暗物质能组成生命吗?小部分暗物质可能会相互作用

2019年08月14日 08:43 次阅读 稿源:新浪科技 条评论

北京时间8月14日消息,据国外媒体报道,据科学家估计,常规物质只占宇宙总能量的二十分之一,暗物质约占六分之一,剩下部分由暗能量构成。从能量来计算的话,你可能认为常规物质在很大程度上是无关紧要的,但对大多数人来说,常规物质才是真正重要的宇宙组成部分。除了宇宙学家,几乎所有人都将注意力集中在常规物质上,对暗物质和暗能量毫不在意。

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我们当然更关心常规物质,因为我们本身就是由常规物质组成的——就像我们所生活的有形世界一样。我们关注常规物质的另一个原因是其丰富的互动性。通过电磁力、弱核力和强核力等相互作用,常规物质可以使世界的可见物质形成复杂、密集的系统。不仅仅是恒星,还有岩石、海洋、植物和动物的存在都要归功于常规物质的非引力相互作用。就像啤酒中的少量酒精对狂欢者的影响要远远大于对其他成分的影响一样,常规物质虽然只占能量密度的一小部分,但它对自身和周围环境的影响要比暗物质和暗能量明显得多。

我们熟悉的可见物质大约占常规物质的15%。在商业和政治领域,前1%的人相互影响,主导着决策和政策,而剩下的99%的人口提供的基础设施和支持——包括维护建筑物、维持城市运转以及为人们的餐桌提供食物——则没有得到广泛认可。同样,常规物质支配着我们目之所及的几乎所有东西,而暗物质,尽管以其无处不在的丰富性,帮助创造了星团和星系,促进了恒星的形成,但对我们今天周围环境的直接影响十分有限。

我们周围的一切似乎都由常规物质负责。它让我们身体得以运动,为我们的经济提供能源;你正在阅读这篇文章的电脑屏幕,以及你能想到的任何事物,也都由常规物质组成。如果某种事物具有可测量的相互作用,那么它就值得关注,因为它对周围的任何事物都会产生更直接的影响。

通常情况下,暗物质缺乏这种有趣的影响和结构。一般的假设认为,暗物质是把星系和星系团凝聚在一起的“粘合剂”,但只存在于它们周围的无定形云中。但是,如果这个假设不成立,而只是因为偏见和无知使我们受到误导的话,情况又会怎样呢?

粒子物理学的标准模型包括6种夸克,3种带电轻子(包括电子),3种中微子,所有负责力的粒子,以及新发现的希格斯玻色子。如果暗物质的世界也相当丰富呢?在这种情况下,即使大多数暗物质的相互作用可有可无,但是小部分暗物质可能会出现类似于常规物质的相互作用。标准模型中丰富的粒子和力组成了复杂的结构,也导致了许多有趣的现象。如果暗物质中含有发生相互作用的成分,那这一部分可能也会产生影响。

如果我们是由暗物质构成的生物,我们就会错误地认为常规物质领域的粒子都是同一类型的。或许由常规物质构成的我们也在犯类似的错误。描述我们所知物质最基本组成部分的粒子物理学标准模型十分复杂,考虑到这一点,再假设所有暗物质只由一种粒子组成似乎就显得十分奇怪。为什么不假设一些暗物质有自己的相互作用呢?

在这种情况下,就像常规物质由不同类型的粒子组成,而这些基本粒子通过不同的电荷组合相互作用一样,暗物质也会有不同的基本粒子,而且这些不同的新粒子类型中至少有一种会经历非引力相互作用。标准模型中的中微子在强核力或电磁力作用下不会发生相互作用,而夸克的6种类型却与之相反。

以类似的方式,也许有一种暗物质粒子在引力之外的相互作用非常微弱,或者不发生相互作用,但有一小部分——也许是5%——还是会发生非引力相互作用。根据我们在常规物质世界中所看到的情况,这样的情况可能比通常假设的相互作用非常微弱,或没有相互作用的单个暗物质粒子更有可能出现。

常规物质的许多组成部分具有不同的相互作用,并以不同的方式对世界作出贡献。暗物质也可能有不同的粒子,它们具有不同的行为,并且可能以可测量的方式影响宇宙的结构。

令人惊讶的是,几乎没有人考虑过,假设只有常规物质表现出粒子类型和相互作用的多样性是多么荒谬和狂妄。少数物理学家试图分析不同的模型,比如“镜像暗物质”,描述了模拟一切常规物质的暗物质。但这样的例子过于特殊,难以理解,其含义很难与我们所知道的一切相协调。

还有少数物理学家研究了暗物质相互作用的更一般的模型,但他们假设所有的暗物质都是相同的,因此经历了相同的作用。没有人考虑过一种非常简单的可能性,即虽然大多数暗物质不会相互作用,但小部分暗物质可能会相互作用。

