探寻应当真实存在的平行世界

刘本林

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暗物质与伽马射线暴是当代天文学中两个热门且令人费解的方向。我们如果将两者融合，加以通盘考察分析，则会发现一个令人惊喜的结论：在我们熟悉的世界之外，应该存在着平行世界：拥有自己的太阳、行星，行星上还可能拥有生态圈。当然，我们无法体验到这个世界阳光的温暖，那里也无法感受我们的阳光……然而，这个世界真实存在，就如同我们世界一样。本文选择用术语“平行世界”，以区别于“平行宇宙”。“平行宇宙”概念常被用来解释量子测量结果，数量极多，像是我们所处宇宙的影子，但其真实性未被确证。

“暗物质”概念源于人们对星系团质量的研究。1933年，瑞士学者弗里茨·兹威基在估算后发座星系团的总质量时，同时使用了两种方法：光度法与动力学法。结果发现，用动力学法推算的星系团质量远大于用光度法推算出的结果。兹威基的观点是，在后发座星系团中，存在着大量具有引力但不发光的物质，即后来所称的“暗物质”。后发座位于北斗七星南部，没有明显亮星，是一个包括数千乃至上万个星系的星系集团。值得说明的是，后发座星系团与其他多个星系团相似，具有较强的X射线辐射。起初，人们并不看重兹威基的结论，但20世纪80年代前后科学家对银河系与仙女星系（M31）中恒星运动与光度的观测与分析，支持了兹威基的结论。后来人们发现，现代天文学绕不开兹威基的发现。

在过去数十年中，人们倾向于认为暗物质以粒子状态弥散在星际空间：它们稳定，除了具有引力作用以外，与通常物质的相互作用极其微弱，自身间的相互作用也微弱；它们不是质量非常大（例如质量为质子数十倍的WIMP粒子），就是数量非常多（例如轴子，质量非常小）。当然，略显遗憾的是，数十年来，这些好像是为解释星系额外引力源而量身定制的粒子，在精心安排的物理实验与天文观测中都没有现身。应当认为，目前人们还不明白暗物质到底是什么。

伽马射线暴由美国空间轨道探测器发现于20世纪60年代末。目前，在空间运行的探测系统平均每天能记录到一个伽马射线暴事件。伽马射线暴的特征是辐射能流密度极高，时间短（0.1秒至100秒），变化迅速且不规则。通常第一个脉冲结束以后紧接着会有第二个、第三个脉冲出现（脉冲数1个至5个）。长期研究表明，伽马射线暴在短短的数秒时间内，辐射的能量往往可以达到或超过1046焦耳。太阳的功率约为3.82×1026瓦（可从太阳常数1360瓦/平方米，日地平均距离1.496亿千米算得），在预期100亿年（3.15×1017秒）的寿命中，太阳辐射能量的总和约为1.2×1044焦耳，仅为上述伽马射线暴在数秒中的辐射能量的百分之一左右。

目前，有些人试图将部分伽马射线暴理解为致密天体（中子星或黑洞）并合过程中的电磁辐射，并尝试用最新探测到的引力波作为佐证。然而，该观点并不完全令人信服。恒星并合的事例闻所未闻，这与几乎每天都能记录到伽马射线暴的事实不符。此外，致密天体并合，其辐射过程相对一致，这明显与伽马射线暴捉摸不定的模式不一致。到目前为止，多数人更趋向于将伽马射线暴归入一种原因不明的、无与伦比的电磁（光子）辐射过程。

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其实，在目前人们所知的恒星演化过程中，有一种辐射机制在强度与时长等多方面可以与伽马射线暴相比拟：这就是超新星爆发中伴随的中微子辐射过程。

超新星是一种引人注目的天象，中国古代称之为“客星”，数朝历史文献均有记载。《宋史·仁宗本纪》对公元1054年超新星（SN1054）记载道：“嘉祐元年三月辛末，司天监言：自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没。”更详细的历史记载表明，这颗超新星最亮时竟然亮如金星，白天都能看到，并持续了23天，而夜晚可见的时间持续了15个月。

