第五维度和暗物质的秘密，或许隐藏在引力波之中

自引力波第一次在探测器中被捕捉到时，除了验证了爱因斯坦的预言之外，所有人都意识到，引力波天文学时代的到来将带给我们无限的可能性。引力波的发现不仅成为了检验广义相对论的强有力工具，而且为物理学家验证一些依旧停留在理论上的奇思妙想带来了新希望，比如时间旅行和额外维度等等。

下面，我们就来看看两项跟引力波相关的最新研究进展：

1. 我们离找到第五维度更近了吗？

在Madeleine L'Engle的经典小说《时间的皱折》中描述了几位人物如何利用隐藏的第五维度从一个地方穿梭到另一个地方。无论是在书中或是即将上映的电影中，这种旅行方式都更偏向于科幻，而非科学。

○ 电影《时间的皱折》将在今年3月份上映。

宇宙只有四个维度（三维空间+一维时间）是我们所熟悉的，这也符合爱因斯坦的广义相对论——目前描述引力的最好理论。但是，有一些科学家试图对爱因斯坦的引力理论进行修正，而在一些特定的模型中的确预言了额外维度的存在。这些额外的维度会影响引力的运作方式，因此能够解释为什么引力的强度要弱于其它三种基本力（电磁力和两种核力）。

但是，我们要怎么探测额外的维度呢？其中一个方法就是分析2017年由LIGO和Virgo联合观测到的双中子星合并事件中辐射出的引力波的数据。

在日常生活中，我们只能感受到空间中的三维（上下、左右、前后）和时间维度；如果第五维存在，那么它也肯定很好的隐藏了自己。这使得我们必须进入非常小的尺度（粒子物理学和弦理论的领域）或非常大的尺度（LIGO可探测的范围）才能够找到它们的痕迹。

我们知道宇宙正在膨胀，而且是加速膨胀。导致加速膨胀的幕后推手被称为“暗能量”。有一些物理学家认为宇宙中或许有一个或多个额外的维度只有在非常大的尺度下才能显现，并且导致了宇宙的加速。在这些理论中，光和物质被限制在我们所熟悉的四维中，但是引力却可以“侧漏”进其他的维度。因此，当我们看的越远的时候，引力会变得稍微弱一点，但光不会受到额外维度的影响。

问题是，我们很难在非常大的尺度下检验引力。但是，引力会产生引力波——在时空中以光速传播的涟漪。1.3亿年前，当时的地球正被恐龙统治，第一朵花也刚刚演化，在遥远的深空中两颗中子星相遇并产生了引力波。经历了漫长时间的旅行，该引力波于2017年被LIGO和Virgo同时探测到。此外，其它的望远镜也观测到了此次合并辐射出的光，这意味着天文学家可以用两个不同的方式去研究同一事件。

如果引力会侧漏到额外的维度中，那么观测到的引力波的振幅会被削弱。这会使辐射源看起来好像是在更遥远的位置，就好比是微弱的光线可能是来自暗淡的手电筒，又或者来自遥远明亮的光源。光信号的亮度和引力波信号的强度是两种测量合并的中子星的距离的不同手段。

○ 图片来源：THE DAILY BEAST

1月24日，研究人员将他们的结果发表在arXiv[1]，结果显示：(引力波的光度距离)=(光的亮度距离)^γ，这里γ = (D-2)/2 = 1.01 或 0.99，也就意味着引力波是在 D = 3+1 时空维度中传播，再次验证了广义相对论。

这是否意味着第五维度并不存在？论文的第一作者Kris Pardo表示：“这个结果并不一定就排除了额外维度，比如弦理论。” 弦理论预言了在宇宙中还存在了七个额外的维度，并卷曲起来，这些卷曲维度的直径比原子核还小。因此无法在引力波中显示出可观测的效应。又或者，正如Pardo在论文中指出，如果额外维度的大小要高于6.5亿光年，那么也超过了LIGO所能测量的范围。也就是说，宇宙中依旧可能存在非常大的额外维度，只是LIGO和Virgo都还没有达到他们巅峰状态。在他们进一步升级后，所能探测到的距离是现在的10倍，意味着未来检验额外维度是否存在的精确度也将提升10倍。

