從「等效原理」推導「暗引力波」

暗物質是宇宙中最為神秘的物質之一，我們無法通過肉眼看到暗物質，它既不會發光，也不會反射或是屏蔽光線，暗物質在宇宙質能總量中佔據了很大一部分，相當於可見物質的5到6倍、或者暗物質構成了宇宙中六分之五的物質。我們的宇宙有70%的暗能量，25%的暗物質以及5%的可見物質。可見物質包括了我們所見的星系、恆星和星際氣體。宇宙中的大部分物質看不見，被科學家稱為「迷失的物質」。根據澳大利亞科學家的推算，銀河系周圍存在大量的暗物質，它的總量相當於太陽的8000億倍，這個數字相當令人吃驚，要知道銀河系中央的黑洞質量僅僅為400萬倍太陽的質量。暗物質不僅分布在銀河系周圍，也充斥在銀河系之中，是銀河系質能組成的主體組分，如果要逃離銀河系引力的束縛，「逃逸速度」將會達到每秒550公里。

目前的暗物質研究僅僅停留在其對於普通物質的重力效應，它的性質還是一個巨大的謎團。研究人員們認為，如果暗物質是由超重離子構成的，那麼能夠在宇宙大爆炸後的餘暉中探測到超重離子的蹤跡。過去對於暗物質天體的研究幾乎排除了所有常規物質作為其組成部分的可能。目前，有一些科學家們認為，組成暗物質天體的是一種和常規物質發生弱相互作用的新粒子，這種粒子存在於粒子物理學標準模型之外。研究人員並未獲得大質量弱相互作用粒子的確鑿證據，暗物質天體的粒子可能是另一種完全不同的可見物質。

南丹麥大學的科學家正在研究暗物質天體的質量上限，通過使用名為普朗克相互作用暗物質的新模型，他們發現，暗物質天體的組成粒子大約和人類的細胞一樣重，每個大質量弱相互作用粒子的質量是單個質子的10的19次方倍，它們的緻密程度相當於小型黑洞。丹麥科學家的想法僅僅是一個猜想，因為世界上沒有任何一台粒子對撞機能夠製造出他們設想的粒子，這種粒子如果存在，應該在138億年前宇宙大爆炸後留下的餘暉——宇宙微波背景輻射中留下痕迹。他們認為，宇宙在大爆炸後迅速膨脹，膨脹後的剩餘能量對新生的宇宙進行加熱，使宇宙進入「再加熱」時期，期間產生的極端溫度會導致大量超重離子的產生，這就解釋了目前宇宙中存在的暗物質粒子。

然而，更多科學家根據現有的理論，推測暗物質可能是一種叫做「大質量弱相互作用的粒子」，簡稱WIMP。雖然暗物質粒子有很多候選者，但目前WIMP是暗物質粒子最有希望的候選者。絕大多數粒子都有反粒子，就像質子、電子的反粒子分別是反質子、反電子。科學家們認為WIMP也有反粒子，當WIMP與它的反粒子發生湮滅時，或者自身發生衰變時就會放出大量能量，這些能量以伽馬射線、反質子和正電子的形態釋放出來。中國在去年底發射的暗物質探測衛星能夠探測到預測的高能電子和伽馬射線，探測的技術水平超越了其它國家已經發射的同類衛星。

眾所周知，一個世紀前，愛因斯坦預測了引力波的存在，近百年來，科學家只能找到間接的證據，而在華盛頓時間的2016年2月11日，愛因斯坦的偉大預言終於得到證實。激光干涉引力波觀測台（LIGO）實驗組召開了一場新聞發布會，聲稱首次直接觀測到由兩顆恆星級黑洞13億年前併合後產生的引力波，這是科學史上一次具有劃時代意義的重大發現。究竟什麼是引力波？它的發現為什麼如此重要？如果把引力比作海洋，那麼引力波就是海洋中翻滾的波浪。引力全稱萬有引力，又稱重力相互作用，指的是物體之間相互吸引的作用力，它是自然界的四大基本相互作用力之一，也是最普遍存在的力，可以說在自然中無處不在。在經典力學中，萬有引力被認為是具有質量的物體之間發生的相互作用，而在愛因斯坦的廣義相對論中，萬有引力是由於物體質量對時空的彎曲造成的效應。根據廣義相對論的推理，引力等價於彎曲的時空，當一定質量的物體由於加速運動導致時空擾動時，會產生像波紋一樣向外傳播的引力波。

