神秘的“鏡像世界”操控著宇宙：一個里外翻轉的黑洞

“暗物質”研究的兩個新假說。

暗物質在宇宙中的分布。圖中是阿貝爾520星系團的核心區(qū)。藍色區(qū)域是星系團內質量最大的部分。這些質量的大部分是由暗物質提供的。

NASA / ESA / CFHT / CXO

有科學家提出了新假說，認為所謂的“暗物質”可能而是由神秘“鏡像暗區(qū)”里的“暗重子”坍縮而成的微型黑洞，或是“宇宙視界”上某種霍金輻射產生的。

當前暗物質的最佳候選者是所謂的“弱相互作用大質量粒子（WIMP）”。但尋找這種粒子的努力無一不以失敗告終。而加州大學理論物理教授斯特凡諾·普羅夫莫（Stefano Profumo）新近創(chuàng)建的兩個模型，從極為不同的視角，對暗物質之謎進行了審視。

普羅夫莫稱，長期以來人們一直視暗物質為一種粒子，也竭盡全力尋找這種粒子，但始終一無所獲。他認為可能需要從更宏觀的層面來看待這個問題，或許我們思考這個問題的根本方法是錯誤的。

普羅夫莫在一篇論文中提出了“暗區(qū)（dark sector）”的概念，并認為這可能與暗物質有關。所謂暗區(qū)并非指我們宇宙如何被暗物質和暗能量主宰，而是認為宇宙中存在一個由我們無法體驗的力結合在一起的粒子組成的“鏡像世界”。

普羅夫莫認為，這一概念其實并沒有聽起來那么奇怪。構成質子和中子的夸克，是通過強互作用力結合在一起的。但是電子無法感知到強互作用力。在這里，強互作用力就是電子的暗區(qū)。此類現象在標準模型中很常見。

假說中的“暗重子”相當于暗區(qū)中的質子和中子，但它們可能包含三個以上的夸克，因此質量更大。暗重子的質量可能會大到發(fā)生自我坍縮，變成微型黑洞。這些微型黑洞可能在宇宙中大量存在，共同構成了我們所說的暗物質。

黑洞周圍存在所謂的“視界”，視界內部引力極強，連光也無法逃脫。然而，“視界”本身卻是“熱”的——量子效應會導致其邊界處形成粒子對，一個落入黑洞，另一個逃逸到外部。這就是所謂的“霍金輻射”。

霍金輻射會緩慢消耗黑洞質量。超大質量黑洞需至少101??年才能蒸發(fā)完，遠超宇宙理論上的壽命；而普朗克尺度——亦即理論上最小的微型黑洞，則有可能在宇宙存續(xù)期間蒸發(fā)殆盡。

但是如果對暗重子黑洞的特性做作出一些界定，其霍金輻射就有可能在特定的條件下被抑制，它就能夠成為暗物質的候選者。

此外普羅夫莫還提出了另一個基于霍金輻射的暗物質理論，但角度迥異。

宇宙演化史和宇宙視界位置示意圖。發(fā)生在早期宇宙視界處的量子效應可能制造出了暗物質。

Stefano Profumo

由于我們的宇宙在加速膨脹，來自超過特定距離遠的宇宙的光永遠無法到達地球。這就形成了一個可稱為“宇宙視界（cosmic horizon）”的邊界，亦即可觀測宇宙邊界。宇宙視界外部可能存在著更多更大的宇宙，但我們卻永遠也無法看到。

讓我們回溯宇宙大爆炸的最初時刻。宇宙始于被稱為暴脹的擴張性能量爆發(fā)。暴脹只持續(xù)了極短的一瞬（遠不足一秒）。而部分理論模型認為，在這次暴脹之后還發(fā)生了第二次短暫的擴張性能量爆發(fā)。

普羅夫莫認為這是一次微型暴脹，其發(fā)生的方式可能與第一次暴脹結束的方式有關，也有可能就是以與第一次暴脹相同的方式發(fā)生的。

第二次暴脹創(chuàng)造了所謂的宇宙視界。

今天的可觀測宇宙直徑達930億光年（以地球為中心），且高度依賴觀測者——觀測者在宇宙不同區(qū)域會看到以自身為中心的不同可觀測宇宙。可觀測宇宙的龐大身型同時也意味著宇宙視界處的溫度已經變得極低——因為空間本身已經極度擴展了。

但是在第二次暴脹期間，宇宙的體積依然很小，密度依然很高，視界處的溫度也依然極端熾熱。

普羅夫莫意識到，這些早期的宇宙視界，與黑洞的視界極為相似。它們就像是內外翻轉的黑洞——宇宙視界外部的一切與我們永遠失聯，就像是黑洞視界內部的一切與我們永遠失聯一樣。

因此普羅夫莫認為，就像霍金輻射會在黑洞的視界處發(fā)生一樣，類似的現象也會在宇宙的視界處發(fā)生。而這種霍金輻射的能量可能會轉化為某種“暗物質”粒子進入宇宙內部。

這結論看上去可能有些草率，因為宇宙視界的位置取決于觀察者的位置。然而由于宇宙在最大的尺度上是均勻的，且具有各向同性——至少目前是普遍這么假設的，那么任何兩個觀察者無論身處宇宙的何處，理論上都會有數量相等的暗物質出現在他們的視野里。這就好比宇宙是一個里外翻轉的黑洞，而每個觀測者就是這個黑洞的中心。

普羅夫莫表示，他并不認為暗物質的真相就只有這兩種可能性。其提出兩個版本理論的目的，只是想表明研究暗物質需要從盡可能宏觀的層面來進行，并在具體的探測中撒下盡可能大的網。

目前人類對暗物質的唯一確定的認知，是它會通過引力影響這個世界。它很神秘，但是它卻主宰著宇宙。然而我們對它的了解卻一直停滯不前。或許方向真的錯了？

參考 Dark baryon black holes https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.111.095010 Dark matter from quasi–de Sitter horizons https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/vmw2-4k77