我们能通过给宇宙增加更多维度来解释暗物质吗？

暗物质可能比任何人想象的还要奇怪，宇宙学家认为这种占宇宙质量80%以上的神秘物质可以相互作用。

加州大学河滨分校(University of California Riverside)物理学和天文学助理教授Flip Tanedo在一份声明中说:“我们生活在暗物质的海洋中，但我们对它可能是什么知之甚少。”

每一次试图用已知物理解释暗物质的尝试都失败了，因此Tanedo和他的合作者们正在开发可能更好地匹配观测结果的奇异模型。他们问:如果暗物质通过在一个比我们通常的3维更多维的空间中运行的连续力相互作用会怎样?这听起来很疯狂，但他们的模型能够比传统的简单暗物质模型更好地解释小星系中恒星的行为。所以值得一试。

小星系，大问题

尽管宇宙学家不知道暗物质的身份，但他们知道它的一些属性。所有的观测结果都表明，暗物质是由某种新的粒子组成的，这是物理学之前所不知道的。这种粒子充斥着每个星系，占其质量的80%以上。这种粒子一定不会与光有太多的相互作用，如果有的话(否则我们现在已经在天文观测中看到它了)。而且它一定不会与正常物质发生很大的相互作用，如果有的话(否则我们就会在粒子对撞机实验中看到它了)。

综合这些特性，宇宙学家能够建立复杂的计算机模拟宇宙中大型结构的演化。这些模拟通常与观察结果相符，但有一个有趣的警告。这个简化的暗物质预测小星系的暗物质应该非常高的密度核(宇宙学家称为“尖端”模型),而是观察表明,暗物质的密度是相对平坦的,所以这些东西必须均匀地分散在整个小星系(称为“核心模型”)。

这个“核心尖端”问题几十年来一直是暗物质研究领域的一根刺。一个成功的暗物质模型必须能够解释大小星系的行为，以及所有其他的暗物质观测。其中一种模型被称为“自相互作用暗物质”，顾名思义，它预测了暗物质偶尔会与自身发生相互作用，这意味着暗物质粒子有时会相互反弹，甚至相互湮灭。这种自相互作用使高暗物质密度区域变得平滑，在小型星系中把尖点变成了核心。

问题的核心

问题解决了,对吗?不完全是:自作用暗物质模型很难匹配其他观测结果，比如星系透镜效应(来自大量物质的引力扭曲并放大了来自其背后特定星系的光)，以及早期宇宙中星系的成长。

然而，这些仍然表现不佳的模型是基于已知的物理相互作用，这些相互作用通过自然界的四种基本力之一发生。电子通过电磁力相互作用。夸克通过强力相互作用。等等。但是，如果简单地将已知的物理学引入暗物质领域还不够，也许是时候研究全新的力量了。

Tanedo和他的合作者试图做到这一点，并在6月1日发表在《高能物理杂志》上的一篇论文中描述了他们的工作。他们的新模型极大地扩展了暗物质相互作用的可能模型，允许未知力量发挥作用。

Tanedo在声明中说:“过去两年我的研究项目的目标是扩展暗物质与黑暗力量‘对话’的观点。”“在过去的十年里，物理学家已经开始认识到，除了暗物质，隐藏的黑暗力量可能控制着暗物质的相互作用。这些可能会完全改写人们应该如何寻找暗物质的规则。”

Tanedo研究暗物质的方法包含了两个令人惊讶的特点。首先，该模型包含了一个无限谱的新力，所有这些力都在一起工作，而不是单一的力来连接暗物质粒子。第二，这个模型需要给宇宙增加一个维度，也就是四维空间。

思考宇宙之外的事物

在构建暗物质粒子如何相互作用的理论时，各种力量的无限谱(每一种都由一个质量不同的新粒子表示)允许有很大的灵活性。虽然在日常物理学中还没有类似的理论，但天体物理学家已经知道暗物质并不一定遵循通常的规则。

在解释已知物理的理论中，当两个粒子相互作用时，它们通过交换一种携带力的粒子来实现。例如，两个电子通过交换光子(电磁力的载体)而相互反弹。但是这个新模型用一个连续的，或一系列的相互作用取代了单一的相互作用，所有的相互作用一起工作使相互作用发生。

他在声明中说:“我的研究项目针对的是我们关于粒子物理学的一个假设:粒子之间的相互作用可以通过更多粒子的交换来很好地描述。”虽然这对普通物质是正确的，但没有理由假设暗物质也是如此。它们的相互作用可以用交换粒子的连续体来描述而不仅仅是交换一种力粒子"

为了增加额外的维度，Tanedo的团队借用了其他高能粒子物理理论中的一个技巧。通过一个引人注目但尚未充分证明的概念，即AdS/CFT对应(“AdS”代表范德西特，是一种时空，“CFT”代表共形场论，是量子理论的一个范畴)，一些在正常的三维空间中很难解决的物理问题在扩展到四维空间时就会变得容易得多。

通过使用这种数学技巧，Tanedo和他的合作者能够解决暗物质之间的力量如何相互作用。然后，他们可以将他们的结果转化为三维空间，并预测这些力将如何在真实的宇宙中运行。他们发现这些力的表现与我们所习惯的自然力大不相同。

他说:“对于我在物理入门课上教授的引力或电磁力，当你将两个粒子之间的距离增加一倍时，引力或电磁力就会减少四倍。”“另一方面，连续力会减少多达八倍。”

这种对暗物质粒子之间自我相互作用的修正使研究人员能够建立模拟来匹配小型星系的观测结果，给它们一个类似于“核心”的暗物质轮廓，而不是在传统的暗物质模型中看到的“尖状”。这些结果与其他可能重现“尖状”中心的自相互作用暗物质模型相似，但这个理论来自一个全新的理论方向，可能有其他观测结果。

所以还有很多工作要做。宇宙学家用暗物质来解释宇宙中许多不同尺度的观测结果。进一步的工作将揭示这个奇异的理论是否符合我们所看到的宇宙。