当涉及到理解宇宙的结构时，科学家认为存在的大部分物质都被归入一个黑暗、模糊的领域。普通物质，我们能看见和触摸的东西，却只占宇宙的5%。其余的，宇宙学家说，是暗能量和暗物质，这些被标记为“暗”的神秘物质，部分地反映了我们对它们真正性质的无知。
尽管我们对宇宙的全面理解仍然充满了挑战，但近两年，有科学家提出的一个创新性概念——暗维度场景，这为我们提供了一种可能的解答路径，因为它至少在一定程度上回应了关于宇宙构成的一些根本性问题。这一理论不仅为暗物质的存在提供了一个明确的理论基础，而且还揭示了暗物质与暗能量之间可能存在的深层联系。更重要的是，它可能为我们解释了为何重力——作为宇宙中最宏观的力量，其强度却远不及其他基本力。
暗维度场景是在弦论这一复杂的理论框架内提出的，弦论本身试图将量子力学与爱因斯坦的广义相对论进行统一。弦论认为，除了我们熟知的三个宏观空间维度和一个时间维度之外，宇宙中还隐藏着六个极其微小的额外空间维度。
在这个理论所描绘的宇宙中，有一个额外的空间维度的尺度远超过其他维度，它不是像质子直径那样小到100万亿倍，而是达到了1微米的宽度。按照我们的日常经验，这依然是一个微观的尺度，但与弦论中其他额外维度相比，它却是巨大的。正是在这个相对较大维度的暗维度中，产生了携带重力的大量粒子，这些粒子构成了科学家们认为占据宇宙总质量约25%的暗物质，它们就像是维系星系结构的无形“粘合剂”。据当前的科学估计，宇宙的剩余70%由暗能量组成，这种能量正在推动宇宙加速膨胀。
索邦大学的物理学家Ignatios Antoniadis，作为暗维度理论的积极研究者，他指出这一场景“为我们在弦论、量子引力、粒子物理学和宇宙学之间搭建了桥梁，同时为我们解开这些领域中的一些谜团提供了可能。”
尽管目前尚未有直接证据证明暗维度的存在，但这一理论提出了一系列可以通过宇宙学观测和桌面物理实验来验证的预测。这表明，我们可能不必等待太久就能通过实验检验这一理论的真伪——它要么在严格的经验审查下得到证实，要么可能像其他一些引人入胜但最终未能兑现的理论一样，被排除在科学共识之外。
班加罗尔国际理论科学中心主任、物理学家Rajesh Gopakumar对这一理论的评价是，“这里设想的暗维度具有一个显著的优点，即它的存在与否可以通过日益精确的实验来相对容易地验证或排除。”这表明，随着实验技术的进步，暗维度理论的科学价值将很快得到验证。
暗维度的神谕
暗维度的灵感来自于一个长期存在的关于宇宙常数的谜团——一个由希腊字母lambda表示的术语，阿尔伯特·爱因斯坦在1917年将其引入他的重力方程中。
爱因斯坦，与他的许多同行一样，曾坚信宇宙是静态不变的。为了防止他的重力方程描述出一个不断膨胀的宇宙，他特别引入了一个后来被称为宇宙常数的项。然而，20世纪20年代的天文学发现揭示了一个震撼的事实：宇宙实际上正在膨胀。在1998年，天文学家观测到宇宙的膨胀速度并非恒定，而是在加快，这一加速过程被认为由一种神秘的力量——我们现在称之为暗能量所驱动。在物理学的语言中，这种暗能量同样可以用希腊字母lambda来表示。自那以后，科学家们一直在努力解释lambda的一个显著特征：它的普朗克单位下的估计值达到了极其微小的10的-122次方，这堪称“物理学中测量的最小参数”。
到了2022年，Vafa与他的两位团队成员——当时在马德里理论物理研究所的Miguel Montero和目前在欧洲核子研究中心（CERN）的Irene Valenzuela——在深入思考这个难以理解的微小数值时，获得了一个突破性的认识：一个如此微小的lambda实际上是一个极端的参数，这使得它有可能在Vafa先前在弦论领域的工作框架内得到考量。
在此之前，Vafa与其他学者已经提出了一个理论猜想，这个猜想被称为距离猜想，它阐释了当一个关键的物理参数趋向于一个极端值时可能发生的现象。这个猜想中的“距离”是在一个抽象层面上定义的：当一个参数达到可能范围的边缘，即采取一个极端值时，它将对其他参数产生影响。
