二次暴涨论指明暗物质的丰富性

　　宇宙学标准模型是描述宇宙大膨胀的理论，在刻画宇宙极早期的膨胀状态时，标准模型给出了暴涨概念的理论解释，极早期宇宙的膨胀遵循指数级数的展开公式。标准宇宙学模型是在科学界十分流行，经过了无数科学家的精雕细磨，对宇宙演变的描述达到了精确和数据化的水平。宇宙学家常用一个膨胀气球形象地阐明宇宙时空的膨胀现象，从一个极热极密的球点开始，宇宙在马不停蹄的膨胀过程中变成了一个均匀、同质的超级时空，好像一个不断吹大的气球。标准宇宙学模型成功地解释了人们观测到的许多天体现象，但这一理论能够解释人们观测到的所有宇宙现象吗？布鲁克海文实验室、费米加速器实验室和石溪大学的物理学家在合作研究中提出了二次暴涨周期的假说，《物理学评论通讯》刊载了科学团队的二次暴涨论，新的理论被认为解释了理论预测的、在宇宙中广泛分布的暗物质。
　　布鲁克海文实验室高能物理组的组长胡曼达沃迪阿斯解释说，一种自然科学的基础理论总是能解释特定的现象，但宇宙学标准模型也许未能给出宇宙暗物质数量的正确答案，如果预测的暗物质数量太少的，那么人们从其它渠道寻找暗物质的来源，但太多暗物质的存在是一个在理论上有待回答的问题。对宇宙暗物质数量的测量十分困难，只听其声，不见其物的暗物质不与普通物质发生任何明显的相互作用，但奇异的引力作用显示了暗物质存在的线索，暗物质不只是一个科学的概念，大量的天文观测和评估表明，暗物质数量占到宇宙中物能总量的大约四分之一，而构成恒星、行星和人们身体组织的普通物质只占宇宙物能总量的百分之五。暗物质是宇宙物质形态的主流，暗物质在物质形态中处于支配地位，物理学家为此设想和开发了各种版本的暗物质理论和暗物质实验，以确定暗物质的性质和起源。
　　有些理论精妙地解释了物理学中令人费解的奇异性，例如：与其它基本相互作用电磁力、强核力和弱核力相比，引力作用显得过于弱小。这些理论令人难以接受的主要原因是预测了更多暗物质，比经验观测的暗物质数量更多。达沃迪阿斯和同事尝试用新的理论来解决这一难题。新的理论在宇宙时空的开端加设了一个步骤，添加了人们普遍接受的一个物理事件的影响。标准模型宇宙学指出了呈指数级数特征的宇宙膨胀，暴涨开始于宇宙诞生后10的负35次方，这一极小数字表示在小数点后面跟上34个零，小数点的最后是数字1，爆炸性的宇宙膨胀持续了仅仅1秒的几分之一，极短的暴涨导致了一个热气团宇宙，随着空间的持续膨胀，宇宙经历了一个持续到今天的冷却过程。在诞生之后的仅仅数秒到数分钟，宇宙已经冷却到轻物质元素开始形成的程度，在里程碑事件的间隙，也许存在另一个暴涨阶段。
　　达沃迪阿斯对此解释说，第二次暴涨阶段与初期的第一次暴涨阶段同样迅速而猛烈，但第二次暴涨的假说解释了暗物质的稀释过程。在开始阶段的宇宙温度飙升到数十亿度，暗物质粒子在相对小的宇宙空间发生了相互碰撞，高频次碰撞产生了暗物质粒子的湮灭作用，暗物质粒子湮灭的巨大能量转化为物质粒子的标准构成：比如：电子和夸克，但当宇宙在持续膨胀后产生冷却过程时，暗物质粒子相互碰撞的机会随之减少，相互湮灭的发生率赶不上宇宙时空的膨胀率，暗物质粒子的相互作用变得非常微弱，在更低温度中产生的暗物质粒子的湮灭作用减弱了，暗物质的自我湮灭作用在宇宙的极早期变得不足，大量的暗物质粒子因此被冻结，暗物质的丰富性好似面包烤成了蛋糕。
　　暗物质粒子更弱的相互作用表明了湮灭效应的减弱，最终导致暗物质粒子的更高丰度，人们需要在理论上对暗物质相互作用的强度施加严格的约束条件，目前的一些理论因此高估了宇宙暗物质的数量，为了保持理论预期与实际观测的一致性，达沃迪阿斯和同事提出了另一个暴涨阶段的假说，第二阶段的暴涨特征和快速增长的空间体积相一致，进一步稀释了原初物质粒子的丰度，给人们观测的今日宇宙留下潜在数量的高比例暗物质。
　　第二次暴涨目前不属于标准模型宇宙学的内容，但科学界也许不得不考量和接受他们提出的新理论。按照标准模型的思维方式难以充分解释宇宙演变的一些控制性的因素。无需旁门左道的复杂理论，只需建构一个简单模型，以解释在极早期宇宙中发生的第二个短的暴涨过程，暗物质的丰富性因此得到更好的解释，对宇宙暗物质丰富性的解答奠定了新理论的基础。如何证明布鲁克海文高能物理团队的新理论？也许存在可以证明隐藏的暗物质和普通物质发生微弱相互作用的方法，如果发生了第二次的暴涨周期，那么相应的能量特征也许可以在实验室的加速器进行模仿，相对论重离子碰撞器（RHIC）和欧洲大型强子对撞机（LHC）可以达到这种能量级，隐藏的暗物质信号也许可以在碰撞实验中显现出来，好像在宇宙第二次暴涨过程中的暗物质数量陡然增加了一样，除了以上提及的两个加速器，世界上的其它实验设施可能完成同样的使命。
　　（编译：2016118）
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