暗物质,或许可以是种超流体?

摘要:有些我们不知道的东西在做着我们不知道的事情。--阿瑟·爱丁顿80多年前,天文学家 Fritz Zwicky 在研究星系团的时候发现,为了防止单个星系从一个巨大的星系团中逃脱,就必须存在着大量看不见的

有些我们不知道的东西在做着我们不知道的事情。

--阿瑟·爱丁顿

80多年前,天文学家 Fritz Zwicky 在研究星系团的时候发现,为了防止单个星系从一个巨大的星系团中逃脱,就必须存在着大量看不见的物质提供额外的引力来源。这些看不见的物质被称为暗物质。几十年后,Vera Rubin 和 Kent Ford 利用暗物质来解释为什么星系自身没有分崩离析。

△ 暗物质的发现者。(图片来源:Sandbox Studio)

尽管在这两种情况下,我们都用了“暗物质”来解释,但我们并不清楚是否是同一样东西在起作用。最简单又最流行的模型认为,暗物质是由移动缓慢的弱相互作用的粒子构成的。这种所谓的“冷”暗物质在解释大尺度结构(比如星系团)时,表现的非常好。但是,它在单独星系的旋转曲线预测上,与观测结果的吻合度并不高。如此看来,在星系尺度下,暗物质的行为似乎不太一样。

为了解决这个难题,物理学家 Justin Khoury 和 Lasha Berezhiani 认为,在寒冷、高密度的环境下,暗物质会凝聚成超流体--一种具有零粘度的奇异物质的量子态。如果暗物质在星系尺度下形成超流体,就能产生一种新的力来弥补冷暗物质模型与观测之间的不符。但是,在星系团的尺度下,形成超流体状态所需的特别条件并不存在,因此暗物质的行为就如传统冷暗物质一样。

△ 左边:巨大的星系团之所以能够束缚在一起是因为暗物质提供了额外的引力。在星系团中的暗物质粒子的运动比较随机。右边:单独星系也需要额外的力才能维持,否则星系早就分崩离析。但是普通的暗物质模型无法完美地解释这个力。一个稠密的星系晕中的暗物质可以被凝聚成超流体。而这个超流体可以提供额外的力。(图片来源:Lucy Reading-Ikkanda)

如何形成超流体?

超流体在地球上并不常见。直到1938年,物理学家才开始在实验室中制造出超流体。当粒子冷却到足够低的温度时,它们的量子本质就开始显现:粒子的物质波会散开并相互重叠,最终共同协调表现得就像是一个巨大的“超级原子”;它们会开始相干,就像是激光中有着相同能量和相同振动得光粒子。现在,即使是本科生也能在实验室中制造出这种所谓的玻色-爱因斯坦凝聚(BECs),其中很多都可以被分类为超流体。

最近,越来越多的人开始接受在太空中的极端条件下产生超流体相的可能性。一些物理学家认为超流体或许存在于中子星之内,还有一些物理学家怀疑时空本身就是超流体。那么,为什么暗物质不可以有超流体相呢?

要使一大堆的粒子形成超流体,需要两个关键步骤:将这些粒子打包在一起使其具有很高的密度,再将它们冷却至极低的温度。在实验室中,物理学家将粒子困在电磁阱中,并用激光将它们的动能移除,把温度降低到刚好略微在绝对零度之上。

在星系内,电磁阱的角色由星系的引力担任。在引力的作用下,暗物质会被挤压在一起以满足所需的高密度。温度的要求则更容易实现:太空本身就是低温的。

在星系晕之外,引力的作用较弱,暗物质无法被打包在一起形成超流体态。它们就会表现的像传统认为的暗物质那样,这符合天文学家在大尺度所看到的现象。

△ Justin Khoury,宾夕法尼亚大学的物理学家。(图片来源:Perimeter Institute)

但是,暗物质是超流体有什么特别的吗?这个特别的态是如何改变暗物质的行为的?近些年来,科学家提出了一些类似的理论,但 Khoury 提出的途径是独一无二的,因为该理论解释了超流体如何产生额外的力。

在物理学中,如果扰乱一个场,通常会产生波。例如在天线中摇晃一些电子,就会干扰电场,从而产生无线电波;两个相互合并的黑洞会扰乱引力场,就会产生引力波;同样地,如果超流体受到拨动,就会产生声子--一种超流体自身的声波。除引力外,这些声子会产生额外的力,就跟带电粒子间的静电力类似。这个额外的力足以解释星系晕中的令人困惑的暗物质行为。

一种奇异的暗物质粒子

为了搜寻到暗物质,科学家已为此奋斗了几十年。在所有的暗物质候选者中,“大质量弱相互作用粒子”(WIMPs)是最受欢迎的,也是科学家的主要追踪目标。这是因为WIMPs不仅能够解释大多数的天文观测,它们也自然而然的出现于粒子物理学的标准模型的扩展理论中。

根据理论,暗物质应该大量存在于宇宙之中,却仍“拒绝”出现在专为寻找它们而设计的探测器和实验之中。这令物理学家非常失望,每一次零结果的出现,都在逐渐削弱希望的火苗。渐渐的,有一部分物理学家开始将目光投向其它的暗物质候选者。

