我们的宇宙中存在着一种神秘的物质,它不会发光,也不会与我们熟悉的物质相互作用,但它却占据了宇宙质量的绝大部分。这种物质就是暗物质,它是宇宙学和粒子物理学中最大的谜团之一。科学家们只能通过它对周围物质的引力效应来间接地探测它的存在,比如影响星系的旋转速度和宇宙结构的形成。但是,暗物质究竟是什么,它是如何产生的,它是否有自己的复杂性,这些问题都还没有答案。

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一种新的理论尝试了一种大胆的想法,它认为暗物质的世界其实是我们物质世界的一个镜像,只是其中的一些物理规则被打破了。这种理论不仅可以解释为什么暗物质和普通物质的数量相当,还可以预测暗物质的一些新的性质,为未来的实验提供了线索。这项研究于 2024 年 1 月 22 日在物理学预印本网站 arXiv 上发表。

在我们的物质世界中,有四种基本的物理相互作用,分别是引力、电磁力、强力和弱力。它们决定了物质的结构和行为,从原子到星系,无所不包。在这种新的理论中,研究人员假设,暗物质的世界中也有这四种相互作用,只是它们的强度和细节有所不同。换句话说,暗物质的世界是我们物质世界的一个镜像,但是镜子是扭曲的,反映出不同的物理现象。这种对称性被称为暗-明对称性,它是自然界中的一种新的基本对称性,连接着两个看似不相干的物质世界。

这种对称性可以很好地解释一个长期困扰科学家的问题,那就是为什么暗物质和普通物质的数量相当。根据目前的观测,宇宙中每 1 千克普通物质,就有大约 5 千克暗物质。这个比例看起来很随意,但是如果它稍微有一点变化,宇宙的结构就会完全不同。如果暗物质太多,它的引力就会过早地让宇宙塌缩;如果暗物质太少,它的引力就不足以让宇宙形成星系和星团。那么,为什么暗物质和普通物质的数量会如此接近呢?这是否是一个巧合,还是有某种深层的原因?

在暗-明对称性的理论中,这个问题有了一个自然的答案。研究人员认为,暗物质和普通物质的数量之所以相当,是因为它们有着共同的起源。在宇宙大爆炸之后的极短时间内,两种物质都是由一种统一的场产生的,这种场被称为暗-明场。随着宇宙的膨胀和冷却,这种场发生了对称性破缺,就像水从液态变成固态一样,产生了不同的相态。这些相态就是我们现在看到的暗物质和普通物质,它们保持着原来场的对称性,因此它们的数量也相当。

这种理论还可以解释另一个看似巧合的现象,那就是为什么中子和质子的质量几乎相同。中子和质子是构成原子核的粒子,它们是由更小的粒子,夸克和胶子,通过强力结合在一起的。中子和质子的质量主要来自于夸克和胶子的运动能量,而不是它们的静止质量。如果夸克和胶子的运动能量有所不同,中子和质子的质量就会有很大的差别。这对我们的物质世界有重要的影响,因为正是中子和质子的质量相近,才使得它们能够稳定地结合在一起,形成各种元素。如果质子的质量比中子大得多,它就会很快衰变成中子,导致宇宙中只有一种元素,氢。如果质子的质量比中子小得多,它就会很容易被中子俘获,导致宇宙中只有一种元素,氦。在这两种情况下,我们熟悉的化学世界都将不存在。

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那么,为什么中子和质子的质量会如此接近呢?这是否也是一个巧合,还是有某种深层的原因?在暗-明对称性的理论中,这个问题也有了一个自然的答案。研究人员认为,中子和质子的质量之所以相近,是因为它们受到了暗物质的影响。在这种理论中,暗物质的世界中也有类似于中子和质子的粒子,被称为暗中子和暗质子,它们是由暗夸克和暗胶子组成的。暗中子和暗质子的质量也主要来自于暗夸克和暗胶子的运动能量,而不是它们的静止质量。由于暗-明对称性,暗中子和暗质子的质量会影响中子和质子的质量,反之亦然。这种相互影响使得中子和质子的质量趋于一致,从而保证了我们物质世界的稳定性。

但是,这种相互影响也会导致一个有趣的结果,那就是在暗物质的世界中,暗中子和暗质子的质量不再相近,而是有很大的差别。这意味着,在暗物质的世界中,暗中子和暗质子不能稳定地结合在一起,形成各种元素。相反,暗物质的世界中只有一种元素,暗氢,它由一个暗质子和一个暗电子组成。这种暗氢是非常不稳定的,因为暗质子会很快衰变成暗中子,从而使暗氢失去了它的正电荷。没有了电荷,暗氢就不能通过电磁力与其他暗氢相互作用,只能通过引力和弱力与其他暗物质相互作用。这就导致了暗物质的世界非常简单和单调,没有复杂的化学和物理过程,只有一片由暗中子和少量暗氢组成的海洋。

这种理论的一个有趣的推论是,暗物质的世界中可能存在一种稀有的暗元素,暗氦,它由两个暗质子和两个暗中子组成。这种暗氦是非常稳定的,因为它的暗质子被暗中子包围,从而阻止了它们的衰变。暗氦的存在可以为我们探测暗物质提供了一个新的途径,因为它可以通过电磁力与普通物质发生微弱的相互作用,从而产生一些可观测的信号。研究人员估计,暗氦的丰度大约是暗物质总量的千分之一,这意味着它在宇宙中仍然很少见,但不是不可能找到。

这种理论还可以预测一些暗物质的其他性质,比如它的质量、自旋和衰变方式,这些都是未来实验的重要参数。研究人员指出,这种理论与目前的观测数据是一致的,但也可以被未来的观测数据证实或否定。如果这种理论被证实,那么我们就可以窥探到暗物质的镜像世界,揭开宇宙的一个重要的秘密。