說說宇宙起源、暗物質和暗能量那點事
2015年12月15日
宇宙起源、暗物質和暗能量本來屬於和睦相處的同根親族。隻是後來宇宙起源弄了個“大爆炸”的名頭，在道上叫得很響，反而把自家人的關係搞得有些淡化。俺也曾經質疑過“大爆炸”的根底，現在發現它是位善良淳厚、卓逸不群的智者，與其頗具野性的品牌絲毫無關，故寫篇科普短文來彌補這個過失。此外，覺得“聚源說”比 “大爆炸”要好聽些。
我們每日呼吸空氣，但看不見氮、氧、氫、氬這些空氣的成分。同樣，茫茫天際中除了人類目前能探知的天體外，比如說隕石、流星、行星、恒星，在看上去空曠無邊的空間裏，科學家們認為存在暫且看不見、探不著的物質並稱之為暗物質。此外，基於大範圍內的天體運動狀態，科學家們認為有一種尚未知曉的能量在驅動它們並稱之為暗能量。此外，科學家們認為宇宙起源於一個有超高密度的點狀聚源，如今的萬物來自於該點狀源擴展後的變化。與說得過去的定性描述相比，這些理論的定量證據就顯得微不足道。從人們寄希望於中微子來揭曉宇宙秘密的心態來看，摸著石頭過河的模式仍占主導地位。
微觀世界展現的奇妙令人歎為觀止。越是被認為是深不可測的難題，上天偏偏要出人預料地造出些簡單明了的答案。下麵的示圖來自物理方程的精確解，用來模擬一下與宇宙起源、暗物質和暗能量有關的那點事。
圖中的兩串圓點表示兩組微觀粒子的解。黑點粒子組每個粒子有相同的質量M, 紅點粒子組每個粒子有相同的質量m，其中M > m。圖中粒子的直徑和質量都小於或最多接近電子。兩組粒子的個數都是無窮多。每組粒子都是從左到右、從大到小排列。也就是說，在黑點組裏，粒子的直徑滿足 D1 > D2 > … > Dn ; 同樣地，在紅點組裏，粒子的直徑滿足d1 > d2 > … > dn。在一對一的位置上，Dn > dn。從研究電子的最新結果推測【1】， 這些粒子帶電荷的可能性不大。
所有已知的亞原子粒子都是方程的解。區別就是重粒子可用已知的實驗技術測量而輕小粒子目前尚不可度量，比如說光子。
暗物質：滿足方程的各種粒子串有無窮多，所以它們應該是無處不在，充滿那些目前認為是一無所有的空間。
暗能量：暗能量的來源有兩部份，傳統和非傳統意義上的能量。無論是從宏觀還是微觀的視角看，空間裏粒子的動能和密度的不均勻性可以導致粒子流傳播擴散，因而引起非平衡動態，這是傳統意義上的暗能量。在條件允許之下，當黑點粒子串中的一個粒子轉變成紅點粒子串中一個更小的粒子時，它可能會失去一部份質量，其值等於M-m。根據愛因斯坦的質能轉換公式，這部份質量轉變為非傳統意義上的能量。雖然單個粒子所產生的能量不明顯，但在無邊無際的空間裏，不可計數的粒子所產生的能量可以聚集成巨大無比的動力來驅動各類天體的運動。非傳統暗能量的反向轉化過程目前在理論上沒有約束，但實際上要難的多，相當於裂變與聚變的對比。
宇宙起源：從圖中可知，那些直徑趨於無限小的粒子，由於質量不變，它們的密度就趨於無窮大。這些超高密度的渺小粒子是宇宙最初起源的見證人或證據。特別值得強調的是，這些小粒子按精致完美的數學規律成型，沒有任何隨機的痕跡。這給前麵貼子中展示的那些簡潔優美的方程提供了一個更深層的解釋。
順便說一下另外兩個熟知的概念，它們是弦論和黑洞。
弦論：把圖中的直徑當線段處理，這些細小線條與弦論中的弦很相似-萬物由弦集成。
黑洞：把圖中的質量換成一個給定的直徑，把所有的粒子直徑換成從小到大的質量群。那些超大質量值與有限尺度的幾何體組合形成黑洞的基本特征。
以上的分析局限在傳統的三維物理空間裏，對那些包含四個物理量的組合現象，比如說八大行星的排列和伽俐略衛星的勾股定理，種種迷團仍在，還有許多研究工作要做。一種推測是，在高維空間裏，視力所及的三維空間沒有所看到的那麽大。
科學研究向深度推進需要發展極高倍數的顯微鏡和其它測量技術。此外，空間探索和天文觀測的手段和方法都要有一個質的變化才會產生大的驚喜。
【1】https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.231802
