暗物質(zhì)由巨粒子構(gòu)成的猜想

摘 ?要：暗物質(zhì)是基于宇宙觀測數(shù)據(jù)在理論上提出的可能存在于宇宙中的一種不可見的物質(zhì)，可能是構(gòu)成宇宙物質(zhì)的主要部分，且不屬于已知的任何一種物質(zhì)。根據(jù)暗物質(zhì)的屬性，以及理論上的可能性，文章提出巨粒子概念。巨粒子物質(zhì)滿足暗物質(zhì)的屬性，所以，文章認(rèn)為暗物質(zhì)很可能是由巨粒子構(gòu)成的。

關(guān)鍵詞：暗物質(zhì);暗能量;巨粒子;暗星

中圖分類號：P155 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）25-0067-02

Abstract： Dark matter is a kind of invisible matter that may theoretically existin the universe based on cosmic observation data，which may be the main part of cosmic matter and does not belong to any of the known matter. According to the attributes of dark matter and theatricals possibilities， the concept of "giant particle" is proposed in this paper. Giant particle matter satisfies the properties of dark matter， therefore this paper argues that dark matter is probably composed of giant particles.

Keywords： dark matter; dark energy; giant particle; dark star

1 概述

暗物質(zhì)是在宇宙觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上從理論上提出的假設(shè)物質(zhì)，可能大量存在于宇宙空間中，不發(fā)光或發(fā)出非常微弱的光，是宇宙物質(zhì)的主要組成部分，質(zhì)量遠(yuǎn)大于宇宙中全部可觀測天體的質(zhì)量的總和，約占宇宙物質(zhì)的85%以上。

學(xué)術(shù)界至今對暗物質(zhì)還知之甚少，推測其有以下這些屬性：（1）有質(zhì)量，參與萬有引力作用。（2）穩(wěn)定性很好。（3）基本不參與電磁相互作用，與光子的相互作用非常弱，基本不發(fā)光。（4）基本不參與強(qiáng)相互作用。（5）運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)遠(yuǎn)低于光速，通過引力作用參與形成宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。因此可以確定構(gòu)成暗物質(zhì)的粒子不屬于已知的基本粒子，對當(dāng)今粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型構(gòu)成了挑戰(zhàn)。

有理論認(rèn)為暗物質(zhì)是由諸如軸子，惰性中微子等構(gòu)成。本文認(rèn)為，中微子、軸子的質(zhì)量太微小，恐怕不足以解釋暗物質(zhì)在宇宙物質(zhì)中的巨大占比，從目前已有的觀測結(jié)果來看，占太陽系物質(zhì)的比例都是極小的。

2 暗物質(zhì)問題的關(guān)鍵所在

要知道暗物質(zhì)為什么暗，就要從人們認(rèn)識很徹底的物質(zhì)是如何發(fā)光的機(jī)制論起。在平常觀測中，物質(zhì)輻射的光子究其根本來源，一是由原子的核外電子在能級之間躍遷所產(chǎn)生的能量輻射，二是由核反應(yīng)產(chǎn)生的能量輻射。要成為暗物質(zhì)不發(fā)光，就要滿足兩種情況：一是不存在類似原子的核外電子作能級躍遷現(xiàn)象，或者不能形成原子這樣的結(jié)構(gòu)，自然就沒有能級躍遷發(fā)生。而現(xiàn)在已知的物質(zhì)粒子絕大部分是這種原子結(jié)構(gòu)的組成部分，散落在宇宙空間中的這些粒子也可能與其它粒子在一定條件下形成原子結(jié)構(gòu)。另外，從宇宙尺度的觀測來講，原子的核外電子能級躍遷產(chǎn)生的發(fā)光太微弱，難以被觀測到，一般星體要有核聚變產(chǎn)生巨大的能量輻射才能被直接觀測到。

