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科學家模擬的暗物質地圖（來源：Tom Abel & Ralf Kaehler/KIPAC/SLAC/AMNH）
暗物質的組成與起源，是現代物理學中最大的謎團之一。在一項發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）的研究中，約翰·霍普金斯大學物理系的博士后托米·騰卡能（Tommi Tenkanen）通過一個巧妙的方程，構造出一個令人驚訝的暗物質模型：早在宇宙大爆炸之前，暗物質就已經出現了。
撰文 | 張華
大爆炸之前
宇宙是由大爆炸產生的。很多人認為宇宙大爆炸發生在時間為0的時刻，其實，這是一個錯誤的觀念。對于宇宙來說，物理上有意義的時間標度不是0，用物理方法能定出的最早的時刻是普朗克時間，也就是10-43秒。
在宇宙的10-36秒，暴脹開始了。而宇宙大爆炸，則始于暴脹結束的那一刻。
宇宙大爆炸的準確含義是指宇宙的“熱大爆炸”。“暴脹結束后發生了熱大爆炸，這時的宇宙以輻射為主，宇宙的大小與時間的1/2次方成正比膨脹。”上海交通大學博士后張佳駿說。
在10-33秒，當可觀測宇宙的大小大概在1厘米左右時，暴脹結束，大爆炸拉開了帷幕。
在托米·騰卡能的論文中，他認為宇宙中的暗物質出現在暴脹之后、熱大爆炸之前的這段時間內。但大爆炸開始的宇宙其實并不熱，因為當時的宇宙根本沒有物質，只是一片真空，真空的勢能很高。而隨著大爆炸的開始，真空的勢能釋放，轉化成為物質。
根據哈勃望遠鏡數據繪制的暗物質地圖（圖片來源：NASA/ESA/Caltech）
暗物質是什么
宇宙中存在暗物質，這已經成為現代宇宙學的常識。暗物質占了宇宙總量的23%左右，根據公認的科學知識，暗物質不參與電磁相互作用，它不會發光，也不與光子相互作用，所以看上去很暗。
暗物質有很多種可能性，但它們也有一些共同點。鄭州大學物理學教授王飛說：“暗物質粒子應該是電中性粒子，而且它要么是絕對穩定的，要么它的半衰期比宇宙的年齡更長。具體暗物質粒子到底是什么，目前有很多理論模型，但還沒有確定。”
暗物質的主要模型之一是所謂的“弱相互作用大質量粒子”（WIMP）模型。這種模型認為暗物質粒子參與的短程力相互作用的截面與弱相互作用接近，而且這種暗物質粒子的質量大約在100GeV到1TeV之間，屬于大質量粒子。
另外一種暗物質候選粒子是“軸子”（axion）。軸子非常輕，它的質量只有1μeV左右。而且它是一個標量粒子，自旋為0。
除了WIMP與軸子，暗物質還有很多其他模型，但它到底是什么一直沒有定論。包括中國的“悟空號”暗物質探測衛星、四川錦屏的“熊貓計劃”在內的全球暗物質探測實驗，至今都沒有確定暗物質粒子到底是什么。
在騰卡能的論文中，他認為暗物質是一種標量場。所謂的標量場就是只有大小，沒有方向的物理場。例如，溫度是一個標量，而全球各地的氣溫就是一個標量場。而在量子物理中，產生基本粒子質量的“希格斯場”也是一個標量場。
騰卡能假設的這種標量場遍布整個宇宙，如果用拉格朗日量來表示這個標量場，那么它具有如下形式：
在這里，等式右側的前半部分表示動能，后半部分表示勢能。動能項中含有場對時間的導數，因此當場隨著時間變化時，這部分能量就很大，容易產生暗物質粒子。而勢能項中，m表示這個暗物質場的質量（注意不是暗物質粒子的質量）。這個m是一個可調的參數，在騰卡能的論文中，這個參數尤其重要。
標量場振蕩產生暗物質
在宇宙早期，描述宇宙膨脹快慢的哈勃參數用H來表示。根據騰卡能論文中的解釋，這個標量場隨著時間的演化方程如下：
這是一個2階的常微分方程，刻畫的是帶有阻力的彈簧的振動方程，其中帶哈勃參數H的那一項表示阻尼。如果H很大，相當于阻尼很大，這時標量場（相當于彈簧）是振蕩不起來的，因此不能產生暗物質。從前面介紹的拉格朗日量可以看出，如果場隨著時間變化，導數就比較大，這就好比在一個湖面上，如果有波動，就容易產生水花；但如果湖面是靜止的，即使湖面的水位很高、勢能很大，也不會有水花。
那么，如何才能讓這個標量場振蕩起來呢？答案也是顯而易見的，那就是減少阻尼項。換句話說，就是減小哈勃參數H。
當宇宙發生暴脹時，H基本保持不變，這時宇宙膨脹的速度非常快，而且這個速度是基本恒定的。真正的千鈞一發的瞬間是暴脹結束的時候，H迅速變小。對整個彈簧振動的方程來說，這相當于阻尼可以忽略。所以，暴脹結束時，阻尼趨向于零，標量場就好像彈簧發生簡諧振動一樣振蕩起來，暗物質粒子也就源源不斷產生出來。這些暗物質構成了現在宇宙中物質的主要部分。
騰卡能的論文論證了這個簡單的標量場模型可以產生暗物質，而且這些暗物質只參與引力相互作用。并且，只要調整參數m，這一過程產生的暗物質可以符合已經觀測到的宇宙微波背景實驗。
暗物質是現代物理學中巨大的謎團之一。暗物質可能在大爆炸之前已經存在的觀點并不是騰卡能首創的，但騰卡能的創新之處在于，構造如此簡單的標量場來解釋暗物質。盡管人們對暗物質的起源知之甚少，但如果暗物質產生于宇宙大爆炸之前，而且可以用如此簡單的“彈簧方程”來描述，這也不失為一個成功：我們至少了解了暗物質是什么時候產生的、它到底應該用什么樣的物理場來描述，這無疑是很有價值的工作。
暗物質不是宇宙大爆炸的遺骸，也許它是宇宙大爆炸的導火索。
原始論文鏈接
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編輯：Shiny
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