這是美國自然歷史博物館海登天文館“暗宇宙空間展”的主題圖片，突出展示了暗物質(zhì)可能在我們的宇宙中無處不在。在這幅精細(xì)的計算機模擬圖中，復(fù)雜的暗物質(zhì)纖維如同蜘蛛網(wǎng)一般散布在宇宙中，而我們常見的重子物質(zhì)則呈現(xiàn)為橙色團塊，在宇宙中相對罕見。這些模擬與天文觀測結(jié)果具有良好的統(tǒng)計匹配度。暗物質(zhì)可能還不是宇宙中最奇怪的引力來源，這一“榮譽”已經(jīng)落到了暗能量身上；暗能量是一種更均勻的排斥性引力來源，似乎主宰了整個宇宙的膨脹。

研究人員的計算表明，這些粒子的數(shù)量可能正好足以解釋暗物質(zhì)。目前，物理學(xué)家還未真正觀測到暗物質(zhì)的存在，只能通過其對普通物質(zhì)的引力效應(yīng)來“觀測”，大量的引力子產(chǎn)生于早期宇宙中普通粒子的碰撞。以往認(rèn)為這一過程是非常難以發(fā)生的，因此大量的引力子不可能成為暗物質(zhì)的候選。

在發(fā)表于今年2月《物理評論快報》（Physical Review Letters）的一項新研究中，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，早期宇宙可能會產(chǎn)生大量的引力子，足以解釋我們目前在宇宙中探測到的暗物質(zhì)。

宇宙是否具有比我們想象的更多維度？

該研究發(fā)現(xiàn)，如果早期宇宙的引力子真的存在，那它們的質(zhì)量將小于1MeV，不超過電子質(zhì)量的兩倍。這個質(zhì)量水平遠(yuǎn)低于希格斯玻色子產(chǎn)生普通物質(zhì)質(zhì)量的尺度——這是該模型產(chǎn)生足夠數(shù)量的希格斯玻色子來解釋宇宙中所有暗物質(zhì)的關(guān)鍵。（相比之下，根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的數(shù)據(jù)，已知的最輕的粒子中微子質(zhì)量不到2eV，而質(zhì)子的質(zhì)量約為940 MeV。）

研究團隊在尋找額外維度的證據(jù)時發(fā)現(xiàn)了這些假想的引力子。一些物理學(xué)家懷疑，在我們已觀測到的三維空間和第四維時間之外，還存在著其他額外的維度。根據(jù)該團隊的理論，當(dāng)引力通過額外維度傳播時，它會在我們的宇宙中以大量引力子的形式出現(xiàn)。

不過，這些粒子只能與普通物質(zhì)發(fā)生微弱的相互作用，而且只能通過引力產(chǎn)生作用。這種描述與目前已知的暗物質(zhì)特性驚人地相似：暗物質(zhì)不與光相互作用，但卻具有宇宙中任何地方都能感受到的引力效應(yīng)。例如，物理學(xué)家認(rèn)為，暗物質(zhì)所產(chǎn)生的引力效應(yīng)是阻止星系分離的原因。

在廣義相對論中，引力被看作是一種幾何現(xiàn)象，即時空的曲率。在目前的物理學(xué)中，這個觀點獲得了極大成功。而量子力學(xué)的觀點認(rèn)為，作用力是由不連續(xù)的能量包（即量子）交換而產(chǎn)生的。不同的量子產(chǎn)生了不同的作用力?；谶@種觀點，量子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，基本相互作用都是由量子交換產(chǎn)生的，并提出了規(guī)范玻色子的理論，如電磁力由光子交換產(chǎn)生，弱核力由W及Z玻色子交換產(chǎn)生，強核力由膠子交換產(chǎn)生。這個理論預(yù)測，引力也應(yīng)該是由某種玻色子交換產(chǎn)生的，而這種玻色子就被稱為引力子。

這張宇宙演化的示意圖顯示，最早期的恒星和星系形成于宇宙大爆炸后的最初幾億年間。

對于大量引力子作為暗物質(zhì)粒子的假說，其主要優(yōu)勢在于，這些粒子僅通過引力相互作用，因此可以逃避探測它們存在的嘗試，相比之下，其他暗物質(zhì)候選粒子——如大質(zhì)量弱相互作用粒子（WIMP）、軸子和中微子——也可能通過它們與其他力和場的非常細(xì)微的相互作用而被探測到。許多科學(xué)家認(rèn)為，WIMP是暗物質(zhì)最有希望的候選，但最新的研究稱，暗物質(zhì)的質(zhì)量應(yīng)該小于WIMP。目前有許多實驗在尋找理論上的WIMP粒子，這些實驗必須在地下進行，以避免宇宙射線的干擾。

事實上，大量的引力子幾乎不會通過引力與宇宙中的其他粒子和力相互作用，這提供了另一個優(yōu)勢。由于它們之間的相互作用非常微弱，因此衰變得非常緩慢，以至于在整個宇宙的生命周期中都保持穩(wěn)定，出于同樣的原因，它們在宇宙膨脹期間緩慢產(chǎn)生，不斷積累，直到今天。

以往物理學(xué)家認(rèn)為，引力子不太可能是暗物質(zhì)的候選，因為它們的產(chǎn)生過程極其罕見。因此與其他粒子相比，引力子的產(chǎn)生速度要低得多。但研究小組發(fā)現(xiàn)，在大爆炸后的萬億分之一秒內(nèi)，引力子的數(shù)量可能比過往理論所認(rèn)為的要多得多。研究發(fā)現(xiàn)，這種數(shù)量的增多足以讓引力子完全解釋我們在宇宙中探測到的暗物質(zhì)數(shù)量。

由于大量引力子形成于希格斯玻色子的能量尺度之下，因此它們不受與更高能量尺度相關(guān)的不確定性的影響，而目前的粒子物理學(xué)無法很好地描述這種不確定性。該團隊的理論將在大型強子對撞機（LHC）等粒子加速器上研究的物理學(xué)與引力物理學(xué)聯(lián)系起來。這意味著，像歐洲核子研究中心的未來環(huán)形對撞機（FCC）這樣的超大型粒子加速器可以用來尋找這些潛在暗物質(zhì)粒子存在的證據(jù)。FCC的規(guī)模將是目前世界上最強的粒子加速器LHC的四倍，撞擊能量上也可達到LHC的六倍。按照計劃，該加速器將于2035年開始運行。（任天）