新研究表明，我们的宇宙中可能还存在一个原子未能形成的黑暗宇宙

我们的宇宙中存在着一种神秘的物质，它不会发光，也不会与我们熟悉的物质相互作用，但它却占据了宇宙质量的绝大部分。这种物质就是暗物质，它是宇宙学和粒子物理学中最大的谜团之一。科学家们只能通过它对周围物质的引力效应来间接地探测它的存在，比如影响星系的旋转速度和宇宙结构的形成。但是，暗物质究竟是什么，它是如何产生的，它是否有自己的复杂性，这些问题都还没有答案。

一种新的理论尝试了一种大胆的想法，它认为暗物质的世界其实是我们物质世界的一个镜像，只是其中的一些物理规则被打破了。这种理论不仅可以解释为什么暗物质和普通物质的数量相当，还可以预测暗物质的一些新的性质，为未来的实验提供了线索。这项研究于 2024 年 1 月 22 日在物理学预印本网站 arXiv 上发表。

在我们的物质世界中，有四种基本的物理相互作用，分别是引力、电磁力、强力和弱力。它们决定了物质的结构和行为，从原子到星系，无所不包。在这种新的理论中，研究人员假设，暗物质的世界中也有这四种相互作用，只是它们的强度和细节有所不同。换句话说，暗物质的世界是我们物质世界的一个镜像，但是镜子是扭曲的，反映出不同的物理现象。这种对称性被称为暗-明对称性，它是自然界中的一种新的基本对称性，连接着两个看似不相干的物质世界。

这种对称性可以很好地解释一个长期困扰科学家的问题，那就是为什么暗物质和普通物质的数量相当。根据目前的观测，宇宙中每 1 千克普通物质，就有大约 5 千克暗物质。这个比例看起来很随意，但是如果它稍微有一点变化，宇宙的结构就会完全不同。如果暗物质太多，它的引力就会过早地让宇宙塌缩；如果暗物质太少，它的引力就不足以让宇宙形成星系和星团。那么，为什么暗物质和普通物质的数量会如此接近呢？这是否是一个巧合，还是有某种深层的原因？

在暗-明对称性的理论中，这个问题有了一个自然的答案。研究人员认为，暗物质和普通物质的数量之所以相当，是因为它们有着共同的起源。在宇宙大爆炸之后的极短时间内，两种物质都是由一种统一的场产生的，这种场被称为暗-明场。随着宇宙的膨胀和冷却，这种场发生了对称性破缺，就像水从液态变成固态一样，产生了不同的相态。这些相态就是我们现在看到的暗物质和普通物质，它们保持着原来场的对称性，因此它们的数量也相当。

这种理论还可以解释另一个看似巧合的现象，那就是为什么中子和质子的质量几乎相同。中子和质子是构成原子核的粒子，它们是由更小的粒子，夸克和胶子，通过强力结合在一起的。中子和质子的质量主要来自于夸克和胶子的运动能量，而不是它们的静止质量。如果夸克和胶子的运动能量有所不同，中子和质子的质量就会有很大的差别。这对我们的物质世界有重要的影响，因为正是中子和质子的质量相近，才使得它们能够稳定地结合在一起，形成各种元素。如果质子的质量比中子大得多，它就会很快衰变成中子，导致宇宙中只有一种元素，氢。如果质子的质量比中子小得多，它就会很容易被中子俘获，导致宇宙中只有一种元素，氦。在这两种情况下，我们熟悉的化学世界都将不存在。

那么，为什么中子和质子的质量会如此接近呢？这是否也是一个巧合，还是有某种深层的原因？在暗-明对称性的理论中，这个问题也有了一个自然的答案。研究人员认为，中子和质子的质量之所以相近，是因为它们受到了暗物质的影响。在这种理论中，暗物质的世界中也有类似于中子和质子的粒子，被称为暗中子和暗质子，它们是由暗夸克和暗胶子组成的。暗中子和暗质子的质量也主要来自于暗夸克和暗胶子的运动能量，而不是它们的静止质量。由于暗-明对称性，暗中子和暗质子的质量会影响中子和质子的质量，反之亦然。这种相互影响使得中子和质子的质量趋于一致，从而保证了我们物质世界的稳定性。

但是，这种相互影响也会导致一个有趣的结果，那就是在暗物质的世界中，暗中子和暗质子的质量不再相近，而是有很大的差别。这意味着，在暗物质的世界中，暗中子和暗质子不能稳定地结合在一起，形成各种元素。相反，暗物质的世界中只有一种元素，暗氢，它由一个暗质子和一个暗电子组成。这种暗氢是非常不稳定的，因为暗质子会很快衰变成暗中子，从而使暗氢失去了它的正电荷。没有了电荷，暗氢就不能通过电磁力与其他暗氢相互作用，只能通过引力和弱力与其他暗物质相互作用。这就导致了暗物质的世界非常简单和单调，没有复杂的化学和物理过程，只有一片由暗中子和少量暗氢组成的海洋。

这种理论的一个有趣的推论是，暗物质的世界中可能存在一种稀有的暗元素，暗氦，它由两个暗质子和两个暗中子组成。这种暗氦是非常稳定的，因为它的暗质子被暗中子包围，从而阻止了它们的衰变。暗氦的存在可以为我们探测暗物质提供了一个新的途径，因为它可以通过电磁力与普通物质发生微弱的相互作用，从而产生一些可观测的信号。研究人员估计，暗氦的丰度大约是暗物质总量的千分之一，这意味着它在宇宙中仍然很少见，但不是不可能找到。

这种理论还可以预测一些暗物质的其他性质，比如它的质量、自旋和衰变方式，这些都是未来实验的重要参数。研究人员指出，这种理论与目前的观测数据是一致的，但也可以被未来的观测数据证实或否定。如果这种理论被证实，那么我们就可以窥探到暗物质的镜像世界，揭开宇宙的一个重要的秘密。