□作者: George Musser
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單個暗物質粒子的尺度可能有數光年那麼大嗎？
像NGC3109這樣的小型星系，比起物質自由成團情況下還要少見和松散，這或許是作為宇宙“丟失質量”候選者的巨大粒子的不成團所致。
1996年，《探索》雜志刊出了一則愚人節消息，聲稱一種叫做“巨子”(bigon)的巨型基本粒子的存在是所有無法解釋的現象的原因。現在，作為一個生活模仿藝術的事例，一些物理學家提出,宇宙中神秘的暗物質是由非常大的粒子組成，其尺度有數光年之巨甚至更大。在這些巨大粒子踫撞的包圍中，普通物質就像 在恐龍的巨足間上竄下跳那樣竭力維持自身的存在。
這個觀點源于解釋有關暗物質的一個令人費解的現象︰雖然暗物質在大尺度上成團，形成了諸如星系團等集群，但是它似乎在小尺度上拒絕聚積成團。天文學家注意到，少數遙遠的小星系和亞星系氣雲比星系團得來的簡單推論可能更有啟發意義。因此，很多科學家提出構成暗物質相互作用的粒子類似氣體中的分子，會產生平衡引力的壓力。
巨型粒子假說還有另一個成功之處。它利用任何量子化粒子的固有特性來反抗禁閉，而不是去增加暗物質粒子新屬性。如果你擠壓粒子，你減少了它的位置不確定性的同時卻增加了它的動量不確定性。結果，擠壓增大了粒子的速度，從而產生了壓力來抵消你施加的外力。超過與粒子等效波長可比擬的距離時，量子禁閉將變得重要。抵抗引力似乎需要一個數十光年的波長。
什麼類型的粒子能有天文學尺度呢？恰巧，物理學家預言了很多其對應粒子能夠滿足要求的能量場——也就是所謂的標量場。這種場在粒子物理標準模型和弦理論中均有出現。雖然實驗物理學家仍需尋找它們當中的任意一種，但理論物理學家確信它們真實存在著。
宇宙學家已經將宇宙暴漲和可能導致現在宇宙加速膨脹的暗能量（不同于暗物質）原因歸于標量場。如此說來，這樣的場真實有效是因為它是愛因斯坦宇宙常數最簡單的推廣。如果一個標量場緩慢變化，它就好似一個常數，不但數值固定而且沒有方向性；相對論預言它將產生出萬有斥力。但是如果場足夠迅速變化或者振蕩，它就會如一般物質或者暗物質那樣產生萬有引力。早在1960年代，物理學家就提出應對標量粒子組成的實體予以考慮。這一觀點在1980年代後期復甦，但是僅僅4年前它才開始被真正接受。
兩位項目領導者是墨西哥城高等研究中心的Tonatiuh Matos Chassin和Guanajuato大學的Luis Urena Lopez。今年6月，在古巴的Las Villas中央大學 (UCLV)的討論會上，他們描述了標量粒子如何復現星系內部結構︰當這種粒子在星系尺度上集聚成團時，他們交疊形成玻色-愛因斯坦凝聚物,這是過去10年間實驗物理學家所創建的低溫原子團塊的超大型版本。凝聚物具有與那些真實星系相匹配的質量和密度輪廓。
暴漲、暗能量和暗物質都被擺在了標量場的門前，這意味著它們可能相互關聯。UCLV的Israel Quiros在討論會上指出同樣的場可以導致暴漲和暗能量。其他物理學家已經試圖在兩種暗能量之間尋找聯系。“正如年長的同事經常跟我說的,‘你只能引入先驗假定一次’” 而Vanderbilt大學的Robert Scherrer則說︰“現在我不得不同時使用兩次︰我們需要假定一個尚未發現暗物質粒子和一個暗能量的未知來源。”我的模型設法用單一的場來解釋兩者。
但是所有這些模型都遇到了一個棘手的問題。因為粒子的波長和它的質量成反比，所以天文尺度對應著一個極度有悖常理的微小質量，大約是 電子伏特（與此相對比，質子質量為109電子伏特）。這就需要物理定律包含一個至今未被發現的對稱性。“這樣的對稱性是可能的，雖然它們看起來有些人為的痕跡。”美國芝加哥大學物理學家Sean Carroll說。此外，設定超大粒子的主要動機——它們阻止成團現象——現在已經不那樣令人矚目了，以至于宇宙學家發現了更加平常的過程(如恆星形成)就可以巧妙地解決這個問題。盡管如此，當物理學家尋求對暗物質的神秘性做出某些解釋時，不可避免地會浮現出一些偉大的遐想。
[張旭/譯 曾少立/校]
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