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暗物质是由巨粒子构成的猜想探究

2020-08-27 419 上传者：管理员

摘要：暗物质是基于宇宙观测数据在理论上提出的可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，可能是构成宇宙物质的主要部分，且不属于已知的任何一种物质。根据暗物质的属性，以及理论上的可能性，文章提出巨粒子概念。巨粒子物质满足暗物质的属性，所以，文章认为暗物质很可能是由巨粒子构成的。

关键词：
天文学
巨粒子
暗星
暗物质
暗能量
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1、概述

暗物质是在宇宙观测数据的基础上从理论上提出的假设物质，可能大量存在于宇宙空间中，不发光或发出非常微弱的光，是宇宙物质的主要组成部分，质量远大于宇宙中全部可观测天体的质量的总和，约占宇宙物质的85%以上。

学术界至今对暗物质还知之甚少，推测其有以下这些属性：（1）有质量，参与万有引力作用。（2）稳定性很好。（3）基本不参与电磁相互作用，与光子的相互作用非常弱，基本不发光。（4）基本不参与强相互作用。（5）运动速度应远低于光速，通过引力作用参与形成宇宙的大尺度结构。因此可以确定构成暗物质的粒子不属于已知的基本粒子，对当今粒子物理的标准模型构成了挑战。

有理论认为暗物质是由诸如轴子，惰性中微子等构成。本文认为，中微子、轴子的质量太微小，恐怕不足以解释暗物质在宇宙物质中的巨大占比，从目前已有的观测结果来看，占太阳系物质的比例都是极小的。

2、暗物质问题的关键所在

要知道暗物质为什么暗，就要从人们认识很彻底的物质是如何发光的机制论起。在平常观测中，物质辐射的光子究其根本来源，一是由原子的核外电子在能级之间跃迁所产生的能量辐射，二是由核反应产生的能量辐射。要成为暗物质不发光，就要满足两种情况：一是不存在类似原子的核外电子作能级跃迁现象，或者不能形成原子这样的结构，自然就没有能级跃迁发生。而现在已知的物质粒子绝大部分是这种原子结构的组成部分，散落在宇宙空间中的这些粒子也可能与其它粒子在一定条件下形成原子结构。另外，从宇宙尺度的观测来讲，原子的核外电子能级跃迁产生的发光太微弱，难以被观测到，一般星体要有核聚变产生巨大的能量辐射才能被直接观测到。

暗物质在宇宙物质总量中的占比这么大，通过引力作用参与形成宇宙的大尺度结构，按正常的逻辑推理，应该形成大量暗物质星球的，乃至形成大量恒星级别尺度和质量的星球，可是，这些星球为什么没有产生聚变反应呢？这才是研究暗物质的关键所在。核反应需要有效的强作用力参与，强作用力是短程力，当两个核子中心之间的距离大于核子尺度（约2fm）时，核力急剧趋于0。如果基本粒子的尺度大于2fm，即使强作用力依然存在，也不能形成类似多核子原子核的稳定结构体。

3、巨粒子

本文把尺度大于核子的基本粒子命名为巨粒子，一般来说，粒子的质量与尺度正相关。

自然界不禁止巨粒子。根据文献[1]提出的基本粒子的自旋机制，费米子的自旋角动量l为：

m为粒子的质量，r为半径，k为0,1,2…。这个机制可解释费米子自旋角动量为确定值的半奇数倍现象。式（1）对粒子的质量没有限定，因此，自然界形成巨粒子就没有理论障碍。一般来说，质量与尺度正相关。

4、巨粒子的结团问题

巨粒子之间无有效的强作用力，还能不能结团，会不会产生聚变反应呢？

普通物质是通过万有引力作用形成星球、星系的。在自然条件下，星球有足够大的质量，在星球的核心产生足够的压力是产生聚变反应的必要条件。一般的小型结团是大量原子通过电磁作用实现。所以，如果暗物质不发光，说明组成暗物质的团块不能产生聚变反应，且粒子不能形成原子结构；如果暗物质能发微弱光，则可能有类似原子的结构，核外有电子跃迁发生。形成复杂原子必须满足两个条件：一是强作用形成原子核，二是带电。

4.1 泡利不相容原理阻止巨粒子形成复杂原子核

泡利不相容原理指出在一个电子轨道上不能存在自旋相同的两个粒子。文献[1]阐明了泡利不相容原理的根源是因为光障，因此，即使没有像原子那样的结构和核外粒子轨道，但是在可能产生相关性的空间范围内，不能同时存在两个全同的且自旋方向相同的费米子是合理的推论。

