第8.14節：暗物質粒子範式

目錄 ／ 第8章：EFT將衝擊的範式理論

三步曲目標

• 幫助讀者理解：為何“暗物質粒子”長期被用來解釋額外牽引與結構生長。
• 點明其在小尺度、跨探針與直接搜索上的難點。
• 給出統一重述：以統計張度引力（STG，見1.11節）為核心，用統一張度核在不引入暗粒子的前提下，同時解釋動力學與透鏡；微觀供給來自廣義不穩定粒子（GUP，見1.10節）的“拉—散”統計；與張度本地雜訊（TBN，見1.12節）在輻射側互為兩面。以下正文中統一使用不穩定粒子、統計張度引力、張度本地雜訊三種全稱表述。

一、現行範式怎麼說

1. 核心主張
   宇宙含有一種不發光、與電磁弱耦合的物質成分，近乎冷、壓力小、可自洽為無碰撞粒子。

• 該成分在早期先形成暈狀腳手架，普通物質落入後形成星系與團簇。
• 星系旋轉曲線、引力透鏡、團簇動力學、CMB 聲學峰與 BAO 等，可在“可見 + 暗暈”的框架中整體擬合。

2. 為什麼大家喜歡它
   參數經濟：少量宏參即可跨越多類觀測取得一階統一。

• 工具成熟：N 體/半解析/流體回饋鏈條完備，工程可用。
• 敘事直觀：“多出來的牽引 = 更多（看不見）的品質”。

3. 應該如何理解
   本質是現象學補賬：把額外牽引記作額外品質。粒子“是誰”“如何相互作用”留給實驗搜索；不少細節依賴回饋 + 調參吸收複雜性。

二、觀測中的難點與爭議

1. 小尺度危機與“過於整齊”的刻度律

• 缺矮星/過大失敗/核—包層形狀等問題反復出現，常需強回饋與多參數微調。
• 動力學呈異常整齊的經驗律（如重子 Tully–Fisher、徑向加速度關係）：可見品質 ↔ 外盤牽引刻度關係緊到近“一條線”，在“無碰撞粒子 + 回饋”語境中顯得過於巧合。

2. 透鏡—動力學與環境項的口徑差
   部分系統的透鏡品質與動力學品質存在體系化小偏差；同類天體在不同大尺度環境/方位下，出現方向一致的弱殘差。若一概歸入“系統誤差/回饋”，診斷能力下降。
3. 團簇碰撞的多樣性
   有個別個例支持“暗質分離”的直覺，也存在與該直覺不完全一致的品質—氣體—星系對位關係；不同系統往往需要不同微物理改型（自相互作用、暖/模糊等）才能講順，敘事趨於拼貼化。
4. 實驗搜索的長期空窗
   直接探測/對撞機/間接信號多輪反覆運算仍缺乏無可爭辯的陽性；微觀身份愈發不確定。

簡短結論

暗暈補品質”在一階上有效，但在小尺度整齊性、跨探針口徑差、個例多樣性、微觀空窗的並置下，越來越依賴補丁與調參維持統一。

三、EFT 的重述與讀者能感知到的變化

EFT 的一句話

把“額外牽引”從“看不見的粒子”改寫為統計張度引力：給定可見分佈，由統一張度核直接生成外盤牽引場；同一張張度勢底圖同時決定動力學與透鏡，無需暗粒子。微觀供給來自不穩定粒子在存續期的疊加牽引（對應統計張度引力）與解構期的輻射回填（對應張度本地雜訊）。

直觀比喻

不是往盤裡再倒一桶看不見的沙子，而是這片張力海遇到可見物質時自組織出一張拉網：網的紋理（統一張度核作用的結果）把運動導向既定的外牽引；你在速度場與光路上看到的，都是同一張網的兩種投影。