现代，天体物理学对恒星演化以及超新星爆发机制已具有清晰理解与详细分类。

通常，恒星辐射源自恒星中心的核聚变释放的能量。该能量在恒星中心释放，抵抗恒星内部的巨大压力，并以辐射传导的方式传送至恒星表面，形成电磁辐射。由于恒星核聚变存在部分中微子辐射，其辐射的能量值略低于核聚变前后的质量差所对应的值。当大质量恒星演化至晚期，核聚变进行到铁核时，其聚变过程不再产生能量。此后，恒星核心并不以缓慢的方式逐步收缩，而是以塌缩方式快速地转变为致密天体。20世纪30年代初，在查德威克发现中子后不久，兹威基与巴德就意识到，晚期恒星核心塌缩为中子星是（II类）超新星爆发的原因。令人惊奇的是，在英国学者修伊什与贝尔发现首颗脉冲星之后，意大利的佛朗哥·帕齐尼等人于1968年在中国历史上有记录的1054年超新星爆发的遗迹——蟹状星云——中找到了每秒转动约30周的中子星。

这样，自观测客星开始的这段历史千年呼应，中西贯通，结局似已非常圆满。然而，故事没有就此结束。

早在中子星被发现之前，人们就着手核算超新星爆发的能源收支狀况。

这其实并不费解，如果假定质量为M的物体收缩前后均为匀质的球体，则其释放的引力势能可根据牛顿引力定律做积分运算获得：

E=（9/15）[（1/r）-（1/R）]GM2（1）

式中，R为球体收缩前的半径，r为收缩后的半径，G为引力常数，值为6.67×10-11N·m2/kg2。一般情况下，恒星收缩前后并不是匀质的，但恒星大幅度收缩释放的能量仍可以表达为：

E≈（1/2）（1/r）GM2（2）

对于较大比例的收缩，（1）式中（1/R）与（1/r）相比是小量，在（2）中可略去不计。

19世纪后半叶，在发现原子核之前，开尔文与亥姆霍兹试图用星云收缩成为恒星而释放的引力势能来解释太阳发光的能源机制。然而，定量核算无法通过。太阳质量约为2×1030千克，当从数光年的稀薄星云收缩到半径为65万千米时，其具有的引力势能约为4×1041焦耳，可维持太阳辐射约1015秒，尚不足4000万年，远不能与地球已经具有的数十亿年的地质学史相匹配。

对于恒星核心塌缩与超新星爆发，则是另一种能量不匹配。

如果1.5倍太阳质量的物质塌缩到原子核密度，即1018千克/立方米，其中子星的相应直径约为18千米，引力收缩释放的势能则为3×1046焦耳（约为致密天体的静质量的10%左右）。这是一个极高的能量值，且奇迹般地与伽马射线暴的辐射平均预期值处于相同量级。然而，超新星爆发没有消耗这么多能量。

通常，超新星的亮度在太阳的1亿倍左右，其辐射功率约为1035瓦。超新星爆发的时间通常不足2年（6300万秒），则超新星爆发辐射的总能量不大于1043焦耳，尚不足前述恒星核心塌缩的引力势能的千分之一。即使考虑到超新星爆发抛射的气体物质具有的动能，与超新星可视部分相关的能量仍不及晚期恒星核心塌缩释放的引力势能的1%。

1964年（此时，距发现中子星尚有数年），美籍华裔学者丘宏义在细致核算了晚期恒星能量流转差额问题后，提出了新的观点：导致超新星爆发的晚期恒星核塌缩释放的引力势能大部分通过中微子形式无障碍（或极低障碍）且即时地从星体中辐射出去。