△ 暗物质的候选者。(图片来源:Sandbox Studio)

Khoury 和 Berezhiani 的理论中所需要的暗物质并不是类似WIMP的粒子。WIMPs的质量很大,大约是质子的100倍左右;若Khoury的理论能够实现,暗物质粒子的质量必须要比这小十亿倍。着也意味着遨游在宇宙中的暗物质粒子的数量也会增加十亿倍。这足以解释观测到的暗物质效应,以及达到形成超流体的条件。此外,普通的WIMPs之间不会产生相互作用,而暗物质超流体粒子则需要强烈相互作用的粒子。

最接近上述描述的候选者是轴子(Axion)--一种假想的超级轻的粒子。在理论上,轴子是可以形成玻色-爱因斯坦凝聚的。

但是标准的轴子也无法完全满足 Khoury 和 Berezhiani 的需求。在他们的模型中,粒子之间存在着强且排斥的相互作用。而典型的轴子模型中相互作用通常是比较弱且相互吸引的。

重现MOND的预言

△ 紫外线下的仙女座星系。(图片来源:NASA)

这个理论最令人兴奋的地方,或许在于它在许多方面都重现了修正牛顿引力理论(MOND)中的预言。MOND于1983年首次被提出,它完全舍弃了暗物质粒子。它认为,我们只需要对引力进行修正就可以解释主要的天文观测。MOND能精确地解释星系的旋转曲线,这也正是WIMP模型不足的地方。但是MOND无法解释发生在星系团中的情况。

很少物理学家相信自然定律会随着不同的尺度而改变,因此MOND一直被主流研究群体所摒弃。但科学家必须将他们喜爱的暗物质模型和MOND所做的正确预言结合在一起。

Khoury认为,MOND最好被视作为星系的经验型理论。有某些事情正在发生,使它看起来好像是引力在改变。暗物质的确存在,但是它的行为必须能模仿MOND在星系内的预言。

新的超流体理论正好做到了这点。Khoury发现超流体中的声波方程与MOND之间有着惊人的相似。可以说,超流体模型同时弥补了暗物质模型和MOND的不足,这是十分惊艳的。

接下来,科学家所要做的就是检验该模型,可以通过寻找旋转超流体产生的暗物质漩涡,或者通过引力透镜来探索是否存在任何的散射现象,又或是通过观测星系合并率来找到间接的证据。

参考来源:

https://www.quantamagazine.org/dark-matter-recipe-calls-for-one-part-superfluid-20170613/

https://www.quantamagazine.org/how-superfluid-dark-matter-mimics-an-old-idea-about-gravity-20170613/

https://arxiv.org/pdf/1507.01019.pdf

尽管美军到处喊穷,却仍然向亚洲增派力量。F-35来了,卡尔·文森号航母来了,据说其科幻战舰“朱姆沃尔特”也要来。这显然不是打肿脸充胖子所能回答的。近日,美国历史学家和外交政策评论家罗伯特·卡根的一番话,从某种程度上解释了美军逆势而上的原因。

美国电影画面里的白宫沦陷

关于美军喊穷,近两年来此起彼伏。近来,美国海军陆战队就说,如果不增加投入,半年内将停飞所有飞机。而美国空军发愁,空军飞行员的人数逐渐递减,人才流失难挽颓势。文章开头提到的“朱姆沃尔特”舰,如此先进,却配不起舰炮炮弹,因为要80万美元一发。尽管美国的军费开支世界第一,而且绝对数额遥遥领先,但无奈盘子太大,要钱的地方太多,经济却又不景气。虽说一些部队哭穷,有为争取预算造势的嫌疑,但之所以如此哭穷,也是因为预算紧张,不争不行啊!

朱姆沃尔特驱逐舰

这不,特朗普一上台,就向日本以及北约盟国提出,多要“保护费”。特朗普的经济政策是只管美国发展,逆全球化,采取收缩战略。也就是先把美国的经济搞好再说,至于什么全球化,引导世界经济走出危机之类,统统往一边放。人们以为,特朗普也会在军事上采取此类措施。但事实证明,特朗普在军事上的举动,可能与经济政策相反。

这是为什么呢?罗伯特·卡根说了,“美国对中国和俄罗斯的任何实质性的让步都不会换来对方任何相应的安全承诺和利益交换,反而会助长他们更进一步攫取世界舞台上权力的野心”。他认为,如果美国不能带领一帮盟友压制中国和俄罗斯,“那么最终的结果将会是退回第三次世界大战的边缘”。

F-35

好嘛,这帽子扣得可够大的。按罗伯特·卡根的说法,美国军队才是世界人民的大救星,是守护世界安宁的超人,中俄则是不听话的淘气包,必须被摁住。罗伯特·卡根是《华盛顿邮报》的专栏作家。他的看法,在美国有不小的市场。美国人把“霸权”视为“领导”,把“欺凌”视为“管理”,把“大棒”视为“正义”,极少反思自己这种霸权的合法性与合理性。“砖家”误国,在哪里都一样啊!

实际上,美国的霸权思维和实力,已经不适应这个互联互通的世界和多极发展的趋势。与罗伯特·卡根的说法相反,美国对霸权的恋栈和滥用武力才是导致第三次世界大战的最危险因素。