EFT 重述的三點要義

1. 粒子降格為回應：由“加品質”轉為“加回應”
   額外牽引不再靠“加一個看不見的品質庫”，而由統一張度核從可見密度場卷積/求和得到：
   • 核的物理含義：能量海對可見分佈的統計易拉度/易緊度（susceptibility）；
   • 核的成分：一項隨尺度平滑衰減的各向同性底項 + 一項與外場/幾何相關的各向異性項（反映視線積分與環境）；
   • 核的約束：在本地實驗上回收常規引力；在長路徑/低加速度端給出可分辨改寫。
2. “整齊”成為必然投影
   重子 Tully–Fisher、徑向加速度關係等“緊關係”，在統一張度核下是結構性投影：
   • 可見面密度與核回應共同設定速度尺規；
   • 在低加速度端出現近冪律的外牽引—重子同標度；
   • 核的飽和/過渡形狀固定了散點的小幅度。這不依賴因星系各異的回饋細節“巧合對齊”。
3. 動力學—透鏡“一圖多用”
   同一張度勢底圖與同一個核必須同時降低：
   • 旋轉曲線殘差；
   • 弱透鏡會聚（κ）殘差；
   • 強透鏡時間延遲微漂。
   • 若三者各需不同“補丁圖”，則不支持統一重述。

可檢線索（示例）

• 一核多用（硬檢）：在同一星系/團簇上，用同一核同時擬合旋轉曲線 + 弱透鏡 κ，並外推強透鏡時間延遲；三者殘差應共向收斂。
• 外場效應（環境項）：衛星/矮星系的內部速度分佈隨宿主外場強度呈可預期的抑/增，且與優選方向一致。
• 殘差指北：速度場與透鏡圖的殘差在空間上共向，指向同一外場方向；把這些殘差匯成張度地形圖後，應能回解釋線距離—紅移方向性微差。
• 團簇個例的統一讀法：在併合/碰撞系統中，由可見分佈 + 外場張度在統計張度引力下生成的會聚峰，方位與形態上應更接近觀測，無需為不同系統分別更換“暗粒子微物理”。
• 本地回收：在實驗室與太陽系尺度，核的短程極限退化為常規引力，確保無近場衝突。

讀者可以直觀理解的變化

• 觀點層：從“加一桶看不見的品質”轉為“同一張張度勢底圖 + 統一張度核”。
• 方法層：少調參、重成像；以同一底圖在動力學/透鏡/距離上聯合收斂。
• 預期層：關注方向一致、環境隨動的小偏差，以及“一核多用”是否成立；若成立，暗粒子的必要性自然下降。

常見誤解的簡短澄清

• 是否否定“暗物質的觀測證據”？ 否。我們保留並統一“額外牽引”的所有外觀，只是否定其粒子本體。
• 會破壞 CMB 與大尺度結構嗎？ 不會。早期—晚期由高張度緩降 + 統計張度引力統一描述；CMB 的“底片—花紋—透鏡”口徑見 8.6 節。
• 這是不是 MOND？ 不是。這裡的額外牽引源自能量海—張度地形的統計回應，核心檢驗是同底圖跨探針，並含有明確的外場/環境項。
• 強透鏡中的“暗峰”怎麼辦？ 由可見 + 外場張度在統計張度引力下生成的會聚峰解釋；若仍需個例專屬的“粒子補丁”，則不支持統一重述。

本節小結

1. 暗物質粒子範式把額外牽引解釋為額外品質，在一階上成功；但在小尺度整齊性、跨探針口徑差、個例多樣性、微觀空窗四重壓力下，越來越依賴補丁化。
2. 統計張度引力 + 統一張度核重述同一套資料：
   • 不加粒子，直接從可見密度生成外盤牽引；
   • 用同一張度勢底圖統一動力學與透鏡；
   • 把方向一致、環境隨動的殘差變成張度地形圖元。
3. 若“一核多用”在更多系統上成立，暗物質粒子的必要性便不復存在；屆時，“額外牽引”更像是能量海的統計回應，而非一族尚未被探測到的粒子。