科学家模仿的暗物质地图（来历：Tom Abel & Ralf Kaehler/KIPAC/SLAC/AMNH）
暗物质的组成与来历，是现代物理学中最大的疑团之一。在一项发表于《物理谈论快报》（Physical Review Letters）的研讨中，约翰·霍普金斯大学物理系的博士后托米·腾卡能（Tommi Tenkanen）经过一个奇妙的方程，结构出一个令人惊奇的暗物质模型：早在世界大爆炸之前，暗物质就现已呈现了。
撰文 | 张华
大爆炸之前
世界是由大爆炸发作的。许多人以为世界大爆炸发作在时刻为0的时刻，其实，这是一个过错的观念。关于世界来说，物理上有意义的时刻标度不是0，用物理办法能定出的最早的时刻是普朗克时刻，也便是10-43秒。
在世界的10-36秒，暴胀开端了。而世界大爆炸，则始于暴胀完毕的那一刻。
世界大爆炸的精确意义是指世界的“热大爆炸”。“暴胀完毕后发作了热大爆炸，这时的世界以辐射为主，世界的巨细与时刻的1/2次方成正比胀大。”上海交通大学博士后张佳骏说。
在10-33秒，当可观测世界的巨细大概在1厘米左右时，暴胀完毕，大爆炸拉开了帷幕。
在托米·腾卡能的论文中，他以为世界中的暗物质呈现在暴胀之后、热大爆炸之前的这段时刻内。但大爆炸开端的世界其实并不热，由于其时的世界底子没有物质，仅仅一片真空，真空的势能很高。而跟着大爆炸的开端，真空的势能开释，转化成为物质。
依据哈勃望远镜数据制作的暗物质地图（图片来历：NASA/ESA/Caltech）
暗物质是什么
世界中存在暗物质，这现已成为现代世界学的知识。暗物质占了世界总量的23%左右，依据公认的科学知识，暗物质不参加电磁相互作用，它不会发光，也不与光子相互作用，所以看上去很暗。
暗物质有许多种可能性，但它们也有一些共同点。郑州大学物理学教授王飞说：“暗物质粒子应该是电中性粒子，并且它要么是肯定安稳的，要么它的半衰期比世界的年纪更长。详细暗物质粒子究竟是什么，现在有许多理论模型，但还没有确认。”
暗物质的首要模型之一是所谓的“弱相互作用大质量粒子”（WIMP）模型。这种模型以为暗物质粒子参加的短程力相互作用的截面与弱相互作用挨近，并且这种暗物质粒子的质量大约在100GeV到1TeV之间，归于大质量粒子。
别的一种暗物质候选粒子是“轴子”（axion）。轴子十分轻，它的质量只需1μeV左右。并且它是一个标量粒子，自旋为0。
除了WIMP与轴子，暗物质还有许多其他模型，但它究竟是什么一向没有结论。包含我国的“悟空号”暗物质勘探卫星、四川锦屏的“熊猫方案”在内的全球暗物质勘探试验，至今都没有确认暗物质粒子究竟是什么。
在腾卡能的论文中，他以为暗物质是一种标量场。所谓的标量场便是只需巨细，没有方向的物理场。例如，温度是一个标量，而全球各地的气温便是一个标量场。而在量子物理中，发作根本粒子质量的“希格斯场”也是一个标量场。
腾卡能假定的这种标量场遍布整个世界，假如用拉格朗日量来表明这个标量场，那么它具有如下方式：
在这里，等式右侧的前半部分表明动能，后半部分表明势能。动能项中含有场对时刻的导数，因而当场跟着时刻改变时，这部分能量就很大，简略发作暗物质粒子。而势能项中，m表明这个暗物质场的质量（留意不是暗物质粒子的质量）。这个m是一个可调的参数，在腾卡能的论文中，这个参数特别重要。
标量场振动发作暗物质
在世界前期，描绘世界胀大快慢的哈勃参数用H来表明。依据腾卡能论文中的解说，这个标量场跟着时刻的演化方程如下：
这是一个2阶的常微分方程，描写的是带有阻力的绷簧的振动方程，其间带哈勃参数H的那一项表明阻尼。假如H很大，相当于阻尼很大，这时标量场（相当于绷簧）是振动不起来的，因而不能发作暗物质。从前面介绍的拉格朗日量能够看出，假如场跟着时刻改变，导数就比较大，这就比如在一个湖面上，假如有动摇，就简略发作水花；但假如湖面是停止的，即便湖面的水位很高、势能很大，也不会有水花。
那么，怎么才能让这个标量场振动起来呢？答案也是清楚明了的，那便是削减阻尼项。换句话说，便是减小哈勃参数H。
当世界发作暴胀时，H根本坚持不变，这时世界胀大的速度十分快，并且这个速度是根本稳定的。真实的危如累卵的瞬间是暴胀完毕的时分，H敏捷变小。对整个绷簧振动的方程来说，这相当于阻尼能够疏忽。所以，暴胀完毕时，阻尼趋向于零，标量场就好像绷簧发作简谐振动相同振动起来，暗物质粒子也就连绵不断发作出来。这些暗物质构成了现在世界中物质的首要部分。
腾卡能的论文证明了这个简略的标量场模型能够发作暗物质，并且这些暗物质只参加引力相互作用。并且，只需调整参数m，这一进程发作的暗物质能够契合现已观测到的世界微波布景试验。
暗物质是现代物理学中巨大的疑团之一。暗物质可能在大爆炸之前现已存在的观念并不是腾卡能创始的，但腾卡能的立异之处在于，结构如此简略的标量场来解说暗物质。虽然人们对暗物质的来历知之甚少，但假如暗物质发作于世界大爆炸之前，并且能够用如此简略的“绷簧方程”来描绘，这也不失为一个成功：咱们至少了解了暗物质是什么时分发作的、它究竟应该用什么样的物理场来描绘，这无疑是很有价值的作业。
暗物质不是世界大爆炸的遗骸，或许它是世界大爆炸的导火线。
原始论文：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.123.061302
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