在这样的理论框架下，弦论方程中的关键数值——包括粒子的质量、宇宙常数lambda，以及决定相互作用强度的耦合常数——都不是固定不变的。任何一个数值的变动都将不可避免地对其他数值产生连锁反应。
举例来说，观测到的极小的lambda应当与更轻、相互作用更弱的粒子相伴随，这些粒子的质量与lambda的值有着直接的联系。Vafa对此提出了疑问：“这些粒子可能是什么呢？”
在Vafa和同事们深入探讨这一问题的过程中，他们意识到距离猜想与弦论的结合提供了一个关键的洞察：为了使这些轻量级粒子在lambda接近零时出现，弦论中的一个额外维度必须显著大于其他的维度——这个维度可能足够大，以至于我们能够探测到它的存在，甚至可能对其进行测量。这一认识引导他们走向了暗维度的理论。
黑暗之塔
为了深入探究那些被推断出的光粒子的起源，我们必须将时间倒回到大爆炸之后的第一个微秒。在这个宇宙的极早期时刻，宇宙充满了辐射——包括光子和那些以接近光速运动的其他粒子。这些粒子的行为和特性已经通过粒子物理学的标准模型得到了详细的描述。然而，在暗维度理论的场景中，当这些我们熟知的粒子发生相互碰撞时，可能会产生出一些全新的粒子家族，这些粒子并不包含在标准模型之中。
“在某个特定的时间间隔内，这些辐射粒子会相互碰撞，从而创造出我们所称的‘暗引力子’，”牛津大学的物理学家Georges Obied，这位参与构建暗引力子理论的学者解释道。“我们已知有一个无质量的引力子，这是标准的引力子。但除此之外，还有无数个有质量的暗引力子副本。”这些假定的暗引力子的质量，大体上是与宇宙常数相关的一个常数M的整数倍。这些暗引力子构成了一个宽广的“塔”，覆盖了多样的质量和能量层级。
要理解这一过程可能如何发生，我们可以借助一个比喻：设想我们的四维世界是球体的表面，我们和标准模型中的所有粒子一样，永远受限于这个表面，无法脱离。而引力子，作为无处不在的重力的载体，却能够自由地穿越所有的维度。这就是暗维度概念的巧妙之处。为了形象化这个额外的维度，Vafa提议我们想象，在四维世界表面的每一点上，都附加着一个小环。这个小环，至少在示意图中，代表了那个额外的维度。当两个标准模型粒子发生碰撞并产生一个引力子时，这个引力子“可以渗透进那个额外维度的圆圈中，并像波一样绕着它传播，”Vafa描述道。量子力学告诉我们，包括引力子和光子在内的所有粒子，都展现出波粒二象性——即它们既可以表现为粒子，也可以表现为波。
当引力子渗透进入暗维度时，它们形成的波动可以具有多种不同的频率，每种频率对应着不同的能量水平。这些质量巨大的引力子，在额外维度的环路上旅行，最终在我们四维世界表面的附着点产生显著的引力效应。
“也许，这就是暗物质的本质？”Vafa提出了这样的思考。他们所提出的引力子，尽管相互作用微弱，却能够产生一定的引力效果。他强调，这个理论的一个显著优势在于，引力子作为一个物理学概念已经存在了90年，最初就是为了解释重力的载体而提出的。尽管引力子作为一种假设的粒子，至今尚未被直接探测到，但它们是暗物质的“自然候选者，”马克斯·普朗克物理研究所所长Georgi Dvali如此评价，尽管他并未直接参与暗维度理论的研究。
一个像暗维度这样大的维度，将有足够的空间来容纳长波长的粒子，这些粒子具有低频率、低能量和低质量的特性。然而，如果一个暗引力子渗透到弦论中的一个非常微小的维度，它的波长将变得非常短，质量和能量则会变得非常高。这样的超质量粒子将是不稳定的，并且寿命极其短暂。它们“早就消失了，”Dvali指出，“因而没有机会成为当前宇宙中的暗物质。”
在弦论的所有维度中，重力及其载体引力子无处不在。但是，如果考虑到暗维度比其他额外维度要大得多——大到数个数量级——那么当重力显著地渗透到这个更为宽敞的暗维度中时，它的力量就会在我们的四维世界中显得非常弱。“这一点解释了重力与其他已知力之间在强度上的显著差异，”Dvali解释道，并指出在其他额外维度的情境中也可能出现类似的效果。
