48 次觀看·2024年5月12日
科学家们提出了一个新理论——暗维度场景,旨在解释宇宙中暗物质和暗能量的神秘性质。这一理论认为,除了我们熟知的三维空间和一个时间维度外,宇宙中还隐藏着六个额外的微小空间维度。其中,有一个额外的空间维度特别大,达到了1微米的宽度,它可能是暗物质粒子的来源,这些粒子构成了宇宙总质量的约25%,而宇宙的剩余70%由暗能量组成。
暗维度理论在弦论框架内提出,弦论试图统一量子力学和广义相对论。该理论的提出者Ignatios Antoniadis认为,暗维度理论为弦论、量子引力、粒子物理学和宇宙学之间搭建了桥梁。尽管目前没有直接证据证明暗维度的存在,但该理论提出了可以通过宇宙学观测和物理实验验证的预测。
暗维度理论还试图解释宇宙常数的谜团,即为何宇宙常数的值异常地小。爱因斯坦曾引入宇宙常数以防止宇宙膨胀,但后来的观测发现宇宙确实在膨胀,且这一膨胀速度正在加快,这被认为由暗能量驱动。Vafa和他的团队通过深入研究,提出了距离猜想,认为宇宙常数的微小值可能与更轻、相互作用更弱的粒子相伴随,这些粒子的质量与宇宙常数的值有直接联系。
该理论还预测了暗引力子的存在,这些粒子可能构成暗物质,并且可能通过宇宙学调查和实验室实验来探测。然而,一些物理学家对暗维度理论持怀疑态度,认为其基于的猜想大胆,目前支持这些猜想的证据薄弱。尽管如此,如果即将到来的测试能够支持暗维度理论,它将有助于我们更深入地理解暗物质、暗能量和重力之间的相互作用,以及为何重力相较于其他基本力显得如此微弱。
Scientists have proposed a new theory known as the "dark dimension scenario" to explain the mysterious nature of dark matter and dark energy in the universe. This theory suggests that in addition to the three spatial dimensions and one time dimension we are familiar with, the universe also contains six additional minuscule spatial dimensions. Among these, one extra spatial dimension is particularly large, reaching a width of 1 micrometer, and it may be the source of dark matter particles. These particles are believed to constitute approximately 25% of the total mass of the universe, while the remaining 70% is made up of dark energy.
The dark dimension theory is proposed within the framework of string theory, which attempts to unify quantum mechanics and Einstein's general theory of relativity. The proponent of the theory, Ignatios Antoniadis, believes that the dark dimension theory has built bridges between string theory, quantum gravity, particle physics, and cosmology. Although there is currently no direct evidence to prove the existence of dark dimensions, the theory has made predictions that can be verified through cosmological observations and physical experiments.
The dark dimension theory also attempts to address the puzzle of the cosmological constant, which is why the value of the cosmological constant is exceptionally small. Einstein introduced the cosmological constant to prevent the universe from expanding, but later observations found that the universe is indeed expanding, and this expansion is accelerating, which is believed to be driven by dark energy. Vafa and his team, through in-depth research, proposed the "distance conjecture," suggesting that the extremely small value of the cosmological constant may be accompanied by lighter particles with weaker interactions, and the mass of these particles is directly related to the value of the cosmological constant.
The theory also predicts the existence of dark gravitons, which may constitute dark matter and could potentially be detected through cosmological surveys and laboratory experiments. However, some physicists are skeptical of the dark dimension theory, considering its bold conjectures and the current evidence supporting these conjectures to be weak. Nevertheless, if upcoming tests can support the dark dimension theory, it could help us gain a deeper understanding of the interactions between dark matter, dark energy, and gravity, as well as why gravity is so much weaker compared to other known fundamental forces. Gopakumar commented, "Theorists always try to 'bundle' different theories together to form a unified framework. The dark dimension theory is one of the most promising ideas I have heard in this direction." However, a question that the dark dimension hypothesis has not yet explained is why the cosmological constant is so exceptionally small - a perplexing fact that is actually the main driving force behind this entire line of research. Vafa admitted, "Indeed, our model does not explain why the cosmological constant is so small." But he also pointed out, "What we can say is that from this theoretical scenario, if the cosmological constant lambda is indeed very small - and you consider all the consequences that this small value brings - then a series of astonishing phenomena may occur."
