为什么科学家们不考虑暗物质可能来源于真空?

为什么科学家们不考虑暗物质可能来源于真空?

王清扬,宇宙学博士在读,牛牛民、小星星

先上结论:暗物质可以来源于真空,但不是现在宇宙的这个真空。

先解释后半句,我们把现在宇宙的真空近似视为平直时空的真空。题主的想法是,真空中有量子涨落,每时每刻都有粒子对涌现,那么这些粒子可以充当暗物质。实际上这种想法是错误的,原因至少有三点。

  1. 平直时空真空涨落出的粒子对都是虚粒子,它们不满足相对论能动关系,前一时刻从真空中涌现出来后一时刻就要再回到真空当中。也就是说,粒子数的真空期望值是 0,它们根本没有被真实地激发出来。
  2. 即使现在的宇宙中有真空期望值不为 0 的某种真空能,它也应该是 的负压物质。这种负压物质会造成宇宙的加速膨胀,而不是像暗物质一样提供相互吸引的引力(暗物质的状态参数 )。
  3. 每时每刻从真空量子涨落出的东西应该是在宇宙空间中均匀分布的,而暗物质在宇宙中不是均匀分布的。在 100Mpc 的尺度上呈网状结构分布,在星系的尺度上也有暗物质晕的分布。比如下面这张图,模拟了冷暗物质主导宇宙形成网状结构的过程。
冷暗物质主导宇宙形成网状结构的过程(引用自《今日天文》)

再解释前半句,既然现在宇宙真空涨落出的虚粒子不能充当暗物质的角色,那为什么还说暗物质可以来源于真空呢?答:在极早期宇宙的暴胀时期(也包括紧接其后的重加热时期),宇宙膨胀得非常剧烈,那时的时空不能再被近似为平直时空。也就是说,平直时空量子场论的结论失效,必须要用弯曲时空量子场论去研究那时的情形。弯曲时空量子场论有个特点,就是允许宇宙的真空态随时间演化。对于暴胀时期,时空是近似的“德西特时空”。在这种时空背景下,前一时刻的真空态在后一时刻就不再是真空态。也就是说,在薛定谔绘景中对真空态的定义会随时间演化而越来越“低”(或者说,在海森堡绘景中,在初始时刻固定真空态会计算出一个随时间增大的 mode function)。这样一来,前一时刻从真空中涨落出的虚粒子在后一时刻就不必再回到真空,意味着它们被“实化”,成为了真实存在的实粒子。

上面的说法可能不太好理解,我做个比喻吧。想象有一片大海,海里有一群喜欢跳出水面的鱼。如果海平面高度不变,那么跳出海面的鱼总要回到海里,没有一条鱼会搁浅。但是如果海平面的高度在随时间下降,当某些小鱼跳出海面之后,海水褪去露出礁石,就总会有可怜的小鱼搁浅在礁石上再也回不到大海当中去,它们免费了。

所以,在极早期宇宙当中,暗物质可以产生于真空的量子涨落。它们在那时被产生之后就是实粒子了,不会再回到真空,也就和真空再没什么关系了。感兴趣的话可以看看这篇论文:

Vector Dark Matter from Inflationary Fluctuations