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达夫观察 暗物质重量被科学家缩小数万亿倍？有望揭示宇宙存在某种未知力量

达夫观察 暗物质重量被科学家缩小数万亿倍？有望揭示宇宙存在某种未知力量

科学家们终于弄清楚了暗物质到底有多重 ， 暗物质是一种几乎难以察觉的物质 ， 据说暗物质能拖拽一切 ， 却不发光 。 这一新的研究 ， 有助于确定它的粒子可能有多重 ， 也有助于了解这种神秘物质到底是什么 。 这项研究大幅缩小了暗物质粒子的潜在质量范围 ， 从估计的10^ - 24电子伏(eV)到10^19亿电子伏(GeV)之间 ， 到10^ - 3电子伏到10^7电子伏之间——其可能的质量范围比以前缩小了数万亿倍 。

英国萨塞克斯大学物理学和天文学教授泽维尔·卡尔梅指出 ， 这一发现可能有助于暗物质研究者将精力集中在粒子质量的指示范围内 ， 或者也可能揭示某种未知力量如何在宇宙中起作用 。 卡尔梅教授和同样来自萨塞克斯大学的博士生福克特·库珀斯在一项新研究论文中描述了他们所做的努力 ， 据悉 ， 该论文准备发表在《物理快报B》上 。
1、什么是暗物质?
据某些估计数据 ， 暗物质约占宇宙所有物质的83% ， 人们认为它只能通过重力与光和普通物质相互作用 ， 这意味着只能通过弯曲光线的方式才能看到它 。 天文学家在注视着1930年代的银河星团时 ， 首次发现了暗物质的最初提示 ， 而在1970年代后 ， 天文学家意识到银河系比它们原本应该旋转的更快时 ， 银河系充斥着大量暗物质并在其中运转的理论成为主流 ， 特别是考虑到其中包含许多不可见物质时 。
暗物质粒子的可能候选者 ， 包括幽灵般微小的粒子 ， 即中微子 ， 理论上黑暗、寒冷的粒子 ， 即轴子 ， 以及被提出的弱相互作用大质量粒子 ， 即WIMPs 。 卡尔梅教授认为 ， 新的质量界限可能有助于消除其中的某些候选物质 ， 这取决于具体暗物质模型的细节 。
【达夫观察|暗物质重量被科学家缩小数万亿倍？有望揭示宇宙存在某种未知力量】2、量子引力
暗物质重量被科学家缩小数万亿倍？有望揭示宇宙存在某种未知力量 。 科学家们所知道的是 ， 暗物质似乎只通过引力与光和正常物质相互作用 ， 而不是通过任何其他基本力；因此 ， 研究人员利用引力理论得出了他们对暗物质粒子质量的估计范围 。 重要的是 ， 他们使用了量子引力理论的概念 ， 这导致了一个比先前仅使用爱因斯坦的广义相对论的估计狭窄得多的质量范围 。 卡尔梅教授在一封电子邮件中指出：“我们的想法很简单 ， 令人惊讶的是 ， 人们以前从来没有想到过这一点 。 ”爱因斯坦的广义相对论是建立在经典物理学的基础上的；它完美地预测了引力在大多数时间是如何工作的 ， 但在量子力学效应变得显著的极端情况下 ， 比如在黑洞的中心 ， 它就“崩溃”了 。

另一方面 ， 量子引力理论试图通过量子力学来解释引力 ， 量子力学已经可以描述其他三种已知的基本力——电磁力 ， 将大多数物质凝聚在一起的强力 ， 以及导致放射性衰变的弱力 。 然而 ， 目前还没有一个量子引力理论有强有力的证据来支持这一点 。 卡尔梅教授和库珀斯博士利用广义相对论的值 ， 估计了暗物质粒子的质量下限 ， 并利用量子引力理论预测的暗物质粒子寿命估计了暗物质质量的上限 。 据悉 ， 广义相对论值的性质也定义了上限的性质 ， 因此他们能够推导出一个独立于任何特定的量子引力模型的预测数字 。
卡尔梅教授强调 ， 这项研究发现 ， 虽然量子引力效应通常几乎无关紧要 ， 但当一个假设的暗物质粒子需要非常长的时间才能衰变 ， 以及当宇宙大约和现在一样古老（大约138亿岁）时 ， 量子引力效应就变得重要起来 。 物理学家先前估计暗物质粒子比“普朗克质量”还要轻 ， 但要比10^-24ev重 ， 才能与已知包含暗物质的最小星系的观测结果相吻合 。 但直到现在 ， 很少有研究试图缩小暗物质的这个质量范围 ， 尽管在过去30年里 ， 在理解量子引力方面取得了巨大进展 ， “在以前 ， 人们根本没有研究过量子引力对暗物质的影响 。 ”
3、未知力
通过借助量子引力理论 ， 科学家进一步大范围缩窄暗物质的质量范围 。 卡尔梅教授透露 ， 暗物质粒子质量的新界限 ， 也可以用来测试引力是否单独与暗物质相互作用 ， 这是普遍的假设理论 ， 或者暗物质是否受到未知的自然力的影响 。 他说道：“如果我们发现一个质量超出我们论文讨论范围的暗物质粒子 ， 我们不仅会发现暗物质 ， 而且还会有强有力的证据表明……除了引力之外 ， 还有一些新的力量作用于暗物质 。 ”

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