由黑洞形成的引力分子:将指引我们发现暗物质

黑洞有很多值得注意的地方,尤其是它们的简单性。这种简单性使我们能够在黑洞和其他物理学分支之间看到惊人的相似之处。

例如,有研究人员证明,一种特殊的粒子可以存在于一对黑洞的附近,就像电子在两个氢原子之间形成化学键一样——这是首个"引力分子 "的例证。

这种奇异的结构可能会提示出暗物质的身份和时空的终极本质。

要解释引力分子的存在,首先需要探索现代物理学中最基本的——但几乎从未被弄明白的对象:场。

场是一种数学工具,可以看做是关于空间的函数。比如说,温度就可以看做是一种场:C(空间坐标)=那一处的温度。

类似于温度的场被称为"标量"场,因为只涉及数值。

在物理学领域还有其他种类的场,比如 "矢量"场和"张量"场,它们为时空中的每个位置提供了不止一个数字。(例如,如果你看到一张气象图,除了风力数值外,还有风向)

幸好本文只需要知道何为标量场。

原子引力对偶

在20世纪中叶的盛世,物理学家们意识到,场不仅仅是方便的数学小把戏,它们实际上是现实世界超基本的东西。基本上,宇宙中的一切其实都是一个场。

以卑微的电子为例。我们从量子力学中知道,要确定电子的实时确切位置是相当困难的。但在现代物理学中,我们将电子表示为一个场——它告诉我们下一次观察时有可能发现电子的位置。

场会对周围的世界做出反应,最终的结果是,电子只能出现在原子核周围的某些区域,从而使全部化学成为可能(我有点简化,但你明白我的意思)。

黑洞之友

现在轮到了黑洞。在原子物理学中,完全可以仅仅用3个数字来刻画一个基本粒子(比如电子):质量、自旋和电荷数。

而在引力物理学中,完全可以用3个数字来刻画一个黑洞:质量、角动量和电荷数。

是巧合吗?

目前还没有定论,但这种相似性确实有助于我们理解黑洞。

用我们刚刚探讨过的粒子物理学的行话来说,你可以把原子描述为一个被电子场包围的微小原子核。这个电子场对原子核的存在做出反应,并允许电子只出现在某些区域。

对于两个原子核周围的电子也是如此,例如在氢(H2)这样的二原子分子中。

你也可以类似地方式描述黑洞。想象一下,中心处的微小奇点类似于原子核,而周围的一般标量场类似于电子场。

该标量场响应黑洞的存在,并允许其对应的粒子只出现在某些区域。

研究发现,在双黑洞附近确实可以存在标量场。更重要的是,它们自身会形成某些模式,类似于电子场在分子中的分布。

所以,在这种情况下,标量场的行为模仿了电子在二原子分子中的行为,因此被称为 "引力分子"。

为什么物理学家对标量场感兴趣?好吧,首先,我们并不了解暗物质或暗能量的本质,暗能量和暗物质都有可能是由一个或多个标量场组成的),就像电子是由电子场组成的。

如果暗物质确实是由某种标量场构成的,那么这个结果意味着暗物质在双黑洞周围会以一种非常奇怪的状态存在——神秘的暗物质粒子必须存在于非常特定的轨道上,就像电子在原子中轨道一样。

但双黑洞系统不会永远维持下去,它们会不断辐射引力波,最终碰撞合并成一个黑洞。

这些暗物质标量场会影响这种碰撞过程中发出的引力波,因为它们会过滤、偏转和重塑任何通过暗物质密度增加区域的波。

这意味着我们或许能够在现有的引力波探测器中以足够的灵敏度来探测这种暗物质。

简而言之:我们也许很快就能确认引力分子的存在,并通过它打开一扇通往宇宙中隐藏的暗物质的窗户

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