暗物質(zhì)在宇宙物質(zhì)總量中的占比這么大，通過引力作用參與形成宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，按正常的邏輯推理，應(yīng)該形成大量暗物質(zhì)星球的，乃至形成大量恒星級別尺度和質(zhì)量的星球，可是，這些星球?yàn)槭裁礇]有產(chǎn)生聚變反應(yīng)呢？這才是研究暗物質(zhì)的關(guān)鍵所在。核反應(yīng)需要有效的強(qiáng)作用力參與，強(qiáng)作用力是短程力，當(dāng)兩個(gè)核子中心之間的距離大于核子尺度（約2fm）時(shí)，核力急劇趨于0。如果基本粒子的尺度大于2fm，即使強(qiáng)作用力依然存在，也不能形成類似多核子原子核的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體。

3 巨粒子

本文把尺度大于核子的基本粒子命名為巨粒子，一般來說，粒子的質(zhì)量與尺度正相關(guān)。

自然界不禁止巨粒子。根據(jù)文獻(xiàn)[1]提出的基本粒子的自旋機(jī)制，費(fèi)米子的自旋角動(dòng)量l為：

m為粒子的質(zhì)量，r為半徑，k為0，1，2…。這個(gè)機(jī)制可解釋費(fèi)米子自旋角動(dòng)量為確定值的半奇數(shù)倍現(xiàn)象。式（1）對粒子的質(zhì)量沒有限定，因此，自然界形成巨粒子就沒有理論障礙。一般來說，質(zhì)量與尺度正相關(guān)。

4 巨粒子的結(jié)團(tuán)問題

巨粒子之間無有效的強(qiáng)作用力，還能不能結(jié)團(tuán)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生聚變反應(yīng)呢？

普通物質(zhì)是通過萬有引力作用形成星球、星系的。在自然條件下，星球有足夠大的質(zhì)量，在星球的核心產(chǎn)生足夠的壓力是產(chǎn)生聚變反應(yīng)的必要條件。一般的小型結(jié)團(tuán)是大量原子通過電磁作用實(shí)現(xiàn)。所以，如果暗物質(zhì)不發(fā)光，說明組成暗物質(zhì)的團(tuán)塊不能產(chǎn)生聚變反應(yīng)，且粒子不能形成原子結(jié)構(gòu);如果暗物質(zhì)能發(fā)微弱光，則可能有類似原子的結(jié)構(gòu)，核外有電子躍遷發(fā)生。形成復(fù)雜原子必須滿足兩個(gè)條件：一是強(qiáng)作用形成原子核，二是帶電。

4.1 泡利不相容原理阻止巨粒子形成復(fù)雜原子核

泡利不相容原理指出在一個(gè)電子軌道上不能存在自旋相同的兩個(gè)粒子。文獻(xiàn)[1]闡明了泡利不相容原理的根源是因?yàn)楣庹希虼?，即使沒有像原子那樣的結(jié)構(gòu)和核外粒子軌道，但是在可能產(chǎn)生相關(guān)性的空間范圍內(nèi)，不能同時(shí)存在兩個(gè)全同的且自旋方向相同的費(fèi)米子是合理的推論。

沒有有效的強(qiáng)作用力束縛巨粒子，又有泡利不相容原理的作用，導(dǎo)致巨粒子不能形成復(fù)雜的原子核。

4.2 暗星

巨粒子雖然不能形成復(fù)雜原子核，但能不能形成簡單原子？能否形成暗物質(zhì)星球呢？下面分巨粒子電中性和帶電兩種情況來分析。

4.2.1 帶電巨粒子

氫原子的原子核是一個(gè)質(zhì)子，荷電為+e，它與電子的庫倫吸引能為（取無窮遠(yuǎn)為勢能零點(diǎn)）：

式中為電子的約化質(zhì)量，Rl（r）滿足中心力場的球坐標(biāo)形式的能量本證方程。由上式可知，波函數(shù)與原子核的電量、質(zhì)量有關(guān)外，與原子核的具體結(jié)構(gòu)無關(guān)。由此可見，帶電巨粒子有可能形成類似氫原子的粒子結(jié)構(gòu)，本文把這種結(jié)構(gòu)的粒子名為巨氫原子。

