第五維度和暗物質的秘密，或許隱藏在引力波之中

自引力波第一次在探測器中被捕捉到時，除了驗證了愛因斯坦的預言之外，所有人都意識到，引力波天文學時代的到來將帶給我們無限的可能性。引力波的發現不僅成為了檢驗廣義相對論的強有力工具，而且為物理學家驗證一些依舊停留在理論上的奇思妙想帶來了新希望，比如時間旅行和額外維度等等。

下面，我們就來看看兩項跟引力波相關的最新研究進展：

1. 我們離找到第五維度更近了嗎？

在Madeleine L"Engle的經典小說《時間的皺摺》中描述了幾位人物如何利用隱藏的第五維度從一個地方穿梭到另一個地方。無論是在書中或是即將上映的電影中，這種旅行方式都更偏向於科幻，而非科學。

電影《時間的皺摺》將在今年3月份上映。

宇宙只有四個維度（三維空間+一維時間）是我們所熟悉的，這也符合愛因斯坦的廣義相對論——目前描述引力的最好理論。但是，有一些科學家試圖對愛因斯坦的引力理論進行修正，而在一些特定的模型中的確預言了額外維度的存在。這些額外的維度會影響引力的運作方式，因此能夠解釋為什麼引力的強度要弱於其它三種基本力（電磁力和兩種核力）。

但是，我們要怎麼探測額外的維度呢？其中一個方法就是分析2017年由LIGO和Virgo聯合觀測到的雙中子星合併事件中輻射出的引力波的數據。

在日常生活中，我們只能感受到空間中的三維（上下、左右、前後）和時間維度；如果第五維存在，那麼它也肯定很好的隱藏了自己。這使得我們必須進入非常小的尺度（粒子物理學和弦理論的領域）或非常大的尺度（LIGO可探測的範圍）才能夠找到它們的痕迹。

我們知道宇宙正在膨脹，而且是加速膨脹。導致加速膨脹的幕後推手被稱為「暗能量」。有一些物理學家認為宇宙中或許有一個或多個額外的維度只有在非常大的尺度下才能顯現，並且導致了宇宙的加速。在這些理論中，光和物質被限制在我們所熟悉的四維中，但是引力卻可以「側漏」進其他的維度。因此，當我們看的越遠的時候，引力會變得稍微弱一點，但光不會受到額外維度的影響。

問題是，我們很難在非常大的尺度下檢驗引力。但是，引力會產生引力波——在時空中以光速傳播的漣漪。1.3億年前，當時的地球正被恐龍統治，第一朵花也剛剛演化，在遙遠的深空中兩顆中子星相遇併產生了引力波。經歷了漫長時間的旅行，該引力波於2017年被LIGO和Virgo同時探測到。此外，其它的望遠鏡也觀測到了此次合併輻射出的光，這意味著天文學家可以用兩個不同的方式去研究同一事件。

如果引力會側漏到額外的維度中，那麼觀測到的引力波的振幅會被削弱。這會使輻射源看起來好像是在更遙遠的位置，就好比是微弱的光線可能是來自暗淡的手電筒，又或者來自遙遠明亮的光源。光信號的亮度和引力波信號的強度是兩種測量合併的中子星的距離的不同手段。

圖片來源：THE DAILY BEAST

1月24日，研究人員將他們的結果發表在arXiv[1]，結果顯示：(引力波的光度距離)=(光的亮度距離)^γ，這裡γ = (D-2)/2 = 1.01 或 0.99，也就意味著引力波是在 D = 3+1 時空維度中傳播，再次驗證了廣義相對論。

這是否意味著第五維度並不存在？論文的第一作者Kris Pardo表示：「這個結果並不一定就排除了額外維度，比如弦理論。」 弦理論預言了在宇宙中還存在了七個額外的維度，並捲曲起來，這些捲曲維度的直徑比原子核還小。因此無法在引力波中顯示出可觀測的效應。又或者，正如Pardo在論文中指出，如果額外維度的大小要高於6.5億光年，那麼也超過了LIGO所能測量的範圍。也就是說，宇宙中依舊可能存在非常大的額外維度，只是LIGO和Virgo都還沒有達到他們巔峰狀態。在他們進一步升級後，所能探測到的距離是現在的10倍，意味著未來檢驗額外維度是否存在的精確度也將提升10倍。

