暗物質能組成生命嗎?小部分暗物質可能會相互作用

暗物質能組成生命嗎?小部分暗物質可能會相互作用

  新浪科技訊 北京時間8月14日訊息,據國外媒體報道,據科學家估計,常規物質只佔總能量的二十分之一,約佔六分之一,剩下部分由暗能量構成。從能量來計算的話,你可能認為常規物質在很大程度上是無關緊要的,但對大多數人來說,常規物質才是真正重要的宇宙組成部分。除了宇宙學家,幾乎所有人都將注意力集中在常規物質上,對暗物質和暗能量毫不在意。

  我們當然更關心常規物質,因為我們本身就是由常規物質組成的——就像我們所生活的有形世界一樣。我們關注常規物質的另一個原因是其豐富的互動性。通過電磁力、弱核力和強核力等相互作用,常規物質可以使世界的可見物質形成複雜、密集的系統。不僅僅是恆星,還有岩石、海洋、植物和動物的存在都要歸功於常規物質的非引力相互作用。就像啤酒中的少量酒精對狂歡者的影響要遠遠大於對其他成分的影響一樣,常規物質雖然只佔能量密度的一小部分,但它對自身和周圍環境的影響要比暗物質和暗能量明顯得多。

  我們熟悉的可見物質大約佔常規物質的15%。在商業和政治領域,前1%的人相互影響,主導著決策和政策,而剩下的99%的人口提供的基礎設施和支援——包括維護建築物、維持城市運轉以及為人們的餐桌提供食物——則沒有得到廣泛認可。同樣,常規物質支配著我們目之所及的幾乎所有東西,而暗物質,儘管以其無處不在的豐富性,幫助創造了星團和星系,促進了恆星的形成,但對我們今天周圍環境的直接影響十分有限。

  我們周圍的一切似乎都由常規物質負責。它讓我們身體得以運動,為我們的經濟提供能源;你正在閱讀這篇文章的電腦螢幕,以及你能想到的任何事物,也都由常規物質組成。如果某種事物具有可測量的相互作用,那麼它就值得關注,因為它對周圍的任何事物都會產生更直接的影響。

暗物質能組成生命嗎?小部分暗物質可能會相互作用

  通常情況下,暗物質缺乏這種有趣的影響和結構。一般的假設認為,暗物質是把星系和星系團凝聚在一起的“粘合劑”,但只存在於它們周圍的無定形雲中。但是,如果這個假設不成立,而只是因為偏見和無知使我們受到誤導的話,情況又會怎樣呢?

  粒子物理學的標準模型包括6種夸克,3種帶電輕子(包括電子),3種中微子,所有負責力的粒子,以及新發現的希格斯玻色子。如果暗物質的世界也相當豐富呢?在這種情況下,即使大多數暗物質的相互作用可有可無,但是小部分暗物質可能會出現類似於常規物質的相互作用。標準模型中豐富的粒子和力組成了複雜的結構,也導致了許多有趣的現象。如果暗物質中含有發生相互作用的成分,那這一部分可能也會產生影響。

  如果我們是由暗物質構成的生物,我們就會錯誤地認為常規物質領域的粒子都是同一型別的。或許由常規物質構成的我們也在犯類似的錯誤。描述我們所知物質最基本組成部分的粒子物理學標準模型十分複雜,考慮到這一點,再假設所有暗物質只由一種粒子組成似乎就顯得十分奇怪。為什麼不假設一些暗物質有自己的相互作用呢?

  在這種情況下,就像常規物質由不同型別的粒子組成,而這些基本粒子通過不同的電荷組合相互作用一樣,暗物質也會有不同的基本粒子,而且這些不同的新粒子型別中至少有一種會經歷非引力相互作用。標準模型中的中微子在強核力或電磁力作用下不會發生相互作用,而夸克的6種類型卻與之相反。

  以類似的方式,也許有一種暗物質粒子在引力之外的相互作用非常微弱,或者不發生相互作用,但有一小部分——也許是5%——還是會發生非引力相互作用。根據我們在常規物質世界中所看到的情況,這樣的情況可能比通常假設的相互作用非常微弱,或沒有相互作用的單個暗物質粒子更有可能出現。

  常規物質的許多組成部分具有不同的相互作用,並以不同的方式對世界作出貢獻。暗物質也可能有不同的粒子,它們具有不同的行為,並且可能以可測量的方式影響宇宙的結構。

  令人驚訝的是,幾乎沒有人考慮過,假設只有常規物質表現出粒子型別和相互作用的多樣性是多麼荒謬和狂妄。少數物理學家試圖分析不同的模型,比如“映象暗物質”,描述了模擬一切常規物質的暗物質。但這樣的例子過於特殊,難以理解,其含義很難與我們所知道的一切相協調。

  還有少數物理學家研究了暗物質相互作用的更一般的模型,但他們假設所有的暗物質都是相同的,因此經歷了相同的作用。沒有人考慮過一種非常簡單的可能性,即雖然大多數暗物質不會相互作用,但小部分暗物質可能會相互作用。