一个显而易见的可能原因是,大多数人会认为,如果经历相互作用的特殊成分只占暗物质存量的一小部分,那么这种新的暗物质类型就可能与大多数可测量的现象无关。我们甚至还没有观察到暗物质的主要成分,此时关注其更小的部分似乎为时过早。

但是,如果你还记得常规物质所携带能量只相当于暗物质能量的20%时,你就会发现这个逻辑有什么缺陷。经历更强的非引力相互作用的物质可能比大量弱相互作用的物质更有趣,更有影响力。

我们已经知道这对于常规物质来说是成立的。常规物质在宇宙组成中占比很低,但影响却很大。在一个致密的常规物质盘中,恒星、行星、地球甚至生命都可以形成。带电的暗物质成分——虽然不一定有这么丰富——也可以坍缩成圆盘,就像银河系中可见的圆盘一样。它甚至可能分裂成类似恒星的物体。在原理上,这种新的盘状结构可以被观察到,甚至可能比传统观点中占主要地位的低温暗物质成分更容易被观测到。

一旦你开始沿着这些思路思考,可能性就会迅速增加。毕竟,电磁力只是标准模型粒子所经历的几种非引力相互作用之一。除了将电子与原子核结合的力,常规物质世界的标准模型粒子还通过弱核力和强核力发生相互作用。在常规物质的世界里可能还存在更多的力,但它们在可达到的能量下必须极其微弱,因为到目前为止,还没有人观察到它们的任何迹象。不过,即使只存在三种非引力相互作用,也暗示着相互作用的暗物质可能也会经历非引力相互作用,而不仅仅是暗电磁力。

也许除了电磁力外,核力也能作用于暗粒子。在这种可能性更加丰富的场景中,经过核燃烧形成的暗恒星可以创造出比目前描述的暗物质更类似于常规物质的结构。在这种情况下,暗圆盘中可能存在许多暗恒星,其周围存在着由暗原子组成的暗行星。因此,这些暗物质可能具有与常规物质相同的复杂性。

部分相互作用的暗物质显然为推测提供了肥沃的土壤,并鼓励我们去思考原本可能无法想象的可能性。对作家和电影观众而言,暗物质领域中这种额外的力量及其引发的结果是非常诱人的。它们甚至可能暗示着,宇宙中可能有与我们共存的暗物质生命。

然而,情况并不一定很有趣。电影摄影师很难拍摄这种暗物质生命,当然,我们和它们都看不见彼此。即使暗物质生命存在(或者曾经存在),我们也不知道。你不知道暗物质生命有多可爱——几乎肯定永远也不会知道。

尽管推测暗物质生命存在的可能性很有趣,但找到一种观察它们,甚至更间接地探测它们的方法却困难得多。人类对系外行星的搜寻工作正在努力进行中,要找到和我们由同样的物质组成的生命已经足够具有挑战性了,而如果暗物质生命存在的话,其证据将比遥远宇宙中常规物质生命的证据更加难以捉摸。

直到不久前,我们才终于探测到了来自巨大黑洞的引力波。我们几乎没有机会探测到暗物质生命的引力效应——无论它们离我们有多近。

理想情况下,我们希望以某种方式与这一新领域沟通,或者让它们以某种独特的方式与我们通信。但如果这种新生命没有经历我们所经历的同样的力,那通信就无法进行。即使我们经历同样的引力,一个小物体或生命形式所施加的引力也几乎肯定会微弱到无法探测。只有非常大的暗物质物体,比如横跨银河系平面的圆盘,才会产生可见的后果。

暗物质天体或暗物质生命可能离我们很近,但如果暗物质的净质量不是很大,我们就无从得知它们的存在。即使使用最先进的技术,或者我们目前能想象的任何技术,也只有一些非常特殊的可能性是可验证的。暗物质生命听上去虽然令人兴奋,但并不一定会产生我们会注意到的任何可见后果,这使得它成为一种诱人的可能性,但不会受到观察的影响。公平地说,暗物质生命的存在是一项艰巨的任务。科幻小说作家们对此进行创作可能没有问题,但对宇宙而言,要创造出暗物质生命还需要克服很多障碍。在所有可能的化学反应中,有多少能维持生命尚不清楚,甚至在那些能维持生命的化学反应中,我们也不知道究竟在哪些环境中才能进行。

尽管如此,暗物质生命在原理上还是存在的,甚至可能就在我们的眼皮底下。但如果没有与我们世界的常规物质更强的互动,它们的种种状态我们可能永远都不会知道。但有趣的是,如果暗物质世界中存在相互作用——不管是否与生命有关——其对宇宙结构的影响最终可能会被我们测量到,然后我们才能了解到更多关于暗物质世界的信息。(任天)

作者简介:丽莎·兰德尔(Lisa Randall)是哈佛大学的科学教授,研究理论粒子物理学和宇宙学。本文节选自她的的《暗物质与恐龙》(Dark Matter and the Dinosaurs)一书。

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