無論如何，宇宙中是否有額外維度，引力波將或許是找到答案的關鍵。

接下來我們要講的一項新研究則跟還未發現的「原初引力波」有關。

2. 扭曲的引力波會產生暗物質嗎？

根據粒子物理學的標準模型，在宇宙大爆炸之後應該產生等量的物質和反物質。可事實是——反物質在宇宙中無處可尋。解開反物質的失蹤之謎，或許能幫助我們找出另一個未解的謎團——暗物質。而解決的辦法就涉及到一個與引力波有關的跌宕起伏的故事。

物理學家認為在最初的過程中，物質的產生會稍稍多餘反物質。當物質與反物質相遇時便會湮滅。因此多餘的物質就形成了我們現在看到的恆星和星系。但這種正反物質的不對稱性是如何發生的呢？

在之前的眾多備選答案中，其中一種涉及到中微子粒子，它有一個叫做「手性（chirality）」的性質，這是一個用來描述中微子扭曲方式的術語。一般來說，粒子既可以是左手性也可以是右手性的，但中微子只有左手性。

布朗大學的物理學家 Evan McDonough 受此啟發，他想到如果這種手性的不對稱性不僅限於粒子的話，會發生什麼？他發現如果嬰兒時期的宇宙中的產生的引力波具有偏向手性的話，那麼這也可能導致物質多餘反物質。McDonough 解釋說：「產生手性引力波的機制有很多，所有的這些機制都能導致物質-反物質的不對稱。」（宇宙早期產生引力波被稱為「原初引力波」，至今還未被觀測到，1月19日，中國的科學家在《物理評論快報》發表了一篇關於一類獨特的暴脹模型產生的原初引力波信號有望在將來被LIGO探測到[2]。）

引力波是左手性還是右手性？|圖片來源：Henze/NASA

這使得 McDonough 與其他兩位合作者懷疑[3]，同樣的物理機制是否能被用來解釋暗物質。我們知道暗物質是宇宙中的一種「隱形」的質量，雖然到目前為止還為發現它們的蹤跡，但有許多觀測證據都表面它們是真實存在的。

幾十年來，物理學家一直認為大質量弱相互作用粒子（WIMP）是暗物質最受歡迎的候選者。這是超對稱理論的產物，該理論預言了所有已知粒子都有更重的夥伴粒子。但迄今為止所有對超對稱或者說WIMP的搜索均以失敗告終。

為了知道他們是否能以不同的方式接近暗物質，這一團隊建立了一個統一模型。在模型中，原初宇宙存在了一種被稱為「暗物質夸克」的粒子，這與目前我們所了解的暗物質不同。如果這些粒子具有與中微子類似的手性，那麼它們將與這種手性的引力波相互作用，從而產生目前在宇宙中的這種暗物質。

就像物質和反物質一樣，在暗夸克和反暗夸克之間也存在著一種不對稱性，這導致宇宙最終只剩下一小部分的暗夸克。當宇宙冷卻下來時，暗物質夸克會凝結成一種奇怪的物質態——超流體。這能形成一種至今仍然存在的背景場。就像我們把光子看作是電磁場的激發一樣，這個場的激發將類似於暗物質粒子。

根據他們的計算，這種暗物質粒子比WIMP要輕得多，而且不會與普通物質相互作用。它們比WIMP更弱。因此，這些粒子仍是不可能被直接觀測到的。但它們在宇宙尺度上的表現與WIMP不同。例如，與WIMP相比，這種暗物質粒子在整個星系中的分布會更均勻，而且在小尺度上，它們不會像WIMP那樣出現聚集。此外，整個宇宙中的暗物質與普通物質之比也可能不是恆定的。因此不同部分的宇宙組成也可能不盡相同。

這些特徵或許可以讓我們發展出找到暗物質的新方法。例如，暗物質的均勻分布會在宇宙微波背景中產生一個跡象，即從大爆炸中剩下的輻射，或者影響星系團等大尺度結構的形成。

總而言之，這是一個很酷的想法，將許多概念都結合在一起。

我們期待將來能夠儘快的探測到原初引力波，也希望未來更多的黑洞或中子星間的合併事件能夠為我們解決一些深奧的基本問題提供新的洞見。

參考文獻：

[1] https://arxiv.org/pdf/1801.08160.pdf

[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.031301

[3] https://arxiv.org/pdf/1801.07255.pdf

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