中微子概念源于β衰变研究。在精确测量了原子在β衰变中发射的电子动能分布后，泡利与费米提出，原子在β衰变中发射电子的同时，还辐射了一种名为“中微子”的粒子：它以光速运行，不带电，与物质的相互作用极其微弱。按照目前的恒星演化理论，在晚期恒星塌缩过程中，中微子辐射具有两种方式：

一种方式是原子核（主要是铁核）中的质子在晚期恒星塌缩时吸收电子，转变为中子并辐射出中微子。1.5倍太阳质量的铁核具有的质子数量约为1057个，每个质子与电子合并为中子需吸收1.3兆电子伏，辐射出的中微子带走数兆电子伏的能量，该过程将消耗约1045焦耳能量。

另一种方式是热中微子。当塌缩形成的致密天体的密度很高时，对中微子也变得不透明。这时，电子、正电子与中微子、反中微子将组合在一起参与致密天体的热平衡，中微子的能量分布由费米分布描述。恒星核心塌缩成中子星初期，塌缩释放的引力势能转变为中子的热运动动能，其温度达到1012℃（超出太阳表面温度约1000万倍）。热中微子的辐射规律与电磁波的黑体辐射规律相似，由斯特番-玻尔兹曼定律描述，其辐射强度正比于其温度的4次方，单位面积辐射强度超出太阳1028倍。即使考虑到中子星的表面积仅为太阳表面积的百亿分之一，形成初期的中子星的电磁热辐射与中微子热辐射功率仍比太阳的辐射功率高出1018倍以上。极高功率的电磁热辐射在加热致密天体外部及未参与塌缩的物质的同时，也遭到这些物质的反射与阻拦，中微子则几乎无障碍地穿越这些非致密物质，使得晚期恒星核塌缩得以在短时间内完成。若仅仅具有电磁辐射传导，超新星爆发或将不会发生：即使核聚变不再产生能量，参照开尔文与亥姆霍兹的模型，晚期恒星可以通过引力收缩逐步释放能量，以维持晚期恒星平稳地“点亮”极长时间。

丘宏义提出超新星爆发同时伴随中微子辐射的观点时，响应者很少，自己也不是信心十足。他曾说，估计这个观点需等待很长时间才能获得观测验证。

然而，无须如同从SN1054超新星爆发遗迹中找到中子星那样等待1000年。在邱宏义提出他的晚期恒星演化模型20年后，人们在超新星SN1987A的综合观测中，记录到了预期的中微子辐射。在SN1987A被光学观测到的当天，世界上有4个中微子实验室在数秒内记录到27个来自宇宙空间的中微子。其中，日本神岗中微子观测站与美国IMB中微子观测站记录到的数据如下：

然而，无须如同从SN1054超新星爆发遗迹中找到中子星那样等待1000年。在邱宏义提出他的晚期恒星演化模型20年后，人们在超新星SN1987A的综合观测中，记录到了预期的中微子辐射。在SN1987A被光学观测到的当天，世界上有4个中微子实验室在数秒内记录到27个来自宇宙空间的中微子。其中，日本神岗中微子观测站与美国IMB中微子观测站记录到的数据如下：

上述研究还启发了人们对暗物质的理解，可能开启故事的新篇章。

3

笔者是天文爱好者，自幼热爱星空，广泛阅读所有能够接触到的天文学书刊。当暗物质与伽马射线暴逐渐为人们了解时，也吸引了笔者的高度关注。

2007年3月下旬，笔者去石家庄探访网名“玉石”的天文同好。与“玉石”交流期间，笔者突然意识到，伽马射线暴很可能就是暗物质世界中的超新星爆发时伴随的暗中微子辐射！

在随后几个月中，笔者将上述思路整理成“平凡暗物质假说”。

按照“平凡暗物质假说”，暗物质虽然与人们接触到的物质世界的相互作用非常弱（引力除外），但应并不弥散，它们应存在于独立普通物质的相互作用，并形成多种（层次）凝聚状态。假定暗物质恒处于弥散状态，仅作为我们世界的引力背景而存在，这种思路其实与哥白尼原理相悖。哥白尼原理认为：宇宙没有中心，所有位置平权。

