再論暗物質(zhì)、暗能量、引力波-中微子及力的統(tǒng)一問題
——從宇宙微波背景輻射B模偏振之發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)意義談起

張海鵬，張 力，孟慶義，羅延安，張丹參，李玉清，華 凌

(1.河北省涿鹿縣醫(yī)院放射醫(yī)學(xué)與應(yīng)用物理研究所，河北 涿鹿 075600 ；2.河北北方學(xué)院，河北 張家口 075000； 3.南開大學(xué)，天津 300071；4.中國人民解放軍總醫(yī)院，北京 100853；5.科技日報社，北京 100038)

哈佛—史密森天體物理學(xué)中心等機構(gòu)組成的聯(lián)合研究團隊，利用架在南極的觀測宇宙微波背景輻射的 BICEP2 望遠鏡，發(fā)現(xiàn)了“比預(yù)想中強烈得多”的B模式偏振信號[1-2]；并于2014 年 3 月18 日(北京時間)宣布發(fā)現(xiàn)了宇宙原初引力波存在的直接證據(jù)，稱其為宇宙暴漲理論的第一個最有力驗證。

此無疑是一個重大的發(fā)現(xiàn)，結(jié)合該發(fā)現(xiàn)，在我們前期工作[3-4]基礎(chǔ)上，進一步探索暗物質(zhì)、可能的暗能量、引力波/子、中微子、宇宙起源和力的統(tǒng)一等問題。

1 關(guān)于暴漲與暗能量、暗物質(zhì)的問題

宇宙微波背景輻射 B 模偏振，無疑支持宇宙暴漲學(xué)說。

但正如理論物理學(xué)家和宇宙學(xué)家詹姆斯·登特、勞倫斯·克勞斯和哈什·馬瑟所說“尚未排除觀察到的 B 型偏振模式的所有可能的非暴漲源的可能性，和以標(biāo)量密度擾動張量模式的動力比率”，“盡管在統(tǒng)一大尺度規(guī)模的暴漲毫無疑問是這種原始波的最佳動力源，但在聲稱確定暴漲已被證明之前，重要的是當(dāng)前 BICEP2 數(shù)據(jù)對其他可能的來源尚無法解釋”。也就是說，暴漲很可能是原因，然而也有一種可能性，在遙遠的地方，其他一些后來的宇宙事件至少沒有被 BICEP2 全部測量到[5]。

任何質(zhì)量巨大且加速移動的天體都應(yīng)該能夠產(chǎn)生引力波，我們唯一能夠直接探測到的引力波來自宇宙間的一些災(zāi)難性事件，如兩個黑洞碰撞后融合為一個黑洞；世界各地的一些天文臺也正在努力探測來自遙遠黑洞合并時產(chǎn)生的動靜[6]。

誠然，BICEP2探測到引力波，尚不一定是宇宙原始引力波。然而局部的天體事件產(chǎn)生這么強大的引力波的可能性很小，什么宇宙性(宇觀級)事件才能產(chǎn)生這么強大的引力波？是下面要結(jié)合解釋宇宙加速膨脹的暗能量問題探討的。

1.1 大部分星系合并繼而真空相變，轉(zhuǎn)化為暗能量

據(jù)美宇航局公布的數(shù)據(jù)，宇宙早期(約38萬年)暗能量僅占約15%[7]。宇宙是在約50億年時才由減速膨脹轉(zhuǎn)為加速膨脹的。

盡管我們尚不知道暗能量究竟是什么(可能是真空一定能標(biāo)的虛粒子被引力激發(fā))，但宇宙原85%的物質(zhì)(主要是暗物質(zhì))[7]與15%的暗能量在50億年時發(fā)生了轉(zhuǎn)換，卻是簡捷的宏觀解釋。如按Plank衛(wèi)星2013年3月21日公布的最新數(shù)據(jù)，暗能量占68.3%；物質(zhì)(暗物質(zhì)占26.8%；強子等物質(zhì)占4.9%)占31.7%，不難計算出：50億年時物質(zhì)(主要是暗物質(zhì))中占宇宙總質(zhì)能53%的那部分物質(zhì)，當(dāng)時轉(zhuǎn)化為暗能量了。