鉴于暗维度理论能够对暗物质等现象做出预测，它可以通过经验性的测试来验证。“如果我提出的某些相关性你永远无法通过实验来测试，那么我的假设就无法被证明是错误的，”原始暗维度论文的合著者Valenzuela这样说道。“能够提出一些你可以实际进行证明或反驳的预测，这要有趣得多。”
暗之谜
自1978年以来，天文学家们就已经意识到暗物质的存在。当时，天文学家Vera Rubin通过观察发现，星系的旋转速度异常地快，这种速度下的星系本应将外围的恒星甩入宇宙深处，但似乎有一种大量看不见的物质存在，它们像一种神秘的引力锚一样，将这些恒星牢牢地维系在星系之中。
尽管如此，要确定这种神秘物质的本质却是一项极具挑战性的任务。在过去将近四十年的时间里，科学家们通过各种实验努力寻找暗物质的踪迹，但迄今为止，尚未有任何暗物质粒子被直接探测到。
如果暗物质的本质是暗引力子，根据Vafa的说法，这些粒子极其微弱地与其它粒子相互作用，因此它们可能永远不会被直接探测到。然而，科学家们并未放弃，他们认为仍有可能通过间接的方式发现暗引力子的踪迹。
Vafa及其合作者正在采取的一种策略是利用大规模的宇宙学调查。这些调查通过绘制星系和物质的分布图，寻找可能表明暗引力子存在的微小的聚类行为差异。此外，当较重的暗引力子发生衰变时，会产生一对较轻的暗引力子，新生的暗引力子的总质量会略小于它们的母粒子。这一过程中缺失的质量会转化为动能，赋予新生暗引力子一种微小的“踢速度”，估计大约为光速的千分之一。
这些微小的踢速度可能会对星系的形成产生影响。根据标准的宇宙学模型，星系的形成始于一团物质，其引力会吸引更多的物质。但如果暗引力子具有足够的踢速度，它们可能从这种引力的束缚中逃逸。这样一来，最终形成的星系的质量就会比标准宇宙学模型所预测的要小。
天文学家可以通过观测来寻找这种质量上的差异。Kilo-Degree Survey对宇宙结构的最新观测结果与暗维度理论相一致：数据分析得出的踢速度上限非常接近Obied及其合作者所预测的值。而更严格的测试将来自于去年7月发射的Euclid太空望远镜。
与此同时，物理学家们也在计划通过实验室实验来测试暗维度理论。如果重力真的渗透到了一个直径为1微米的暗维度中，理论上可以测量两个物体之间在这个特定距离上的重力力量是否存在偏差。在奥地利科学院进行这项测试的物理学家Armin Shayeghi坦言，这不是一个容易的实验，但他补充说：“我们有充分的理由进行这项实验，因为在我们进行观测之前，我们无法知晓重力在如此近的距离上的行为。”
尽管暗维度理论引起了物理学家的广泛兴趣，但也有人对其可行性持怀疑态度。高级研究所的物理学家Juan Maldacena认为，通过更精确的实验来寻找额外维度是一件非常有趣的事情，但他同时表示，发现这些维度的概率可能很低。
牛津大学的物理学家Joseph Conlon也表达了类似的怀疑，他认为：“有很多想法如果成立将极为重要，但实际上可能并非如此。暗维度理论就是其中之一。它基于的猜想相当大胆，而目前支持这些猜想的证据我认为相当薄弱。”
然而，证据的分量是可以改变的，这正是我们进行实验的初衷。如果即将到来的测试能够支持暗维度理论，它将有可能帮助我们更深入地理解暗物质的本质，以及它如何与暗能量和重力相互作用，解释为何重力相较于其他已知的基本力显得如此微弱。Gopakumar评价道：“理论家们总是试图将不同的理论‘捆绑’在一起，形成一个统一的框架。暗维度理论是我在这个方向上听到的最有希望的想法之一。”
但是，暗维度假设至今无法解释的一个问题是，为什么宇宙常数会如此异常地小——这个令人困惑的事实，实际上是推动这一整条研究线的主要原因。Vafa承认：“的确，我们的模型并没有解释为什么宇宙常数会这么小。”但他也指出：“我们可以说的是，从这个理论场景出发，如果宇宙常数lambda确实很小——并且你考虑了这一小值所带来的所有后果——那么一系列令人惊叹的现象可能会出现。”
热门跟贴