“二次暴漲論”指明暗物質的豐富性

宇宙學標準模型是描述宇宙大膨脹的理論，在刻畫宇宙極早期的膨脹狀態時，標準模型給出了暴漲概念的理論解釋，極早期宇宙的膨脹遵循指數級數的展開公式。標準宇宙學模型是在科學界十分流行，經過了無數科學家的“精雕細磨”，對宇宙演變的描述達到了精確和資料化的水平。宇宙學家常用一個膨脹氣球形象地闡明宇宙時空的膨脹現象，從一個極熱極密的球點開始，宇宙在“馬不停蹄”的膨脹過程中變成了一個均勻、同質的超級時空，好像一個不斷吹大的氣球。標準宇宙學模型成功地解釋了人們觀測到的許多天體現象，但這一理論能夠解釋人們觀測到的所有宇宙現象嗎？布魯克海文實驗室、費米加速器實驗室和石溪大學的物理學家在合作研究中提出了二次暴漲週期的假說，《物理學評論通訊》刊載了科學團隊的“二次暴漲論”，新的理論被認為解釋了理論預測的、在宇宙中廣泛分佈的暗物質。

布魯克海文實驗室高能物理組的組長鬍曼·達沃迪阿斯解釋說，一種自然科學的基礎理論總是能解釋特定的現象，但宇宙學標準模型也許未能給出宇宙暗物質數量的正確答案，如果預測的暗物質數量太少的，那麼人們從其它渠道尋找暗物質的來源，但太多暗物質的存在是一個在理論上有待回答的問題。對宇宙暗物質數量的測量十分困難，“只聽其聲，不見其物”的暗物質不與普通物質發生任何明顯的相互作用，但奇異的引力作用顯示了暗物質存在的線索，暗物質不只是一個科學的概念，大量的天文觀測和評估表明，暗物質數量佔到宇宙中物能總量的大約四分之一，而構成恆星、行星和人們身體組織的普通物質只佔宇宙物能總量的百分之五。暗物質是宇宙物質形態的主流，暗物質在物質形態中處於支配地位，物理學家為此設想和開發了各種版本的暗物質理論和暗物質實驗，以確定暗物質的性質和起源。

有些理論精妙地解釋了物理學中令人費解的奇異性，例如：與其它基本相互作用——電磁力、強核力和弱核力相比，引力作用顯得過於弱小。這些理論令人難以接受的主要原因是預測了更多暗物質，比經驗觀測的暗物質數量更多。達沃迪阿斯和同事嘗試用新的理論來解決這一難題。新的理論在宇宙時空的開端加設了一個步驟，添加了人們普遍接受的一個物理事件的影響。標準模型宇宙學指出了呈指數級數特徵的宇宙膨脹，暴漲開始於宇宙誕生後10的負35次方，這一極小數字表示在小數點後面跟上34個零，小數點的最後是數字1，爆炸性的宇宙膨脹持續了僅僅1秒的幾分之一，極短的暴漲導致了一個“熱氣團”宇宙，隨著空間的持續膨脹，宇宙經歷了一個持續到今天的冷卻過程。在誕生之後的僅僅數秒到數分鐘，宇宙已經冷卻到輕物質元素開始形成的程度，在里程碑事件的間隙，也許存在另一個暴漲階段。

達沃迪阿斯對此解釋說，第二次暴漲階段與初期的第一次暴漲階段同樣迅速而猛烈，但第二次暴漲的假說解釋了暗物質的稀釋過程。在開始階段的宇宙溫度飆升到數十億度，暗物質粒子在相對小的宇宙空間發生了相互碰撞，高頻次碰撞產生了暗物質粒子的湮滅作用，暗物質粒子湮滅的巨大能量轉化為物質粒子的標準構成：比如：電子和夸克，但當宇宙在持續膨脹後產生冷卻過程時，暗物質粒子相互碰撞的機會隨之減少，相互湮滅的發生率趕不上宇宙時空的膨脹率，暗物質粒子的相互作用變得非常微弱，在更低溫度中產生的暗物質粒子的湮滅作用減弱了，暗物質的自我湮滅作用在宇宙的極早期變得不足，大量的暗物質粒子因此被“凍結”，暗物質的豐富性好似“麵包烤成了蛋糕”。

暗物質粒子更弱的相互作用表明了湮滅效應的減弱，最終導致暗物質粒子的更高丰度，人們需要在理論上對暗物質相互作用的強度施加嚴格的約束條件，目前的一些理論因此高估了宇宙暗物質的數量，為了保持理論預期與實際觀測的一致性，達沃迪阿斯和同事提出了另一個暴漲階段的假說，第二階段的暴漲特徵和快速增長的空間體積相一致，進一步稀釋了原初物質粒子的丰度，給人們觀測的今日宇宙留下潛在數量的高比例暗物質。

第二次暴漲目前不屬於標準模型宇宙學的內容，但科學界也許不得不考量和接受他們提出的新理論。按照標準模型的思維方式難以充分解釋宇宙演變的一些控制性的因素。無需“旁門左道”的複雜理論，只需建構一個簡單模型，以解釋在極早期宇宙中發生的第二個短的暴漲過程，暗物質的豐富性因此得到更好的解釋，對宇宙暗物質豐富性的解答奠定了新理論的基礎。如何證明布魯克海文高能物理團隊的新理論？也許存在可以證明隱藏的暗物質和普通物質發生微弱相互作用的方法，如果發生了第二次的暴漲週期，那麼相應的能量特徵也許可以在實驗室的加速器進行模仿，相對論重離子碰撞器（RHIC）和歐洲大型強子對撞機（LHC）可以達到這種能量級，隱藏的暗物質訊號也許可以在碰撞實驗中顯現出來，好像在宇宙第二次暴漲過程中的暗物質數量陡然增加了一樣，除了以上提及的兩個加速器，世界上的其它實驗設施可能完成同樣的使命。

（編譯：2016-1-18）