當涉及到理解宇宙的結構時
科學家認爲
存在的大部分物質
都被歸入一個黑暗、模糊的領域
普通物質
我們能看見和觸摸的東西
卻只佔宇宙的5%
其餘的
宇宙學家說
是暗能量和暗物質
這些被標記爲暗的神祕物質
部分地反映了
我們對它們真正性質的無知
儘管我們對宇宙的全面理解
仍然充滿了挑戰
但近兩年
有科學家提出的一個
這爲我們提供了一種
可能的解答路徑
因爲它至少在一定程度上
回應了關於宇宙構成的
一些根本性問題
這一理論
不僅爲暗物質的存在
提供了一個明確的理論基礎
而且還揭示了
暗物質與暗能量之間
可能存在的深層聯繫
更重要的是
它可能爲我們解釋了
爲何重力
作爲宇宙中最宏觀的力量
其強度卻遠不及其他基本力
暗維度場景
是在閒論這一複雜的
閒論本身試圖將量子力學
與愛因斯坦的廣義相對論
進行統一
閒論認爲
除了我們熟知的
三個宏觀空間維度
和一個時間維度之外
宇宙中還隱藏着
六個極其微小的額外空間維度
在這個理論所描繪的宇宙中
有一個額外的空間維度的尺度
遠超過其他維度
它不是像質子直徑那樣
小到一百萬億倍
而是達到了一微米的寬度
按照我們的日常經驗
這依然是一個微觀的尺度
但與閒論中其他額外維度相比
它卻是巨大的
正是在這個相對較大維度的
暗維度中
產生了攜帶重力的大量粒子
這些粒子構成了科學家們認爲
佔據宇宙總質量
約25%的暗物質
它們就像是
維繫星系結構的無形黏合劑
據當前的科學估計
宇宙的剩餘70%由暗能量組成
這種能量正在推動宇宙加速膨脹
索邦大學的物理學家
Natius Antoniadis
作爲暗維度理論的積極研究者
他指出
這一場景爲我們在閒論
量子引力
粒子物理學和宇宙學之間搭建了橋樑
同時爲我們解開
這些領域中的一些謎團提供了可能
儘管目前尚未有直接證據
證明暗維度的存在
但這一理論提出了一系列
可以通過宇宙學觀測
和桌面物理實驗來驗證的預測
這表明
我們可能不必等待太久
就能通過實驗檢驗這一理論的真僞
它要麼在嚴格的經驗審查下得到證實
要麼可能像其他一些引人入勝
但最終未能兌現的理論一樣
被排除在科學共識之外
班加羅爾國際理論科學中心主任
物理學家Rajesh Gopalakumar
對這一理論的評價是
這裏設想的暗維度
具有一個顯著的優點
即它的存在與否
可以通過日益精確的實驗
來相對容易地驗證或排除
這表明隨着實驗技術的進步
暗維度理論的科學價值
暗維度的靈感來自於一個
長期存在的關於宇宙常數的謎團
一個由希臘字母Lambda表示的術語
阿爾伯特·愛因斯坦
在1917年將其引入他的《重力方程》中
愛因斯坦與他的許多同行一樣
曾堅信宇宙是靜態不變的
爲了防止他的《重力方程》
描述出一個不斷膨脹的宇宙
他特別引入了一個
後來被稱爲宇宙常數的想
然而20世紀20年代的天文學發現
揭示了一個震撼的事實
宇宙實際上正在膨脹
在1998年
天文學家觀測到
宇宙的膨脹速度並非恆定
而是在加快
這一加速過程被認爲有一種神祕的力量
我們現在稱之爲暗能量所驅動
在物理學的語言中
這種暗能量同樣可以用
希臘字母Lambda來表示
自那以後
科學家們一直在努力解釋
Lambda的一個顯著特徵
它的普朗克單位下的估計值
這堪稱物理學中測量的最小參數
到了2022年
Wilfa與她的兩位團隊成員
當時在馬德里理論物理研究所的
Miguel Montero和目前
在歐洲核子研究中心的
Irene Valenzuela在深入思考
這個難以理解的微小數值時
獲得了一個突破性的認識
一個如此微小的Lambda
實際上是一個極端的參數
這使得它有可能在Wilfa先前
在閒論領域的工作框架內得到考量
在此之前
Wilfa與其他學者已經提出了一個理論猜想
這個猜想被稱爲距離猜想
它闡釋了當一個關鍵的物理參數
趨向於一個極端值時可能發生的現象
