不與光線互動、在宇宙全部物質中佔比高達85%,暗物質理論提出30年來至今科學家仍然不知道它究竟是甚麼物質——所以把它稱為「暗物質」。最近一個新理論提出,暗物質可能存在於另外一維度隱藏的神秘空間內,為科學家尋找暗物質提供一條新的思路。

加利福尼亞大學河濱分校(University of California, Riverside)的科學家提出,暗物質可能存在於人們熟悉的三維空間之外、另一維度的空間內,它們的行為和三維空間內任何粒子的行為都不一樣,並通過一種名為暗力量(dark force)的作用力發生互動。兩個暗物質粒子不論是相吸還是相斥,都是由於暗力量的作用。暗力量就像一種粒子的連續體。

主要研究者之一物理學天文學助理教授塔內多(Flip Tanedo)說:「我們的理論在暗力量框架上有了進一步的發展。我們提出,在這個世界的三維空間之外,有一個只有暗力量才能觸及到的第四維空間。這能解釋為甚麼我們在實驗室內嘗試找它總是找不到。」

塔內多解釋說,這個理論聽起來像是新事物,但其實只是數學上變換的手法描述基於普通三維空間的共形場論(conformal field theory)而已。這個理論系列有著複雜的數學內涵,但是由於沒有涉及傳統粒子,因此沒人把它和自然界的物質聯繫起來。其實,介於三維空間內的共形場論和額外空間論之間的理論,就是全息原理(holographic principle)。

「因為共形場論既難懂又古怪,沒人把它們用於暗物質,」塔內多說,「我們換了個說法,把它叫做全息額外空間論(holographic extra-dimensional theory)。」

全息額外空間論的關鍵特點在於「連續體」的概念,用一種由無限數量、質量各不相同的粒子組成的連續體,來描述暗物質之間的作用力,也就是上面提到的「暗力量」。作為概念對比,普通作用力是由單一一種、有著固定質量的粒子來描述。

塔內多說,這種連續體暗力量的理論很有趣,這種理論下粒子間的作用力有很多不一樣的地方。「對於引力或電磁力來說,當兩個粒子間的距離翻倍的時候,作用力剩下四分之一,而連續體作用力將減至八分之一。」

沒有參與撰寫這份研究的同事物理學副教授余海波(Hai-Bo Yu,音譯)提出一個暗物質自我互動的理論。他認為,既然暗物質不與任何普通物質互動,那麼暗物質可能是一種只是自我互動的物質。他的理論能夠解釋在很多球狀矮星系上觀測到的暗物質的效果。

塔內多的研究組借鑒了這個想法,融合到他們的連續體力量模型中,成功再現了一些恆星的運動模式。「我們的模型更進一步,比暗物質自我互動模型更容易地解釋宇宙暗物質的來源。」

這份研究6月1日發表於《高能物理雜誌》(Journal of High Energy Physics)。#

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