我们试图将哥白尼原理最大限度地推廣到对暗物质的理解与探索方面。我们设想，对应于可视世界的光子、电子、夸克，暗物质世界相应存在暗光子、暗电子、暗夸克。我们设想，除了“共享”的引力相互作用以外，暗物质粒子具有独立于我们可视物质之外的暗电磁相互作用、暗强相互作用。我们可视世界中的基本粒子不参与暗电磁相互作用与暗强相互作用，相应的，暗物质粒子也不参与我们熟知的电磁相互作用与强相互作用。这就如同引力作用不参与电磁相互作用与强相互作用一样。从这里出发，我们将能导出一个比较熟悉、并不费解的暗物质模型。因此，我将其称为“平凡暗物质假说”。

与我们可视物质中上夸克与下夸克的不同组合可构成中子与质子相类似，在暗物质世界中，通过暗强相互作用，暗上夸克与暗下夸克的不同组合也可构成暗中子与暗质子。而暗中子与暗质子以不同数目组合，可以组成与可视世界相对应的各种暗原子核。这些暗原子核与暗电子结合在一起，可以通过暗电磁相互作用组成各种暗原子。与我们可视世界中的情形相似，排列这些暗元素，也可以组成门捷列夫周期表，其中包括26个暗质子、30个暗中子的暗铁元素，也是核势能最低的暗原子核。

这些暗原子可以构成暗物质的各种化合物及凝聚态。例如，暗1号、暗6号、暗7号与暗8号元素，分别为暗氢、暗碳、暗氮、暗氧元素，它们可结合生成各种暗氨基酸等有机物，这些暗氨基酸可构成暗蛋白质，并与暗核酸等构成暗物质世界中生命的基础物质。当然，暗物质世界的生命与我们世界也可能有些差别。例如，在我们世界中，手征特性左旋的氨基酸与右旋的糖类具有生物活性。根据直觉推测，在暗物质世界中可能正好相反，手征特性右旋的暗氨基酸与左旋的暗糖类才具有生物活性。笔者无意继续延伸暗物质世界生命的话题，毕竟在可预期的时间范围内无法验证这些猜想的真伪。我们应将注意力集中在那些可以验证的效应上。

不难想象，在暗物质世界中，分布着多种形式的暗物质天体，暗物质恒星则是其中一种。这些暗（物质）恒星应当源于暗氢原子、暗氦原子等组成的暗物质星云，在引力作用下收缩并升温后，点燃暗氢原子核聚变反应，成为发射暗光子（中微子）的暗恒星。这一切与我们所见的世界相当。这些暗恒星发射大量暗光子，在暗物质世界的天空中星光闪闪，熠熠生辉。当然到目前为止，限于我们的中微子探测能力，暗恒星仍在我们直接观测视野之外。

由于物质与暗物质之间不存在可引起明显碰撞、动量转移等的短程相互作用，所以两类物质之间的黏滞作用非常弱，从星云收缩直接形成两种物质比例接近的混合天体的情况应非常罕见。当然，由于两者具有引力相互作用以及可能存在的某些未确认的相互作用，在我们可视物质天体（尤其是核心）中包含少量暗物质应是可理解的，反之亦然。值得说明的是，即便可视物质与暗物质形成混合天体，两者共存于同一空间（如在同一颗恒星的中心），但它们依然具有相互独立的温标系统，因为两者具有各种独立的电磁相互作用及辐射传导。

平凡暗物质假说推测，可视物质与暗物质之间并不是完全平行而且毫不相关的。它们之间应存在着一些重要的联系纽带，中微子可能就是其中之一，它很可能就是暗物质世界中传递暗电磁相互作用的暗光子。相应的，可视物质世界中的光子在暗物质世界中也扮演着暗中微子的角色。