如此則出現(xiàn)一個問題，二者是如何轉(zhuǎn)化的？結(jié)合暴漲宇宙論的真空相變[8-9]，我們認為，可能是以暗星(“黑洞”)為中心的星系之間碰撞最后合并成一個巨大的、宇宙級的重力真空星(法國、荷蘭兩位科學(xué)家提出了與文獻[3]有一定類似的普朗克星模型，均不支持宇宙起源的“奇點”論[10])。這種星體在超巨質(zhì)量、超高溫(1028～1032K)、超高能標(biāo)(10-31～10-35m)下，由于發(fā)生真空相變而轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚倥蛎浀陌的芰?某種程度上類似于宇宙暴漲期)[3-4]。而宇宙學(xué)最難解釋的微波背景輻射的斜軸現(xiàn)象[11-12]——有可能就是上述過程中最后的兩個暗物質(zhì)星體碰撞合并后暗能量向原對撞方向“反彈”的跡象。

暗能量用于解釋宇宙加速膨脹已較普遍地被學(xué)界接受。而太陽每年的質(zhì)量損失與經(jīng)典理論計算相差一個數(shù)量級以上[13]，是否與忽視宇宙加速膨脹對太陽系的影響有關(guān)？或者說是加速膨脹更加直接的反應(yīng)？史例已有廣義相對論對水星近日點進動率異常的全新解釋。順便提一下，我國科學(xué)家通過固體潮觀測數(shù)據(jù)計算，獲得了引力場以光速傳播的第一個可靠證據(jù)[14-15]。

暗能量的負性引力性，還有可能作為意識信息的物質(zhì)載體。

1.2 星系中心的巨大“黑洞”-暗星-夸克星：其所占星系質(zhì)量的高比例足以解釋暗物質(zhì)

太陽占太陽系總質(zhì)量的99%以上[16]，根據(jù)萬有引力公式等，星系中心的巨大“黑洞”——暗星，其所占星系質(zhì)量的高比例足以解釋暗物質(zhì)占宇宙物質(zhì)的比例[26.8/(26.8+4.9)][4]。

那么暗(物質(zhì))星(“黑洞”)是如何組成的？個人認為，可能是1/3的分?jǐn)?shù)電荷——最基本電荷的夸克：下夸克(d)、1/2的上夸克(u/2)之間凝聚而成的類似于金剛石“空間點陣”的高度致密的星體：由強相互作用、電磁力、引力凝聚。我國物理學(xué)家魯潤寶教授早在1994年即已在“電子-離子束縛態(tài)及其引發(fā)核過程”模型中提出可能存在少量的下夸克(d)聚變[17]。最近英國《自然》雜志發(fā)表了美國勞倫斯·伯克利國家實驗室和德國馬克斯·普朗克射電天文學(xué)研究所學(xué)者的探測研究結(jié)果：首次發(fā)現(xiàn)了“黑洞”的磁場；所觀測的76個黑洞(暗星)的磁場之強，已和其自身強大的萬有引力相當(dāng)?shù)腫18]。此不僅促進重新看待以往的黑洞模型，而且，客觀上，有力地支持我們(2013)在文獻[4]提出的暗星-“黑洞”的上述夸克星模型。

在文獻[4]中，我們已經(jīng)以脈沖星中心的夸克星核結(jié)構(gòu)對脈沖星的強大磁場進行了解釋。

在宇宙極早期，還可能存在1/3 電子電荷的“夸克”與1/2上夸克聚合成的原始夸克星——這種暗星-“黑洞”。此系在暴漲的極端溫標(biāo)下包括電子夸克(1/3分?jǐn)?shù)電荷的最基本的夸克之一)在內(nèi)的夸克禁閉均可打破。重子物質(zhì)組成的恒星等有可能僅僅是原始夸克星對撞產(chǎn)生的“碎片”，2013年4月18日英國《自然》報道發(fā)現(xiàn)了宇宙早期的極端星爆形成了星系的恒星等也佐證了這一點。

