说说宇宙起源、暗物质和暗能量那点事
2015年12月15日
宇宙起源、暗物质和暗能量本来属于和睦相处的同根亲族。只是后来宇宙起源弄了个“大爆炸”的名头，在道上叫得很响，反而把自家人的关系搞得有些淡化。俺也曾经质疑过“大爆炸”的根底，现在发现它是位善良淳厚、卓逸不群的智者，与其颇具野性的品牌丝毫无关，故写篇科普短文来弥补这个过失。此外，觉得“聚源说”比 “大爆炸”要好听些。
我们每日呼吸空气，但看不见氮、氧、氢、氩这些空气的成分。同样，茫茫天际中除了人类目前能探知的天体外，比如说陨石、流星、行星、恒星，在看上去空旷无边的空间里，科学家们认为存在暂且看不见、探不着的物质并称之为暗物质。此外，基于大范围内的天体运动状态，科学家们认为有一种尚未知晓的能量在驱动它们并称之为暗能量。此外，科学家们认为宇宙起源于一个有超高密度的点状聚源，如今的万物来自于该点状源扩展后的变化。与说得过去的定性描述相比，这些理论的定量证据就显得微不足道。从人们寄希望于中微子来揭晓宇宙秘密的心态来看，摸着石头过河的模式仍占主导地位。
微观世界展现的奇妙令人叹为观止。越是被认为是深不可测的难题，上天偏偏要出人预料地造出些简单明了的答案。下面的示图来自物理方程的精确解，用来模拟一下与宇宙起源、暗物质和暗能量有关的那点事。
图中的两串圆点表示两组微观粒子的解。黑点粒子组每个粒子有相同的质量M, 红点粒子组每个粒子有相同的质量m，其中M > m。图中粒子的直径和质量都小于或最多接近电子。两组粒子的个数都是无穷多。每组粒子都是从左到右、从大到小排列。也就是说，在黑点组里，粒子的直径满足 D1 > D2 > … > Dn ; 同样地，在红点组里，粒子的直径满足d1 > d2 > … > dn。在一对一的位置上，Dn > dn。从研究电子的最新结果推测【1】， 这些粒子带电荷的可能性不大。
所有已知的亚原子粒子都是方程的解。区别就是重粒子可用已知的实验技术测量而轻小粒子目前尚不可度量，比如说光子。
暗物质：满足方程的各种粒子串有无穷多，所以它们应该是无处不在，充满那些目前认为是一无所有的空间。
暗能量：暗能量的来源有两部份，传统和非传统意义上的能量。无论是从宏观还是微观的视角看，空间里粒子的动能和密度的不均匀性可以导致粒子流传播扩散，因而引起非平衡动态，这是传统意义上的暗能量。在条件允许之下，当黑点粒子串中的一个粒子转变成红点粒子串中一个更小的粒子时，它可能会失去一部份质量，其值等于M-m。根据爱因斯坦的质能转换公式，这部份质量转变为非传统意义上的能量。虽然单个粒子所产生的能量不明显，但在无边无际的空间里，不可计数的粒子所产生的能量可以聚集成巨大无比的动力来驱动各类天体的运动。非传统暗能量的反向转化过程目前在理论上没有约束，但实际上要难的多，相当于裂变与聚变的对比。
宇宙起源：从图中可知，那些直径趋于无限小的粒子，由于质量不变，它们的密度就趋于无穷大。这些超高密度的渺小粒子是宇宙最初起源的见证人或证据。特别值得强调的是，这些小粒子按精致完美的数学规律成型，没有任何随机的痕迹。这给前面贴子中展示的那些简洁优美的方程提供了一个更深层的解释。
顺便说一下另外两个熟知的概念，它们是弦论和黑洞。
弦论：把图中的直径当线段处理，这些细小线条与弦论中的弦很相似-万物由弦集成。
黑洞：把图中的质量换成一个给定的直径，把所有的粒子直径换成从小到大的质量群。那些超大质量值与有限尺度的几何体组合形成黑洞的基本特征。
以上的分析局限在传统的三维物理空间里，对那些包含四个物理量的组合现象，比如说八大行星的排列和伽俐略卫星的勾股定理，种种迷团仍在，还有许多研究工作要做。一种推测是，在高维空间里，视力所及的三维空间没有所看到的那么大。
科学研究向深度推进需要发展极高倍数的显微镜和其它测量技术。此外，空间探索和天文观测的手段和方法都要有一个质的变化才会产生大的惊喜。
【1】https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.115.231802