沿用现代恒星演化理论，当暗恒星中心的暗物质核聚变进行到暗铁核时，晚期暗恒星中心发生塌缩，塌缩释放的引力势能使得形成的暗中子星达到极高温度，随即形成极高强度的暗光子与暗中微子（中微子与光子）辐射，辐射的暗光子在加热晚期暗恒星外部非塌缩暗物质、形成暗超新星爆发的同时，也被这些暗物质反射、遮挡与迟滞。然而，源自暗中子星的暗中微子辐射，则几乎无障碍地穿越了晚期暗恒星外部的非塌缩暗物质，有效地将暗恒星塌缩释放的巨大引力势能带出，形成时间很短、强度极高电磁辐射，即伽马射线暴。

与伽马射线暴相伴的暗超新星爆发，其辐射的中微子强度虽比正常暗恒星的辐射强度高出数以亿倍，但仍未达到可被人们观测的强度。在可视世界中，在超新星爆发的同时辐射的中微子脉冲，即暗物质世界星空中的伽马射线暴，其中微子辐射强度比暗超新星的中微子辐射强度还要高出数以亿倍，但人们通过大型中微子探测器仅探测到1次，总计27个中微子（SN1987A）。

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在引入平凡暗物质概念之后，一些天文现象可以获得新的理解。

1.太阳中微子失踪之谜曾困扰人们许多年。在平凡暗物质假说的框架下，似可以引入更简便的理解：太阳中心核聚变产生中微子后，受到共存于太阳中的小部分暗物质的散射与变性（如同X光在气体或者固体中发生散射与改变那样）作用，通量与能区发生了变化，导致测量结果与理论预期出现较大差异。由于太阳核聚变辐射的中微子对暗物质的持续加热作用，可以推测，太阳中的暗物质应当处于气态。

2.X射线源天鹅X-1，为一距离地球6000光年的双星系统，其中包括一质量约为太阳30倍的蓝色超巨星与一质量约为太阳15倍、仅辐射X射线与伽马射线的暗星。暗星的X射线辐射具有毫秒量级的快速变动。现在，通常将该暗星理解为黑洞，但尚缺少决定性证据。

如果我们将天鹅X-1的暗伴星视为暗恒星，理解似更流畅。其中X射线辐射可理解为暗恒星中暗核聚变伴随的暗β射线，它产生于暗恒星中心，虽然在向外传播过程中遇到一些共存于暗恒星中的普通物质的散射与改性，但基本保持了核聚变现场的基本特征。快速变动则表明该大型暗恒星中心的暗核聚变并不十分平稳，呈“噼噼啪啪”的燃烧状态。这种核聚变不平稳状态甚至在太阳中也存在，我们可以将太阳耀斑理解为其核聚变形成的高温气泡溢出太阳表面的现象。当然，人们尚无灵敏的中微子探测技术对太阳核聚变现场进行实时观测。对于暗恒星，我们虽不能感受到它发出的（暗光子）光辉，但是其核聚变状态通过暗中微子（X射线）直接从现场传出，并为人们观测到，实为趣事一件。

3.许多星系团具有X射线背景辐射，似应理解为其中暗恒星在暗核聚变过程中辐射暗中微子。据费米伽马射线空间望远镜的探测结果，银河系也具有超过预期的高能电磁辐射，似也可归入银河系中的暗恒星核聚变伴随的暗中微子（光子）辐射。

4.综合外行星（木星以外的行星）运行轨道天文观测结果，人们推测，在冥王星轨道外，应存在一颗质量数倍于地球的大行星，即未知第九大行星。但光学望远镜搜寻多年尚无结果。近2年，有人根据未知行星的预期轨道特点推测，该未知行星可能是太阳系俘获的一颗大行星。

据此，我们可做出进一步推测：未知大行星可能是一颗被俘获的暗物质行星，它光学“隐身”，自然望远镜直接搜索多年无果。

5.2016年，美国激光干涉引力波天文台宣布探测到引力波短促的波动信号，其中GW150914、GW170814等5个引力波信号无伽马射线暴伴随，被认为来自遥远的双黑洞并合，另有一组GW170817有伽马射线暴伴随，被认为来自双中子星并合。这些引力波信号无一例外地被解释为遥远的致密天体并合引起的引力波辐射。