此不僅與宇宙微波背景、可見物質(zhì)的元素豐度——熱大爆炸模型的證據(jù)毫不矛盾，而且可避免“瓊斯假說”的宇宙早期神秘的“消電離作用”[19]問題的困難及暗物質(zhì)暈假說存在的矛盾[4]。

1/2上夸克和1/3電子電荷的“電子夸克”，均源于我國古代老子、莊子道家的陰陽哲學(xué)觀與現(xiàn)代物理學(xué)的對稱原理，結(jié)合令人震驚的γ暴能量的來源之思索。電荷守恒(對稱)是極嚴(yán)格的。電子可能是3個或5個單電荷夸克聚變的產(chǎn)物，電子質(zhì)量之輕，恰說明其“合成”時釋放的聚變能量之大。事實上，著名理論物理學(xué)家韋斯科夫(1970)曾提出“電子結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是一個人們尚未正視的問題[20]”；更早時(1949)還提出，電子和能量非常高的光量子相互作用還沒有搞清楚；質(zhì)子和介子(注：應(yīng)該指π介子)的電荷等于電子的電荷，電子的經(jīng)典半徑幾乎等于核力的力程，這些都不可能是純粹的巧合。在量子電動力學(xué)與未來的介子與核力理論間必然有一定聯(lián)系[20]”(盡管在《后記》中懷疑了自己的觀點)。此可以作為上述假說的佐證。同時，π介子(由u夸克與反d夸克組成)屬強子，其10-2%衰變?yōu)閇(e+,νe)][21]，此也有助于提示e+蘊含著潛在的強力。近年，在以電子探針探測質(zhì)子形狀及其他特征時發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子自旋危機等很多令人困惑的現(xiàn)象[22]，此是否可能與作為探針的電子的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)呢？

1.3 不支持暗物質(zhì)的冷暗粒子模型的部分證據(jù)：美國費米國家實驗室發(fā)現(xiàn)

費米國家實驗室的粒子加速器(Tevation)2008年以高速正負質(zhì)子對撞，檢測到了底夸克及其反夸克，令人驚奇的是發(fā)現(xiàn)對撞產(chǎn)生的μ子數(shù)比預(yù)期的要多得多，而且其中的一些μ子好像是在束管(1.5cm寬)外產(chǎn)生的(其在探測器最里層未留下任何痕跡)，CDF小組推測，束管外的μ子系壽命為2×10-11秒的未知粒子(CDF粒子)行進了約1m而穿出束管壁后發(fā)生衰變而產(chǎn)生的，CDF粒子質(zhì)量接近109eV，從而推測是暗物質(zhì)相關(guān)反粒子的可能性[23]。慮及Ω粒子的質(zhì)量約1.67×109eV且壽命8.2×10-11s，主要蛻變方式多可產(chǎn)生π-或π0介子[24]，我們認為宜優(yōu)先考慮Ω粒子，而π±介子近乎100%蛻變?yōu)棣套?，進一步佐證之(Ω粒子在其甚高能情況下，是否可能直接蛻變?yōu)棣套樱?。Ω粒子正是蓋爾曼[費(因)曼甚推崇之[25]]1962年按照幺正對稱十重態(tài)預(yù)測的粒子[注：該十重態(tài)(及八重態(tài))僅系楊(楊振寧)-米爾斯(非阿貝爾)規(guī)范場(1954)的一種近似形式[26]。

2011年5月意大利Gran Sasso國家實驗室研究人員認為，他們探測到的“暗物質(zhì)粒子”很可能是普通粒子的假陽性，因此推測其他聲稱發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子的觀測結(jié)果可能也是站不住腳的[PRL(物理評論快報)][4]。2012年對全太陽系(注：不存在“黑洞”)附近的探測也沒能發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)[27]；2013年10月30日，世界上最先進的暗物質(zhì)搜尋器——美大型地下氙探測器(LUX)科學(xué)家宣布，LUX 實驗無果而終，暫時排除了弱相互作用大質(zhì)量粒子作為暗物質(zhì)候選者的可能[28]。文獻[4](2013)提及已知的弱相互作用的中間玻色子均是極短壽命的粒子。