這個猜想中的距離
是在一個抽象層面上定義的
當一個參數達到可能範圍的邊緣
即採取一個極端值時
它將對其他參數產生影響
在這樣的理論框架下
閒論方程中的關鍵數值
包括粒子的質量
宇宙常數Lambda
以及決定相互作用強度的偶和常數
都不是固定不變的
任何一個數值的變動
都將不可避免地對其他數值產生連鎖反應
舉例來說
觀測到的極小的Lambda應當與更輕
相互作用更弱的粒子相伴隨
這些粒子的質量與Lambda的值
有着直接的聯繫
Wilfa對此提出了疑問
這些粒子可能是什麼呢
在Wilfa和同事們深入探討這一問題的過程中
他們意識到距離猜想與閒論的結合
提供了一個關鍵的洞察
爲了使這些輕量級粒子在Lambda接近臨時出現
閒論中的一個額外維度
必須顯著大於其他的維度
這個維度可能足夠大
以至於我們能夠探測到它的存在
甚至可能對其進行測量
這一認識引導他們走向了暗維度的理論
黑暗之塔
爲了深入探究那些被推斷出的光粒子的起源
我們必須將時間倒回到大爆炸之後的第一個微秒
在這個宇宙的極早期時刻
宇宙充滿了輻射
包括光子和那些已接近光速運動的其他粒子
這些粒子的行爲和特性
已經通過粒子物理學的標準模型得到了詳細的描述
然而
在暗維度理論的場景中
當這些我們熟知的粒子發生相互碰撞時
可能會產生出一些全新的粒子家族
這些粒子並不包含在標準模型之中
要理解這一過程可能如何發生
我們可以藉助一個比喻
設想我們的思維世界是球體的表面
我們和標準模型中的所有粒子一樣
永遠受限於這個表面
無法脫離
而影粒子作爲無處不在的重力的載體
卻能夠自由地穿越所有的維度
這就是暗維度概念的巧妙之處
爲了形象化這個額外的維度
洛法提議我們想象
在思維世界表面的每一點上都附加着一個小環
這個小環至少在示意圖中代表了那個額外的維度
當兩個標準模型粒子發生碰撞
併產生一個影粒子時
這個影粒子可以滲透進那個額外維度的圓圈中
並像波一樣繞着它傳播
洛法描述道
量子力學告訴我們
包括影粒子和光子在內的所有粒子
都展現出波力二象性
即它們既可以表現爲粒子
也可以表現爲波
當影粒子滲透進入暗維度時
它們形成的波動可以具有多種不同的頻率
每種頻率對應着不同的能量水平
這些質量巨大的影粒子
最終在我們思維世界表面的附着點
產生顯著的影粒效應
也許這就是暗物質的本質
洛法提出了這樣的思考
它們所提出的影粒子儘管相互作用微弱
卻能夠產生一定的影粒效果
他強調
這個理論的一個顯著優勢在於
影粒子作爲一個物理學概念已經存在了90年
最初就是爲了解釋重力的載體而提出的
儘管影粒子作爲一種假設的粒子
至今尚未被直接探測到
但它們是暗物質的自然候選者
馬克思普朗克物理研究所所長George Dali如此評價
儘管他並未直接參與暗維度理論的研究
一個像暗維度這樣大的維度
將有足夠的空間來容納長波長的粒子
這些粒子具有低頻率
低能量和低質量的特性
然而
如果一個暗影粒子滲透到弦論中的一個非常微小的維度
它的波長將變得非常短
這樣的超質量粒子將是不穩定的
並且壽命極其短暫
它們早就消失了
Wally指出
因而沒有機會成爲當前宇宙中的暗物質
在弦論的所有維度中
重力及其載體影粒子無處不在
但是
如果考慮到暗維度比其他額外維度要大得多
大到數個數量級
那麼當重力顯著地滲透到這個更爲寬敞的暗維度中時
它的力量就會在我們的思維世界中顯得非常弱
這一點解釋了重力與其他已知力之間
在強度上的顯著差異
Wally解釋道
並指出在其他額外維度的情境中
也可能出現類似的效果
鑑於暗維度理論能夠對暗物質等現象做出預測
它可以通過經驗性的測試來驗證
如果我提出的某些相關性
你永遠無法通過實驗來測試
那麼我的假設就無法被證明是錯誤的
原始暗維度論文的合著者Valenzuela這樣說道