没有有效的强作用力束缚巨粒子，又有泡利不相容原理的作用，导致巨粒子不能形成复杂的原子核。

4.2 暗星

巨粒子虽然不能形成复杂原子核，但能不能形成简单原子？能否形成暗物质星球呢？下面分巨粒子电中性和带电两种情况来分析。

4.2.1 带电巨粒子

氢原子的原子核是一个质子，荷电为+e，它与电子的库伦吸引能为（取无穷远为势能零点）：

具有一定角动量的氢原子的径向波函数Á(r)rRÁ(r)满足下列方程：

及边条件

式中μ为电子的约化质量，Rl(r）满足中心力场的球坐标形式的能量本证方程。由上式可知，波函数与原子核的电量、质量有关外，与原子核的具体结构无关。由此可见，带电巨粒子有可能形成类似氢原子的粒子结构，本文把这种结构的粒子名为巨氢原子。

巨粒子因为不能形成多核子的复杂核，只能形成单核子的巨氢原子一种。

由于泡利不相容原理的作用，即使巨粒子形成了星球，因为没有核聚变反应，这样的星球也不能辐射类似恒星的强光。由于没有核聚变能量的支撑，这类星球容易在引力作用下坍缩成致密星，致密星的尺度往往较小。既不发光又尺度小，这类星体自然很难被观测到。

4.2.2 电中性巨粒子

由式（2)(3）知道，粒子带电是形成原子的必要条件，因此，电中性的巨粒子不能形成巨氢原子。如果有足够多的巨粒子聚集形成足够质量的星球，星球也容易在引力作用下坍缩成致密星。

在天文学和宇宙学上，万有引力是最后压倒一切的作用力，如果在一定空间内聚集足够多数量的巨粒子或巨氢原子，就能收缩形成星球。由于巨粒子不能产生聚变反应，没有强烈的能量辐射，因此很难通过电磁手段观测到，本文把这类星球称为暗星。

除了形成暗星，还有大量处于离散状态的巨粒子。暗星、黑洞可能就是现在认为的暗物质，离散的大量巨粒子就是暗能量。

5、巨粒子的来源

根据文献[1]和[3]，本文认为巨粒子的来源可以追溯到宇宙大爆炸早期的短暂的暴涨期，暴涨期的超光速疑难理论上一直存在争议。其实，这里涉及光速的变化问题。李政道在《量子色动力学和强子的孤子模型》[2]一文中建议真空有相变现象存在，并且认为无限范围的真空的行为像一种完全抗电介质，由此，根据电磁场理论，有理由认为在不同相真空的光速可能是不同的。文献[3]据此假设不同相真空中的光速是不同的，速度的改变是量子化的，设光速的最小值为cmin，则任何真空相的光速c为

n为整数。以此假说为基础，提供了解释类星体超强发光机制和宇宙大爆炸起源的机制。从文献[2]知道，宇宙大爆炸来自极端高密度物质能量对空间的极化作用，真空发生相变，从而光速改变，使得该光速大于现在的真空光速值。所以，宇宙暴涨时期物质的运动速度其实并没有超过当时的光速，相对论依然是有效的。暴涨发生后，物质能量在稀释，密度在下降，下降到某个值时，真空发生相变，光速下降，光速由ncmin变为mcmin，光速改变量△c为

其中n、m、j为整数。光速的突变变小，使得大量物质质点的正常运动速度变成超光速，由文献[1]的理论知道这些质点将做圆周运动，形成有自旋的粒子，质量大的粒子则成为巨粒子。由于基本粒子的自旋是在一个独立维度的卷曲空间里，质量不会被分解变小，所以巨粒子大量存在，且稳定性好。

6、结束语

本文根据文献[1]解释基本粒子自旋机制的理论基础上提出存在巨粒子的可能，巨粒子是基本粒子。以巨粒子为基础，能较好地解释宇宙中暗物质暗能量问题。

参考文献：

[1]刘发兴.量子理论可能基于与相对论相同的原理[J].科技与创新,2019,144(24):25-29.

[2]TDLee.Phys.,Rev[J].1979,D19:1802.

[3]刘发兴.真空相变和光速量子化及其应用[J].科技风,2018,361(29):245-246.

刘发兴.暗物质由巨粒子构成的猜想[J].科技创新与应用,2020(25):67-68.

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期刊名称：天文研究与技术

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主管单位：中国科学院

主办单位：中国科学院国家天文台

出版地方：云南

专业分类：科学

国际刊号：1672-7673

国内刊号：53-1189/P

创刊时间：1977年

发行周期：季刊

期刊开本：16开

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