最近有課題組發(fā)現(xiàn)銀河系中心的暗物質(zhì)跡象[29]，也有發(fā)現(xiàn)認為太陽中心有暗物質(zhì)跡象[30]，后兩個研究均不支持“暗物質(zhì)暈”觀。

BICEP2 望遠鏡新發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射B膜偏振，基本上排除了作為非強子的暗物質(zhì)粒子的第二候選者的“軸子”[31]。

因此，暗物質(zhì)問題仍有待于進一步探討和研究。

1.4 本文對BICEP2 望遠鏡新發(fā)現(xiàn)的B膜偏振的引力源的解釋

引起宇宙微波背景輻射B膜偏振的強大引力波，既可能是宇宙暴漲期間釋放的，也可能前述的50億年左右時導(dǎo)致宇宙開始加速膨脹的宇宙級事件中釋放的。更大可能性則是這兩次引力波對微波背景輻射作用的疊加。

2 引力波-中微子、力的統(tǒng)一問題研究

2.1 關(guān)于引力子/波-左旋中微子

由上可見，BICEP2 望遠鏡新發(fā)現(xiàn)的B膜偏振的最明確意義是，世界上首次直接地探測到愛因斯坦在廣義相對論中預(yù)言的引力波——繼1974 年拉賽爾·赫爾斯和約瑟夫·泰勒通過對脈沖雙星的觀察間接驗證了引力波的存在(后獲諾氏物理學(xué)獎)之后。同時，有力地提示引力與量子力學(xué)的融合[32-33]。

倫敦皇家學(xué)院Joao Magueijo 和 Dionigi Benincasa曾建議注意宇宙微波背景輻射(CMB)在極早期暴漲階段，強大的引力波會在時空中傳播，將 CMB的光子偏振到足以說明問題的形態(tài)；其計算表明:若引力只是有賴于左旋或右旋的引力子, 則會以明顯的方式歪斜 CMB光子的偏振態(tài)(B模式), 而易于被觀測到[34,3]。

因此，BICEP2 望遠鏡所發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射偏振信號的顯著性(“比預(yù)想中強烈得多”)，支持引力有賴于左旋(或右旋)的引力子[34,3]。也為我們提出的中微子通過其與光子相互作用證實左旋中微子是否為引力子提供了進一步的依據(jù)，如獲證實，則可能是繼光與電磁波的同一性之后物理學(xué)的又一次簡約化。

左旋中微子與引力子的一致性(“一元化”一直是醫(yī)科臨床診斷的思維原則)，在文獻[3]中已從多個方面進行了較系統(tǒng)地闡述。日本學(xué)者最早發(fā)現(xiàn)的中微子震蕩現(xiàn)象無疑是重要發(fā)現(xiàn)，其支持中微子具有非零靜止質(zhì)量，但我們認為尚不足以證實后者(部分中微子的消失，可能分解為低頻的引力波)。正象電磁場輻射電磁波-光子一樣，引力場下星體坍縮所輻射的超量中微子是提示中微子之引力子性質(zhì)的非常有力的線索：II型超新星形成中子星(及其他)所須星核釋放的中微子在數(shù)量上是通過電子俘獲而形成的中微子的好幾倍——這不是由逆β衰變可解釋的。如果左旋的虛中微子屬于零質(zhì)量的引力子，則可以很好地解釋超新星(SN)1987A中微子到達地球早于光子僅3小時(光子在星體內(nèi)的反射遲滯時間)的現(xiàn)象[3]；而魯比亞等在前年的“中微子超光速”事件后重新測量得出的中微子等光速(“a neutrino propagation velocity in agreement with the speed of ligh”)結(jié)果，也支持中微子的零質(zhì)量。