恒星与暗恒星塌缩可能给探测到的引力波一个更易理解的说明。

恒星与暗恒星都具有自转，塌缩时，极区自转影响小，塌缩比赤道区更快，这导致晚期星体的塌缩通常是非球对称的，最初形成的中子星预期是一个快速旋转的铁饼状天体。该铁饼状中子星在自身引力作用下，边缘将向中心收缩，随后应变成橄榄状，并伴随中子星转速上升。随后，致密天体自身的引力使凸出的两极向下回落，恢复成铁饼状，并伴随中子星转速下降。中子星的鐵饼—橄榄两个模式周期转化，将通过转速变化与形状变化辐射频率相同的引力波，并对中子星的变形产生阻尼，形成短脉冲引力波辐射。

为什么多数引力波记录没有相应的伽马射线暴记录？原因可能在于，无伽马射线暴伴随的引力波信号可能来自超新星爆发伴随的普通物质的晚期恒星塌缩，初期致密天体在经历铁饼—橄榄来回变动产生引力波的同时，致密天体热辐射形成的是难以探测的中微子脉冲。细致搜索超新星观测结果，也许能够找到一些对应的记录。搜索时，应注意到引力波、伽马射线暴或者中微子脉冲通常以秒为时间单位进行记录，而超新星爆发时间通常以小时为时间单位进行记录，较大幅度滞后于引力波信号记录。

进一步，从目前无伽马射线暴伴随的引力波信号多出有伽马射线暴伴随的引力波信号（仅一例）数倍的事实来看，可能存在多个类型的平行世界。其中有些平行世界的致密天体形成之初所伴随的辐射既不是光子辐射，也不是我们已有所认识的中微子辐射。

对于引力波辐射机制与含义的进一步分析，有待引力波探测精度的进一步提高。

6.在地球范围内如果存在“平凡的”暗物质，应位于地心，且呈固态。因为从太阳接收到的中微子辐射能流量为阳光能流量的4%左右，位于地心的暗物质辐射平衡温度应不足100K。在此温度下，暗氢、暗氦元素仍为气态，但其他暗物质元素应为固态。如果地心具有固态暗物质，那么地心对于中微子（暗光子）应是不透明的，可设置实验加以验证。

类似的实验有美国费米实验室进行的MINOS实验：用费米加速器产生的高能质子撞击石墨靶，产生派高能介子，导入衰变管后，衰变为中微子，穿越地壳，指向734千米之外的安装在矿坑中的中微子探测器，以检验中微子特性，并测量中微子速度。稍后，欧洲核子中心以超级质子加速器为基础进行了类似实验。

上述实验中，中微子在地球内部穿越最深处距地表约12千米。检测地心是否具有中微子不透明的暗物质，则需将中微子束指向地心，并在地表的另一侧设置中微子探测器。此时，中微子在地球内的穿越距离为地球直径，是MISON实验距离的17倍；相同条件下，中微子束到达地球另一侧的流强约为MINOS实验的1/300。可以预期的是，处理这些问题应不存在实质性困难。

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我们从伽马射线暴与超新星爆发伴随的中微子辐射具有相似特性出发，推测暗物质具有凝聚态，并形成与我们世界高度对称、因而并不特别令人费解的暗物质世界。在理论物理学界，已经有“超对称”理论解释过暗物质，与之呼应，可将描述平凡暗物质对称性的观点称为“平凡对称”。一般说来，“平凡对称”还只是一个初步概念，细节有待探索与斟酌。

如果最终能确认暗物质是平凡的，不但将在很大程度上改进我们对宇宙天体的认识，还有可能改进人们对微观世界的認识，加深或调整人们对物质量子特性的理解。