对于某一粒子，宇宙温度大于其质量时，就被称为它处于“辐射”状态，而当宇宙温度小于其质量时，就说它以“实物”状态存在。

对于某一粒子，宇宙温度大于其质量时，就被称为它处于“辐射”状态，而当宇宙温度小于其质量时，就说它以“实物”状态存在。

戏说暗物质（一）

(2010-12-16 13:52:26)

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标签： 暗物质

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在此之前，我们不妨先看一下时空、引力和物质之间的关系，我这里说保守的说法：时空有其固有的几何结构，就是我们常说的Lorentz群结构，如果不考虑物质的影响，我们可以称之为纯度规场；引力有来源，是物质的能量动量张量，引力的来源的张量要求其实已经表达了这样一个意思，就是物质场和纯度规场的耦合，或者换句话说，我们写出的表述物质的Lagrangian被要求是广义协变的。在爱因斯坦引力理论里面，时空、引力和物质就是这样的一种联系，物质就是物质，时空就是时空，相比粒子物理的规范相互作用，引力理论中所谓的规范相互作用（物质场和纯度规场的所谓耦合），很不相同，从这个角度看，我本人认为，引力理论不存在被要求实现量子化的条件。所以，跳出这个话题，如果你问暗物质是否会影响时空几何结构？那么答案应该是明显的，时空的几何结构不会被物质所影响，只不过能够表现出来物质的引力效应。

然后，我们再简单看一看粒子物理能够告诉我们什么？它能够告诉我们：宇宙不管多大，粒子一共有几种，哪个和哪个如何相互作用，作用强度有多大。大家都知道只有四种力，强，电磁，弱，引力，前三种力都可以用粒子物理里面有名的标准模型SM——它只是简单的一个方程而已——很好的解释，参与强作用的是六种夸克，传播强作用的是八个胶子，参与弱作用的是六种轻子，传播轻作用的是另外三种矢量玻色子，轻子不参与强作用，轻子和夸克都参与电磁相互作用，而传播电磁相互作用的是光子。这些都是亚原子尺度的事情，质子的原子核是由上面说的六种夸克里面的三个（两种）组成的，原子核外还带了电子。我们都知道在温度升高的时候，原子核核外电子热运动动能足够高可以挣脱原子核的束缚，如果温度再升高，就会看到看到组成质子原子核的夸克了。其实每一个夸克本身还带有三种颜色，这是说它带有颜色这种量子数。这是一种隐性的量子数，夸克看起来永远都是颜色单态，因为一种被称为色禁闭的机制。

好了，现在以我们的时间为起点记为137亿年，逆着时间箭头往回跑，宇宙的温度越来越高，跑到约10^-43s的地方，（这个时间对应的能量就是Plank能量10^19GeV,我们经常用能量来表征时间，关系式是时间约等于能量的方的倒数，时间量纲秒，能量量纲MeV，可以看出随着时间增加，宇宙在降温，这是由宇宙学标准方程决定的，这个标准模型可不是第二段说过的粒子物理标准模型),我们姑且停下来，因为前面挂着一牌子说“虽好别进，后果自负”，牌子后面是脾气火爆的宇宙大爆炸大叔，关于这位大叔，至今还有不同版本的传说，（正经点说，在时间的奇点，时空的特性和物质的特性被最大程度“混合”在一起，第一段云淡风轻的处理方法不再适用，这时候时空的几何特点会和物质之间存在复杂的关联）。在我们停下来的地方，会看到什么呢？想一想上一段最后的内容，对了，这时候能被电离的都被电离了，宇宙之间茫茫然一片炖着夸克，轻子，那些矢量玻色子，还有其它一些粒子（其它意指没有定论），这些粒子不停歇的相互作用着。

在时间箭头的正方向，宇宙不断膨胀降温，当温度降到大约0.1GeV（10^-4s）时，夸克们结合成了质子中子这样的复合粒子（被称为强子）。这里要提到宇宙学中的“辐射”和“实物”的概念，一般而言，对于某一粒子，宇宙温度大于其质量时，就被称为它处于“辐射”状态，而当宇宙温度小于其质量时，就说它以“实物”状态存在。那么质子质量约为0.938GeV，它显然已经处于实物状态。宇宙这时候总体来说是辐射粒子多一点呢还是实物多一点？就是说宇宙的质量密度主要是来自辐射粒子还是实物粒子？简单的计算表明这时候的宇宙是以辐射为主的，那到什么时候实物的总的质量密度和辐射差不多相等了呢？那是再降温到大约1ev（3*10^4a）时的事情了，不过不要急，在0.1GeV到1ev这近一万年时间里还发生着别的事情。

电子和反电子，它们除了电荷相反，其它性质都相同，这样的一对粒子，被称为粒子和反粒子，区分正反粒子的标准不只是电荷，二者可以相反的量子数都相反，比如电中性的中微子和反中微子，它们的区别在于其自旋在运动方向的投影。现在有一个问题，宇宙中粒子和反粒子应该一样多吗？直觉上似乎没有什么理由让它们不一样多。上一段提到过当宇宙温度等于某一粒子质量时，它就以所谓的实物状态存在，这是指此时它已经处于非相对论状态，退出了原来的相互作用平衡态，开始成对的湮灭，数密度剧烈减少，而伴随这个过程，宇宙还在膨胀，这膨胀减缓了湮灭的过程，在这两个过程的竞争中，有一个时刻数密度足够低，粒子不再发生湮灭，数密度稳定了下来，这就是它退耦的时刻。对于正反夸克（重子），按照上述思路计算出来的退耦温度在22MeV左右，而留下的重子数密度与光子数密度的比值在10^-18这个量级（正反重子数密度一样）。这样一来就存在两个矛盾，第一是并没有观测到同样比例的反物质，第二是根据现在宇宙学的观测表明，满足现今宇宙中元素配比的重子数密度和光子数密度得是10^-9这个量级，10^-18显然太小了。这说明，就算最初宇宙是正反夸克等量的，在湮灭开始前，宇宙中正反夸克数密度也需要是是不相等的。但是很可惜，经计算表明，在10^8个核子区域中，反夸克比夸克少几个就够了，这样的小量是很不自然的。关于这个问题的解决办法最终被一个俄国物理学家Sakharov归结为了三点，有兴趣可以自己搜索一下。落实到具体模型的话，前面提到的粒子物理标准模型不能很好满足这个要求