認識的加深，越來越多的物理學家相信，宇宙中超流體的普遍性可能遠遠超出預計。科學記者詹妮弗·奧雷特對《量子雜誌》表示：「最近，越來越多的物理學家認為超流體能夠在太空的極端環境下自然形成。超流體可能存在於中子星內部。據一些研究人員推測，時空本身可能就是超流體。我們為何不假設暗物質也有超流體態？」

有物理學家認為，存在於個體星系周圍的暗物質「光暈」造就了形成超流體所需的條件，星系的引力拖拽確保超流體的緻密性，太空的寒冷環境則讓溫度處於適當的低溫狀態。在更大尺度下，這種引力拖拽會變得很弱，無法形成超流體。

超流體態暗物質的存在能夠解釋個體星系的怪異行為，這些行為是單靠引力無法解釋的。它們能夠創造出一種至今未被定義的力，特性與存在於星系周圍暗物質光暈內部的引力類似。奧雷特指出，如果幹擾電場，會導致無線電波；如果幹擾引力場，會導致引力波；如果幹擾超流體，則會導致聲子（聲波）以及這個額外的力。這個力與引力雙管齊下，影響星系。科赫里指出：「這是一個很奇妙的想法，因為你獲得引力之外的另一種力，而它本質上卻與暗物質聯繫在一起。暗物質的特性造就了這種力。

需要指出的是，「暗物質改變形態」的假設尚未進行同行評議，目前仍只是一種假說。這種假說的一個重要意義在於它能夠解釋修正牛頓引力理論（以下簡稱MOND）。根據這一理論，要解釋觀測星系時發現的特性，牛頓定律將需進行修正。研究小組在一份新聞公報中指出：「在星系內，暗物質以超流體形態移動，可以用MOND解釋。在星系團內，並不存在超流體暗物質活動，MOND並不適用。」