  一個顯而易見的可能原因是,大多數人會認為,如果經歷相互作用的特殊成分只佔暗物質存量的一小部分,那麼這種新的暗物質型別就可能與大多數可測量的現象無關。我們甚至還沒有觀察到暗物質的主要成分,此時關注其更小的部分似乎為時過早。

  但是,如果你還記得常規物質所攜帶能量只相當於暗物質能量的20%時,你就會發現這個邏輯有什麼缺陷。經歷更強的非引力相互作用的物質可能比大量弱相互作用的物質更有趣,更有影響力。

  我們已經知道這對於常規物質來說是成立的。常規物質在宇宙組成中佔比很低,但影響卻很大。在一個緻密的常規物質盤中,恆星、行星、地球甚至都可以形成。帶電的暗物質成分——雖然不一定有這麼豐富——也可以坍縮成圓盤,就像銀河系中可見的圓盤一樣。它甚至可能分裂成類似恆星的物體。在原理上,這種新的盤狀結構可以被觀察到,甚至可能比傳統觀點中佔主要地位的低溫暗物質成分更容易被觀測到。

  一旦你開始沿著這些思路思考,可能性就會迅速增加。畢竟,電磁力只是標準模型粒子所經歷的幾種非引力相互作用之一。除了將電子與原子核結合的力,常規物質世界的標準模型粒子還通過弱核力和強核力發生相互作用。在常規物質的世界裡可能還存在更多的力,但它們在可達到的能量下必須極其微弱,因為到目前為止,還沒有人觀察到它們的任何跡象。不過,即使只存在三種非引力相互作用,也暗示著相互作用的暗物質可能也會經歷非引力相互作用,而不僅僅是暗電磁力。

  也許除了電磁力外,核力也能作用於暗粒子。在這種可能性更加豐富的場景中,經過核燃燒形成的暗恆星可以創造出比目前描述的暗物質更類似於常規物質的結構。在這種情況下,暗圓盤中可能存在許多暗恆星,其周圍存在著由暗原子組成的暗行星。因此,這些暗物質可能具有與常規物質相同的複雜性。

  部分相互作用的暗物質顯然為推測提供了肥沃的土壤,並鼓勵我們去思考原本可能無法想象的可能性。對作家和電影觀眾而言,暗物質領域中這種額外的力量及其引發的結果是非常誘人的。它們甚至可能暗示著,宇宙中可能有與我們共存的暗物質生命。

  然而,情況並不一定很有趣。電影攝影師很難拍攝這種暗物質生命,當然,我們和它們都看不見彼此。即使暗物質生命存在(或者曾經存在),我們也不知道。你不知道暗物質生命有多可愛——幾乎肯定永遠也不會知道。

  儘管推測暗物質生命存在的可能性很有趣,但找到一種觀察它們,甚至更間接地探測它們的方法卻困難得多。人類對系外行星的搜尋工作正在努力進行中,要找到和我們由同樣的物質組成的生命已經足夠具有挑戰性了,而如果暗物質生命存在的話,其證據將比遙遠宇宙中常規物質生命的證據更加難以捉摸。

  直到不久前,我們才終於探測到了來自巨大黑洞的引力波。我們幾乎沒有機會探測到暗物質生命的引力效應——無論它們離我們有多近。

  理想情況下,我們希望以某種方式與這一新領域溝通,或者讓它們以某種獨特的方式與我們通訊。但如果這種新生命沒有經歷我們所經歷的同樣的力,那通訊就無法進行。即使我們經歷同樣的引力,一個小物體或生命形式所施加的引力也幾乎肯定會微弱到無法探測。只有非常大的暗物質物體,比如橫跨銀河系平面的圓盤,才會產生可見的後果。

  暗物質天體或暗物質生命可能離我們很近,但如果暗物質的淨質量不是很大,我們就無從得知它們的存在。即使使用最先進的技術,或者我們目前能想象的任何技術,也只有一些非常特殊的可能性是可驗證的。暗物質生命聽上去雖然令人興奮,但並不一定會產生我們會注意到的任何可見後果,這使得它成為一種誘人的可能性,但不會受到觀察的影響。公平地說,暗物質生命的存在是一項艱鉅的任務。科幻小說作家們對此進行創作可能沒有問題,但對宇宙而言,要創造出暗物質生命還需要克服很多障礙。在所有可能的化學反應中,有多少能維持生命尚不清楚,甚至在那些能維持生命的化學反應中,我們也不知道究竟在哪些環境中才能進行。

  儘管如此,暗物質生命在原理上還是存在的,甚至可能就在我們的眼皮底下。但如果沒有與我們世界的常規物質更強的互動,它們的種種狀態我們可能永遠都不會知道。但有趣的是,如果暗物質世界中存在相互作用——不管是否與生命有關——其對宇宙結構的影響最終可能會被我們測量到,然後我們才能瞭解到更多關於暗物質世界的資訊。(任天)

  作者簡介:麗莎·蘭德爾(Lisa Randall)是哈佛大學的科學教授,研究理論粒子物理學和宇宙學。本文節選自她的的《暗物質與恐龍》(Dark Matter and the Dinosaurs)一書。

暗物質能組成生命嗎?小部分暗物質可能會相互作用
喜歡這篇文章嗎?立刻分享出去讓更多人知道~

相關文章