我們了解了以上事實後可以得知，人類對暗物質的認識程度要低於引力和引力波，而在引力和引力波的認識中，人類對引力波的認識程度要低於引力，雖然人類對暗物質、引力和引力波的認識程度有所不同，但是總起來看，對這些物理現象的認識還是遠遠不夠的。暗物質首先是天文學家獲得的觀測和研究的成果，然後進入了物理學家的視野；引力和引力波首先是物理學家獲得的觀察和分析的成果，然後進入天文學家的視野。由此看出，物理學家和天文學家的「協同學」研究代表了過去和未來科學探索的一種有效方式，除了天文學之外，物理學家還會尋求和其它科學之間「水乳交融」的跨界研究。將以上的事實作為前提，我們「自然而然」地提出一個新的猜想命題：也許存在「暗引力波」。什麼是暗引力波？簡單來說，它是暗物質發出的引力輻射，是暗物質天體在暗物質的「時空彎曲」中運動時發出的引力波。

只要理解可見物質組成的天體在時空中高速運動時能夠產生引力波，自然就理解了暗物質組成的天體在時空背景的運動時能夠產生「暗引力波」。由於科學家還沒有提出暗物質的時空彎曲和暗物質天體的證據，因此，「暗引力波」的概念只能是一個有趣的猜想，卻是一種「水到渠成」的相當合理的猜想，符合科學哲學概念中「科學發現的邏輯」。物質雖然不同於暗物質，但是，我們了解的事實是暗物質的引力作用基本與物質的引力作用相同，天文學家和天體物理學家已經「三番五次」次證實了暗物質的引力作用，在太陽系、銀河系和星團中，甚至在我們的地球和月球附近都存在暗物質，從愛因斯坦廣義相對論的解釋來看，可以將暗物質的引力作用理解為暗物質對周圍時空的彎曲作用，也許存在物質和暗物質對時空彎曲作用的「等效原理」，然而，還沒有一位科學家用嚴格的理論模型和公式證明這種引力作用的「等效原理」。

與暗物質的引力作用基本得到證實不同，暗物質和暗物質天體並未得到證實，暗物質和暗物質性質屬於二十一世紀物理學的「一朵烏雲」，也許需要幾年或更長的時間，科學家才能發現暗物質粒子，因此，我們現在還不知道暗物質粒子究竟是一種可見物質粒子？還是一種暗物質粒子？如果是一種可見物質粒子，它就超出了粒子物理學標準模型的解釋，屬於一種新型的可見物質粒子；如果是一種暗物質粒子，它就與暗物質理論模型的預測相一致，同樣是一種新型的粒子。近日，約翰·霍普金斯大學的天文團隊提出了新的主見，認為LIGO團隊發現的引力波可能是由暗物質的黑洞發射的，兩個黑洞合併成的一個更大黑洞可能起源於宇宙的原初黑洞，如果他們的這一猜想能夠得到證實，那麼LIGO團隊發現的黑洞就是一個「暗黑洞」，發現的引力波就是「暗引力波」。更多的科學家則相信LIGO團隊發現的天體是一個天體物理概念的黑洞，或者是大質量的恆星在最後的生命周期發生爆炸後形成的，這種黑洞應該由可見物質形成。

天文學家提出過暗星系的概念，暗物質組成的星系並未得到天文觀測的證實，那麼暗星系中的「暗天體」能夠發出「暗引力波」只是一種猜想。天文學家提出過暗物質塊的概念，暗物質塊的存在得到了一些天文觀測的證實，那麼暗物質塊的相互作用能不能發出「暗引力波」？於是，本作者第一次提出的「暗引力波」概念還是有某種證實的可能。我們知道，可見物質粒子的相互作用已經得到證實，比如：電磁相互作用和萬有引力的相互作用，最近幾年的研究表明，暗物質粒子之間存在相互作用，科學家已經發表了相關的研究論文，因此，我們可以找到暗物質塊相互作用的理論依據，能不能進一步推斷：暗物質塊的相互作用可能產生「暗引力波」昵？這也許是一種幼稚的想法，也許又是一個諾貝爾獎級別的課題，誰知道昵？本作者在2016春暖花開的時候提出「暗引力波」的猜想，思維的原理並不深奧，屬於邏輯哲學的簡單類比，既然可見物質構成的天體在和時空相互作用的過程中能夠發出引力波，那麼，不可見的暗物質構成的「塊」和「天體」在和時空的相互作用中難道不能發出引力波？難道不能彎曲時空？只是如何證實物質和暗物質引力效應的「等效原理」還是一個問題。

2016-3-30

（「Dark gravitaional wave」 coming from Dark Matter is real?）

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