能夠提出一些你可以實際進行證明或反駁的預測
這有趣得多
暗之謎
自1978年以來
天文學家們就已經意識到暗物質的存在
當時天文學家Villeroobing通過觀察發現
星系的旋轉速度異常地快
這種速度下的星系
本應將外圍的恆星甩入宇宙深處
但似乎有一種大量看不見的物質存在
它們像一種神祕的引力矛一樣
將這些恆星牢牢地維繫在星系之中
儘管如此
要確定這種神祕物質的本質
卻是一項極具挑戰性的任務
在過去將近40年的時間裏
科學家們通過各種實驗努力尋找暗物質的蹤跡
但迄今爲止
尚未有任何暗物質粒子被直接探測到
如果暗物質的本質是暗影粒子
根據Valenzuela的說法
這些粒子極其微弱地與其他粒子相互作用
因此它們可能永遠不會被直接探測到
然而科學家們並未放棄
他們認爲仍有可能通過間接的方式
發現暗影粒子的蹤跡
Valenzuela及其合作者正在採取的一種策略
是利用大規模的宇宙學調查
這些調查通過繪製星系和物質的分佈圖
尋找可能表明暗影粒子存在的微小的聚類行爲差異
此外
當較重的暗影粒子發生衰變時
會產生一對較輕的暗影粒子
新生的暗影粒子的總質量會略小於它們的母粒子
這一過程中
缺失的質量會轉化爲動能
賦予新生暗影粒子一種微小的梯速度
估計大約爲光速的千分之一
這些微小的梯速度
可能會對星系的形成產生影響
根據標準的宇宙學模型
星系的形成始於一團物質
其影力會吸引更多的物質
但如果暗影粒子具有足夠的梯速度
它們可能從這種影力的束縛中逃逸
這樣一來
最終形成的星系的質量
就會比標準宇宙學模型所預測的要小
天文學家可以通過觀測
Kilo-degree Survey對宇宙結構的最新觀測結果
與暗維度理論相一致
數據分析得出的梯速度上限
非常接近OBIT及其合作者所預測的值
而更嚴格的測試
將來自於去年7月發射的
Euclid太空望遠鏡
與此同時
物理學家們也在計劃通過實驗室實驗
來測試暗維度理論
如果重力真的滲透到了一個
直徑爲1微米的暗維度中
理論上可以測量兩個物體之間
在這個特定距離上的重力力量
是否存在偏差
在奧地利科學院進行這項測試的
物理學家阿米什·埃吉坦言
這不是一個容易的實驗
但他補充說
我們有充分的理由進行這項實驗
因爲在我們進行觀測之前
我們無法知曉
重力在如此近的距離上的行爲
儘管暗維度理論
引起了物理學家的廣泛興趣
但也有人對其可行性持懷疑態度
高級研究所的物理學家
Wan Meldacena認爲
通過更精確的實驗來尋找額外維度
是一件非常有趣的事情
但他同時表示
發現這些維度的概率可能很低
牛津大學的物理學家
Joseph Conlon
也表達了類似的懷疑
他認爲
有很多想法如果成立將極爲重要
但實際上可能並非如此
暗維度理論就是其中之一
他基於的猜想相當大膽
而目前支持這些猜想的證據
我認爲相當薄弱
然而證據的分量是可以改變的
這正是我們進行實驗的初衷
如果即將到來的測試
能夠支持暗維度理論
它將有可能幫助我們
更深入地理解暗物質的本質
以及它如何與暗能量和重力相互作用
解釋爲何重力相較於
其他已知的基本力
顯得如此微弱
Gopalkumar評價道
理論家們總是試圖
將不同的理論捆綁在一起
形成一個統一的框架
暗維度理論是我在這個方向上
聽到的最有希望的想法之一
但是
暗維度假設至今無法解釋的一個問題是
爲什麼宇宙常數會如此異常的小
這個令人困惑的事實
實際上是推動這一整條研究線的主要原因
Wolfgang承認
的確我們的模型並沒有解釋
爲什麼宇宙常數會這麼小
但他也指出
我們可以說的是
從這個理論場景出發
如果宇宙常數λ確實很小
並且你考慮了這一小值
所帶來的所有後果
那麼一系列令人驚歎的現象可能會出現
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