巨粒子因?yàn)椴荒苄纬啥嗪俗拥膹?fù)雜核，只能形成單核子的巨氫原子一種。

由于泡利不相容原理的作用，即使巨粒子形成了星球，因?yàn)闆]有核聚變反應(yīng)，這樣的星球也不能輻射類似恒星的強(qiáng)光。由于沒有核聚變能量的支撐，這類星球容易在引力作用下坍縮成致密星，致密星的尺度往往較小。既不發(fā)光又尺度小，這類星體自然很難被觀測到。

4.2.2 電中性巨粒子

由式（2）（3）知道，粒子帶電是形成原子的必要條件，因此，電中性的巨粒子不能形成巨氫原子。如果有足夠多的巨粒子聚集形成足夠質(zhì)量的星球，星球也容易在引力作用下坍縮成致密星。

在天文學(xué)和宇宙學(xué)上，萬有引力是最后壓倒一切的作用力，如果在一定空間內(nèi)聚集足夠多數(shù)量的巨粒子或巨氫原子，就能收縮形成星球。由于巨粒子不能產(chǎn)生聚變反應(yīng)，沒有強(qiáng)烈的能量輻射，因此很難通過電磁手段觀測到，本文把這類星球稱為暗星。

除了形成暗星，還有大量處于離散狀態(tài)的巨粒子。暗星、黑洞可能就是現(xiàn)在認(rèn)為的暗物質(zhì)，離散的大量巨粒子就是暗能量。

5 巨粒子的來源

根據(jù)文獻(xiàn)[1]和[3]，本文認(rèn)為巨粒子的來源可以追溯到宇宙大爆炸早期的短暫的暴漲期，暴漲期的超光速疑難理論上一直存在爭議。其實(shí)，這里涉及光速的變化問題。李政道在《量子色動(dòng)力學(xué)和強(qiáng)子的孤子模型》[2]一文中建議真空有相變現(xiàn)象存在，并且認(rèn)為無限范圍的真空的行為像一種完全抗電介質(zhì)，由此，根據(jù)電磁場理論，有理由認(rèn)為在不同相真空的光速可能是不同的。文獻(xiàn)[3]據(jù)此假設(shè)不同相真空中的光速是不同的，速度的改變是量子化的，設(shè)光速的最小值為cmin，則任何真空相的光速c為

c=ncmin （5）

n為整數(shù)。以此假說為基礎(chǔ)，提供了解釋類星體超強(qiáng)發(fā)光機(jī)制和宇宙大爆炸起源的機(jī)制。從文獻(xiàn)[2]知道，宇宙大爆炸來自極端高密度物質(zhì)能量對空間的極化作用，真空發(fā)生相變，從而光速改變，使得該光速大于現(xiàn)在的真空光速值。所以，宇宙暴漲時(shí)期物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度其實(shí)并沒有超過當(dāng)時(shí)的光速，相對論依然是有效的。暴漲發(fā)生后，物質(zhì)能量在稀釋，密度在下降，下降到某個(gè)值時(shí)，真空發(fā)生相變，光速下降，光速由ncmin變?yōu)閙cmin，光速改變量？駐c為

其中n、m、j為整數(shù)。光速的突變變小，使得大量物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的正常運(yùn)動(dòng)速度變成超光速，由文獻(xiàn)[1]的理論知道這些質(zhì)點(diǎn)將做圓周運(yùn)動(dòng)，形成有自旋的粒子，質(zhì)量大的粒子則成為巨粒子。由于基本粒子的自旋是在一個(gè)獨(dú)立維度的卷曲空間里，質(zhì)量不會(huì)被分解變小，所以巨粒子大量存在，且穩(wěn)定性好。

6 結(jié)束語

本文根據(jù)文獻(xiàn)[1]解釋基本粒子自旋機(jī)制的理論基礎(chǔ)上提出存在巨粒子的可能，巨粒子是基本粒子。以巨粒子為基礎(chǔ)，能較好地解釋宇宙中暗物質(zhì)暗能量問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉發(fā)興.量子理論可能基于與相對論相同的原理[J].科技與創(chuàng)新，2019，144（24）：25-29.

[2]T D Lee. Phys.， Rev[J].1979，D19：1802.

[3]劉發(fā)興.真空相變和光速量子化及其應(yīng)用[J].科技風(fēng)，2018，361（29）：245-246.