暗物质会不会是高维空间中的物质？

悦刈

科学家之所以提出“暗物质”的假说，是因为在实际宇宙观测中，有一部分力不知道是从哪里来的。由于没有观测到施加响应引力的物质，所以假说那些物质为无法观测到的“暗物质”。试想有没有可能，这些暗物质来自于一个我们无法观测到的维度尺度中的平行世界？例如有两张纸叠在一起，它们中间的差距只有1毫米。其中一张纸上的物质对另一张纸上的物质施加引力。这个引力被第二张纸上的小人观测到了，但他却看不到第一张纸上的物质（纸上的二维生物是无法向上（第三个维度）看的，就像我们无法看到第四维一样）。实际上，虽然互相看不到，但是这个小人距离那一团物质的距离就只有1毫米。有没有可能是我们无法观测到的物质距离我们也只有很小的一段距离，只是我们看不到，但却能感受到它施加的引力？

传奇私服cdegeq

知乎推荐到我时间线了，所以不邀自来。

（2.0版北京时间3月5日凌晨上线。本贴看到下面，有美女照也有视频哦。“书中自有黄金屋”，古人没有骗你，葛歌也不骗你哦。）

非常有意思的一个问题。而且题主同学的想法并不民科，只是表述上有些不清楚。下面有些答案，明明连问题都没看清楚就开始踩题主，有秀优越感之嫌哦。

题主你的两张平行的纸的表述，其实跟膜理论（M-Theory，M理论）里面的一些模型很像，也类似我在给朋友解释M理论时经常用到的阐述。既然题主你的阐述里，两张都是纸，所以其实两者的空间维度是一样的，标题中的“高维空间”并不贴切。

我的解读，题主你说“两张纸”想表达的其实是两个二维空间，这在膜理论里面称为膜，brane。普通人比较容易想象到的膜，例如日常生活中会用到的保鲜膜，都是近似二维的。当然，保鲜膜虽然很薄，但是还是在第三维有一个厚度。在膜理论里面，二维的膜是完全没有厚度的。而且，膜理论里可以有从一维到多维的膜。例如我们所在的三维空间，就是一个三维膜。而被膜包裹着的、更高一维的空间，则叫“体”，bulk。可以想象一下，一张二维膜（2-brane），构成一个球体的表面，被膜包裹的三维球体就是一个三维的“体”。而如果膜理论是正确的，我们所在的三维膜（3-brane）就是一个更高维空间的一部分。

综上所述，我觉得其实你想问的是：假如有两个各自拥有3个空间维度的三维空间，平行处于一个拥有4个空间维度及一个时间维度、符合爱因斯坦广义相对论的五维时空里，而且离得非常近。那么，其中一个三维空间里的质量会不会以引力的方式影响另一个三维空间里的质量？会不会造成在那个三维空间里有暗物质的观测结果？

答案是：会！因为根据爱因斯坦的场方程，引力必然是作用于整个时空的。

目前宇宙学中所说的暗物质，或者具体的说，根据观测到的引力透镜以及星系自旋速度差异问题的这些现象所提出的“暗物质”假设，主流的看法为：应该是我们所在的三维空间内的弱相互作用大质量粒子，Weakly Interacting Massive Particles（WIMP）。但是，根据膜理论中的一些模型，也有可能是另一个空间里的物质造成的。

斯蒂芬·霍金，在他的《膜的新世界》一书，以及同名科普记录片、多次公开演讲中，都提到过这一点。他在浙大作过的演讲链接如下：
膜的新世界_百度百科

截图：



讲下去之前，先at一下原题评论里给了题主鼓励的两位同学 @苏菲 @Dennis ，两位同学是好人。

下面来讲讲相关的两个膜理论模型。分别是普林斯顿大学的保罗·斯坦哈特教授，Paul Steinhardt，的 Steinhardt-Turok 模型，和哈佛的丽莎·兰多教授，Lisa Randall，提出的Randall-Sundrum模型。斯坦哈特以他在“大爆炸”也就是膨胀型宇宙起源理论上的工作，得过一次狄拉克奖。而兰多，则是哈佛第一位女性理论物理终身教授。（也是开贴时说的美女）

下面这个，是 Steinhardt-Turok 模型的示意图。

这个模型的要点，首先是：整个宇宙的维度比我们人类目前可以观测到的三个空间维度要高，我们人类和我们目前观测到的宇宙只是在其中一张三维膜上。第二点（也许更重要）是：宇宙是周期性的，膜与膜之间的碰撞造成“大挤压”（Big Crunch）和紧随而来的“大爆炸”（Big Bang），宇宙会终结、然后新的宇宙又马上开始。换句话说，它是一种有别于单次“大爆炸”那一类膨胀理论（inflation cosmology）的宇宙起源理论。而且基本符合宇宙微波背景（Cosmic Microwave Background, CMB）的观测结果。