宇宙暴漲期間可能首先放出引力子/波，而據(jù)美宇航局公布的數(shù)據(jù)，宇宙早期(約38萬年)中微子在宇宙總質(zhì)能的比例高達10%[7]。此支持左旋的虛中微子可能屬于零質(zhì)量的引力子的假說。而標(biāo)準(zhǔn)模型(近年希格斯粒子在加速器上的成功發(fā)現(xiàn)進一步支持標(biāo)準(zhǔn)模型)本來要求中微子零質(zhì)量。

2.2 關(guān)于“基本”力的統(tǒng)一問題

試圖將量子力學(xué)與廣義相對論結(jié)合的理論——圈量子引力(Loop Quantam Gravity)表明 :一個不對稱性已深藏在宇宙的定律之內(nèi)并使引力成為左手性[34]。如果左旋的虛中微子屬于零質(zhì)量的引力子，則費米最先提出的弱相互作用可能不是基本力(甚至有可能主要是10-17m尺度內(nèi)的圈量子引力)；除弱力的玻色子重外(萬有引力最弱而理論上預(yù)測的引力子卻無靜止質(zhì)量)，作用過程的錯綜復(fù)雜性可能也是弱作用的原因(而費曼亦曾提出電磁力玻色子的光子與3種弱力玻色子的關(guān)聯(lián)應(yīng)予進一步推敲[25])。

果如此，則我國科學(xué)家(楊振寧教授、李政道教授1957年獲得諾獎時均尚未加入美國藉)發(fā)現(xiàn)的弱相互作用中的宇宙不守恒(在吳健雄教授實驗證實之前，德國物理學(xué)家泡利、前蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道等均難以接受之)，也可得到進一步解釋(引力子為左旋的[34])。四種“基本”力之間如果沒有任何關(guān)聯(lián)，并不符合唯物辯證法的普遍聯(lián)系觀。

愛因斯坦質(zhì)能守恒定律(E=mc2)中，物質(zhì)轉(zhuǎn)化的能量的經(jīng)典物理學(xué)意義是物質(zhì)以光速運動的動能的2倍，后者只能兼源于以光速自旋的動能，此有力地提示組成物質(zhì)的前述的最基本的1/3分?jǐn)?shù)電荷的夸克應(yīng)該是空心的，因而宜加強對圈量子力學(xué)的研究。

3 結(jié)束語

(1)以宇宙大部分星系合并成的重力真空星的類似局部暴漲，解釋了宇宙加速膨脹的可能暗能量的高比例之源，因此，哈佛—史密森天體物理學(xué)中心等BICEP2 望遠鏡發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射的B模式偏振信號，無論作為“宇宙暴漲的確鑿證據(jù)”，還是作為引力波的宇宙原初證據(jù)，均不一定成立，其可能是宇宙暴漲與上述的類似局部暴漲的引力波疊加作用的結(jié)果。(2)英國《自然》雜志不久前發(fā)表的76個“黑洞”探測所發(fā)現(xiàn)的強大的磁場，客觀上較強有力地支持我們提出的“黑洞”(暗星)的夸克星模型：由1/3基本電荷的正負夸克以類似于金剛石的正四面體“空間點陣”組成。質(zhì)能守恒定律提示1/3基本電荷的夸克可能是空心結(jié)構(gòu)。(3)進一步總結(jié)了我們2013年1月暗物質(zhì)著述發(fā)表后的相關(guān)國際進展(暫時排除大質(zhì)量弱相互作用粒子)，后者進一步支持“黑洞”(暗星-夸克星)作為暗物質(zhì)的候選者的可行性(比例足夠)。論述了美國費米國家加速器實驗室(CDF)2008年發(fā)現(xiàn)的疑似暗物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)模型之外的新粒子，可能是已有的Ω粒子。(4)BICEP2 望遠鏡的前述發(fā)現(xiàn)有力地支持引力子的單手性，為我們2011年提出的左旋中微子(中微子震蕩不足以證明其非零質(zhì)量)與引力子可能的一致性提供進一步的佐證，為四種力的廣義統(tǒng)一提供新的可能性，以相關(guān)實驗證實或證偽左旋中微子與引力子一致性。

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