提到暗物质,大家或许都有耳闻。这种存在于宇宙中的神秘物质无法被直接观测,却能通过强大的引力影响宇宙运转——若没有它的引力束缚,高速旋转的星系会分崩离析,宇宙的大尺度结构也无从形成。几十年来,探索暗物质的本质一直是物理学界的核心课题,而一项发表在《欧洲物理学杂志C》上的研究,为我们揭开了一个全新可能:暗物质或许来自第五维度。
第五维度的设想并非近年才有。上世纪20年代,就有物理学家尝试在爱因斯坦的四维时空(三维空间+一维时间)基础上增加一个维度,希望以此统一引力与电磁力。但难题随之而来:若第五维度存在,我们为何感知不到?当时的解释是,它被“卷曲”在极小的尺度内,远超现有观测能力。
1999年,物理学家丽莎·兰德尔和拉曼·桑德鲁姆提出了“扭曲额外维度”模型,打破了这一局限。他们认为,第五维度不必是微小的,完全可以是无限大且“扭曲”的。在这一模型中,我们所处的四维时空只是一层“膜”,漂浮在五维的“体”之中,构成我们世界的粒子和除引力外的基本力,都被“粘”在这层膜上无法逃脱。
这一理论最精妙之处,在于优雅解释了物理学的“等级问题”——为何引力远弱于电磁力、强核力和弱核力。答案是,引力并未变弱,其大部分“力量”都稀释到了五维“体”中,我们感受到的只是一小部分。而此次研究,正是基于这一理论探索暗物质的真相。
科学家通过严谨的数学推算发现,若第五维度存在,其“扭曲空间”中会存在一种全新的费米子,即“体费米子”。它们与我们熟悉的电子、夸克本质相同,只是“居住”在五维“体”中,不与我们世界的光子、电子发生作用,因此完全不可见。但它们拥有质量,能产生跨越维度的引力,这与暗物质的核心特征完全吻合——由此推测,“体费米子”很可能就是我们苦苦寻找的暗物质。
这一理论并非无法验证。科学家表示,宇宙极早期若发生剧烈相变产生“体费米子”,会激起独特的引力波,这种引力波是标准宇宙模型无法产生的,如同来自第五维度的“回声”,至今仍在宇宙中传播。未来,LISA激光干涉仪空间天线等设备,有望捕捉到它的踪迹。
此外,“体费米子”暗物质在宇宙大尺度结构上留下的“指纹”,与传统暗物质模型截然不同。随着韦布空间望远镜、维拉·鲁宾天文台等新一代设备投入使用,我们正以超高精度绘制宇宙地图,通过对比地图与不同理论预测,终将判断哪种暗物质模型更符合实际。暗物质的神秘面纱,或许将在对第五维度的探索中,被逐步揭开。