铛铛铛，等了好久的美女照终于要来了。



当然上面那张是早年。很抱歉，我们米国的物理学界也不能免俗，要讲颜值神马的。

下面这张才是素颜近照。

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当然，依然是“美女”，美国妇女。汗... ：



哦，还有视频，前几年的：
Lisa Randall -- Understanding Multiple Dimensions_土豆

好了，好了，闲话说完，我们来讲讲兰多教授的模型的要点。更具体的是RS1模型的要点，RS1的要点是：宇宙由两张三个空间维度加一个时间维度、平行的“膜”构成，两者中间是一个四维空间的“体”。我们所在的膜，叫TeV膜，而另一张膜，叫引力膜。引力子的作用力在这两张膜上的体现不一样，成几何增加或衰减。在我们所在的TeV膜上，引力非常弱，但是其他三种力 -- 电磁、强相互作用、弱相互作用，相对来说非常强。而在引力膜上，引力非常强，但其他三种力非常弱。这个模型是可以解释理论物理中的级列问题（hierarchy problem）的。

示意图：


或者这张纽约时报登过的示意图：


最后要说的是，讲了这么久膜... 怒膜一发！再给长者续一秒
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gfhkssv

我也很赞成匿名回答的暗物质可能是宇宙空间在大尺度上的不平整性。
换句话说，如果把宇宙比喻成平静的湖面，那给我们的感觉就是处处很平，但是如果把宇宙比喻成海面，那么没人敢说海面处处平整了。俗话说无风还三尺浪呢，在大海的某一处存在波涛起伏的不平整也就不难理解了。
其次，最近引力波的发现，也很好的说明了我们所熟知的这个宇宙空间并不是刚性的，完全就像水面，一些大事件(比如两黑洞的相撞)的发生，都会产生强烈的涟漪，让这个空间产生震荡。
所以，自从宇宙诞生以来的百亿年里，我们根本不知道宇宙中还发生过哪些更大的事件，以至于让整个宇宙空间还像被煮沸的湖面一样混乱，导致在大尺度上处处不平整。也许我们的银河系只是在空间涟漪的一个小小小小小小浪头上，局部平整而已，以人类目前的眼界，自然观察不到更大尺度上的涟漪。
或许在不久的将来，我们探测引力波的手段更精确，在探知多个引力波的强度抑或波长频率后，那么它们在空间某处的干涉效应也就能被预测到了，到时侯就可以通过观察星体的运动来一探暗物质到底是个什么东西。

akmpswv

暗物质更可能是宇宙空间在大尺度上不平整，空间的扭曲和存在质量对于我们的观测是等价的

HgauPlkY

解决所谓的「暗物质」问题，有n多的idea
你这个想法，可以归到一大类上面去
不是什么额外维 extra dimensions，而是叫做 modified gravity，也就是对引力理论进行修正
「修正的引力」理论的一个大问题就是 motivation 不足，适用范围有限

这个事情要从「暗物质」的发现说起
我们知道，太阳系以内是牛顿的万有引力统治的世界，海王星的发现是牛顿引力的强有力证明
比星系更高一层的星系团和宇宙，是广义相对论统治的世界，广义相对论是建立现代宇宙学框架的基石
而且，牛顿引力和广义相对论之间的联系和区别，我们是非常清楚的
而暗物质的存在，介于太阳系和宇宙之间，是星系尺度上的事
当然，星系也有大星系和小星系
可是，我们很难理解，为什么刚好在星系尺度上，会出来一个既不同于牛顿引力，又不同于广义相对论引力的「修正的引力」
所以这样出来的理论体系，往往都很别扭：既要在太阳系尺度内符合牛顿引力，又要在宇宙尺度上回到广义相对论，还要在星系尺度上刚好能导出暗物质的存在（包括旋转曲线）等
最近证实的引力波更是加了一个很强的限制：「修正的引力」理论要能导出黑洞并合所发出来的引力波
限制这么多，可想而知，这个理论得多难搞
所以大家都对此持悲观态度，觉得还是别的可能性更大一些：也就是主流的「冷暗物质」理论
比如像你的比喻中说的，为什么「高维空间」刚好在星系尺度上起作用，而在宇宙尺度和太阳系尺度上没有明显的迹象呢？

当然，科学的东西，谁也说不准
也许热门的东西最后被证明是错的，反而是「小众」的理论最后取得了认可
就像「微波背景辐射」发现之前的「稳态宇宙」理论一样
所有物理理论，最后都要给出一个可观测、可检验的结果，而且要与既有证据不矛盾