无论如何，宇宙中是否有额外维度，引力波将或许是找到答案的关键。

接下来我们要讲的一项新研究则跟还未发现的“原初引力波”有关。

2. 扭曲的引力波会产生暗物质吗？

根据粒子物理学的标准模型，在宇宙大爆炸之后应该产生等量的物质和反物质。可事实是——反物质在宇宙中无处可寻。解开反物质的失踪之谜，或许能帮助我们找出另一个未解的谜团——暗物质。而解决的办法就涉及到一个与引力波有关的跌宕起伏的故事。

物理学家认为在最初的过程中，物质的产生会稍稍多余反物质。当物质与反物质相遇时便会湮灭。因此多余的物质就形成了我们现在看到的恒星和星系。但这种正反物质的不对称性是如何发生的呢？

在之前的众多备选答案中，其中一种涉及到中微子粒子，它有一个叫做“手性（chirality）”的性质，这是一个用来描述中微子扭曲方式的术语。一般来说，粒子既可以是左手性也可以是右手性的，但中微子只有左手性。

布朗大学的物理学家 Evan McDonough 受此启发，他想到如果这种手性的不对称性不仅限于粒子的话，会发生什么？他发现如果婴儿时期的宇宙中的产生的引力波具有偏向手性的话，那么这也可能导致物质多余反物质。 McDonough 解释说：“产生手性引力波的机制有很多，所有的这些机制都能导致物质-反物质的不对称。” （宇宙早期产生引力波被称为“原初引力波”，至今还未被观测到，1月19日，中国的科学家在《物理评论快报》发表了一篇关于一类独特的暴胀模型产生的原初引力波信号有望在将来被LIGO探测到[2]。）

○ 引力波是左手性还是右手性？| 图片来源：Henze/NASA

这使得 McDonough 与其他两位合作者怀疑[3]，同样的物理机制是否能被用来解释暗物质。我们知道暗物质是宇宙中的一种“隐形”的质量，虽然到目前为止还为发现它们的踪迹，但有许多观测证据都表面它们是真实存在的。

几十年来，物理学家一直认为大质量弱相互作用粒子（WIMP）是暗物质最受欢迎的候选者。这是超对称理论的产物，该理论预言了所有已知粒子都有更重的伙伴粒子。但迄今为止所有对超对称或者说WIMP的搜索均以失败告终。

为了知道他们是否能以不同的方式接近暗物质，这一团队建立了一个统一模型。在模型中，原初宇宙存在了一种被称为“暗物质夸克”的粒子，这与目前我们所了解的暗物质不同。如果这些粒子具有与中微子类似的手性，那么它们将与这种手性的引力波相互作用，从而产生目前在宇宙中的这种暗物质。

就像物质和反物质一样，在暗夸克和反暗夸克之间也存在着一种不对称性，这导致宇宙最终只剩下一小部分的暗夸克。当宇宙冷却下来时，暗物质夸克会凝结成一种奇怪的物质态——超流体。这能形成一种至今仍然存在的背景场。就像我们把光子看作是电磁场的激发一样，这个场的激发将类似于暗物质粒子。

根据他们的计算，这种暗物质粒子比WIMP要轻得多，而且不会与普通物质相互作用。它们比WIMP更弱。因此，这些粒子仍是不可能被直接观测到的。但它们在宇宙尺度上的表现与WIMP不同。例如，与WIMP相比，这种暗物质粒子在整个星系中的分布会更均匀，而且在小尺度上，它们不会像WIMP那样出现聚集。此外，整个宇宙中的暗物质与普通物质之比也可能不是恒定的。因此不同部分的宇宙组成也可能不尽相同。

这些特征或许可以让我们发展出找到暗物质的新方法。例如，暗物质的均匀分布会在宇宙微波背景中产生一个迹象，即从大爆炸中剩下的辐射，或者影响星系团等大尺度结构的形成。

总而言之，这是一个很酷的想法，将许多概念都结合在一起。

我们期待将来能够尽快的探测到原初引力波，也希望未来更多的黑洞或中子星间的合并事件能够为我们解决一些深奥的基本问题提供新的洞见。

扩展阅读：《生命、宇宙和万物——42个基本大问题》

参考文献：

[1] https://arxiv.org/pdf/1801.08160.pdf

[2] https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.120.031301

[3] https://arxiv.org/pdf/1801.07255.pdf