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達夫觀察 暗物質重量被科學家縮小數萬億倍？有望揭示宇宙存在某種未知力量

達夫觀察 暗物質重量被科學家縮小數萬億倍？有望揭示宇宙存在某種未知力量

科學家們終于弄清楚了暗物質到底有多重 ， 暗物質是一種幾乎難以察覺的物質 ， 據說暗物質能拖拽一切 ， 卻不發光 。 這一新的研究 ， 有助于確定它的粒子可能有多重 ， 也有助于了解這種神秘物質到底是什么 。 這項研究大幅縮小了暗物質粒子的潛在質量范圍 ， 從估計的10^ - 24電子伏(eV)到10^19億電子伏(GeV)之間 ， 到10^ - 3電子伏到10^7電子伏之間——其可能的質量范圍比以前縮小了數萬億倍 。

英國薩塞克斯大學物理學和天文學教授澤維爾·卡爾梅指出 ， 這一發現可能有助于暗物質研究者將精力集中在粒子質量的指示范圍內 ， 或者也可能揭示某種未知力量如何在宇宙中起作用 。 卡爾梅教授和同樣來自薩塞克斯大學的博士生福克特·庫珀斯在一項新研究論文中描述了他們所做的努力 ， 據悉 ， 該論文準備發表在《物理快報B》上 。
1、什么是暗物質?
據某些估計數據 ， 暗物質約占宇宙所有物質的83% ， 人們認為它只能通過重力與光和普通物質相互作用 ， 這意味著只能通過彎曲光線的方式才能看到它 。 天文學家在注視著1930年代的銀河星團時 ， 首次發現了暗物質的最初提示 ， 而在1970年代后 ， 天文學家意識到銀河系比它們原本應該旋轉的更快時 ， 銀河系充斥著大量暗物質并在其中運轉的理論成為主流 ， 特別是考慮到其中包含許多不可見物質時 。
暗物質粒子的可能候選者 ， 包括幽靈般微小的粒子 ， 即中微子 ， 理論上黑暗、寒冷的粒子 ， 即軸子 ， 以及被提出的弱相互作用大質量粒子 ， 即WIMPs 。 卡爾梅教授認為 ， 新的質量界限可能有助于消除其中的某些候選物質 ， 這取決于具體暗物質模型的細節 。
【達夫觀察|暗物質重量被科學家縮小數萬億倍？有望揭示宇宙存在某種未知力量】2、量子引力
暗物質重量被科學家縮小數萬億倍？有望揭示宇宙存在某種未知力量 。 科學家們所知道的是 ， 暗物質似乎只通過引力與光和正常物質相互作用 ， 而不是通過任何其他基本力；因此 ， 研究人員利用引力理論得出了他們對暗物質粒子質量的估計范圍 。 重要的是 ， 他們使用了量子引力理論的概念 ， 這導致了一個比先前僅使用愛因斯坦的廣義相對論的估計狹窄得多的質量范圍 。 卡爾梅教授在一封電子郵件中指出：“我們的想法很簡單 ， 令人驚訝的是 ， 人們以前從來沒有想到過這一點 。 ”愛因斯坦的廣義相對論是建立在經典物理學的基礎上的；它完美地預測了引力在大多數時間是如何工作的 ， 但在量子力學效應變得顯著的極端情況下 ， 比如在黑洞的中心 ， 它就“崩潰”了 。

另一方面 ， 量子引力理論試圖通過量子力學來解釋引力 ， 量子力學已經可以描述其他三種已知的基本力——電磁力 ， 將大多數物質凝聚在一起的強力 ， 以及導致放射性衰變的弱力 。 然而 ， 目前還沒有一個量子引力理論有強有力的證據來支持這一點 。 卡爾梅教授和庫珀斯博士利用廣義相對論的值 ， 估計了暗物質粒子的質量下限 ， 并利用量子引力理論預測的暗物質粒子壽命估計了暗物質質量的上限 。 據悉 ， 廣義相對論值的性質也定義了上限的性質 ， 因此他們能夠推導出一個獨立于任何特定的量子引力模型的預測數字 。
卡爾梅教授強調 ， 這項研究發現 ， 雖然量子引力效應通常幾乎無關緊要 ， 但當一個假設的暗物質粒子需要非常長的時間才能衰變 ， 以及當宇宙大約和現在一樣古老（大約138億歲）時 ， 量子引力效應就變得重要起來 。 物理學家先前估計暗物質粒子比“普朗克質量”還要輕 ， 但要比10^-24ev重 ， 才能與已知包含暗物質的最小星系的觀測結果相吻合 。 但直到現在 ， 很少有研究試圖縮小暗物質的這個質量范圍 ， 盡管在過去30年里 ， 在理解量子引力方面取得了巨大進展 ， “在以前 ， 人們根本沒有研究過量子引力對暗物質的影響 。 ”
3、未知力
通過借助量子引力理論 ， 科學家進一步大范圍縮窄暗物質的質量范圍 。 卡爾梅教授透露 ， 暗物質粒子質量的新界限 ， 也可以用來測試引力是否單獨與暗物質相互作用 ， 這是普遍的假設理論 ， 或者暗物質是否受到未知的自然力的影響 。 他說道：“如果我們發現一個質量超出我們論文討論范圍的暗物質粒子 ， 我們不僅會發現暗物質 ， 而且還會有強有力的證據表明……除了引力之外 ， 還有一些新的力量作用于暗物質 。 ”

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