科学家：这种神秘的物质，应该来自第五维度

提到暗物质，相信大家都不陌生，简单来讲，暗物质就是存在于宇宙中的一种不可见的神秘物质，虽然我们无法直接看到它们，却可以观测到其产生的强大引力，如果没有这种引力，那些高速旋转的星系都会分崩离析，宇宙的大尺度结构也无法形成。

几十年来，科学家一直在试图探索暗物质的本质。在一项发表在《欧洲物理学杂志C》上的研究中，科学家得出了一个新的观点，即：这种神秘的物质，应该来自第五维度。下面我们来看看这具体是怎么回事。

第五维度的想法由来已久，早在上世纪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）上增加一个维度，试图以此来统一引力和电磁力。

但问题是，如果第五维度真的存在，它在哪呢？我们为什么感觉不到？当时的解释是，它“卷曲”在了一个极为微小的尺度上，以至于我们根本无法察觉。

到了1999年，物理学家丽莎·兰德尔（Lisa Randall）和拉曼·桑德鲁姆（Raman Sundrum）又提出了一个新模型。

他们认为，为什么额外维度非要“小”呢？它完全可以是无限大，甚至是“扭曲”的。

在这种“扭曲额外维度”模型中，我们所知的这个包含所有粒子和除引力外所有基本力的四维时空——并不是全部，更像是一层“膜”（Brane），“漂浮”在一个更高维度（五维）的“体”（Bulk）中。

这个设想最精妙的地方在于：它规定，构成我们和我们周围一切的粒子（如电子、夸克）以及传递力的粒子（如光子），全都被“粘”在这张四维的“膜”上，无法逃脱。

唯一的例外是引力，因为引力是时空本身的弯曲，它天生就可以在整个五维“体”中自由穿梭。

这个理论一经提出就引起了大量关注，因为它优雅地解释了物理学中一个巨大的谜团——等级问题：为什么引力与其他三种基本力（电磁力、强核力、弱核力）相比，会弱得如此离谱？

答案就是：引力并没有那么弱。只是它的大部分“力气”都“稀释”到了那个广阔的五维“体”中，只有一小部分作用在了我们这张“膜”上。所以我们感受到的引力，才显得如此的弱。

实际上，此次研究的内容，就是根据这个理论去解决暗物质问题。

在此次研究中，科学家通过严谨的数学方法推算出，如果第五维度真的存在，那么在这个“扭曲额外维度”中，就存在一种全新的费米子。

所以一个合理的推测就是：

• 我们的“膜”上存在着标准模型的粒子，它们构成了我们所见的世界。
• 那个广阔的五维“体”中，并非空无一物，那里也存在着其他的费米子，我们可以称之为“体费米子”（Bulk Fermions）。它们和我们的电子、夸克本质上是同类，只是“住”的地方不一样。
• 因为这些“体费米子”存在于“体”中，它们根本不和我们的光子、电子发生任何关系，所以它们对我们来说是完全透明和不可见的
• 但是，它们有质量，会产生可以跨越维度的引力
• 这种“体费米子”，很可能就是我们苦苦寻找的暗物质。

我们可以将其简单地理解为，所谓的暗物质，可能就是一种费米子，只不过，它们存在于“隔壁”——那个我们感知不到的第五维度。那么问题就来了，这个理论可以被证实吗？

对此，科学家表示，如果第五维度真的存在，并且在宇宙极早期经历过某些剧烈的“相变”（比如“体费米子”的产生过程），就会在时空中激起巨大的“涟漪”——引力波。

由于这种引力波的特征将非常独特，是标准宇宙学模型无法产生的，因此它们就会成为来自第五维度的“回声”，至今仍然在宇宙中传播，未来，像LISA（激光干涉仪空间天线）这样的空间引力波探测器，或许发现它的踪迹。

另一方面，不同类型的暗物质，它们在宇宙中“抱团”的方式是不同的。这种“体费米子”暗物质，它在宇宙大尺度结构（比如星系团的分布）上留下的“指纹”，会与传统的WIMP模型截然不同。

而随着韦布空间望远镜和维拉·鲁宾天文台等新一代巡天设备投入使用，我们正在以前所未有的精度绘制宇宙地图，通过对比这些“地图”和不同理论模型的预测，我们也应该能分辨出，究竟是哪种暗物质模型更符合实际情况。

参考资料：A warped scalar portal to fermionic dark matter. Eur. Phys. J. C81, 58 . doi.org/10.1140/epjc/s10052-021-08851-0