宇(yǔ)宙是“人为制造”的？为何会存(cún)在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人类(lèi)为(wèi)了寻找暗物质(zhì)存在的证据，科(kē)学家们在(zài)过去的(de)几(jǐ)十年(nián)当中(zhōng)进行了超过(guò)50次的长期实(shí)验，但是(shì)却没有发现任(rèn)何的有效(xiào)证据。除(chú)了一个地方，在1687年出版的自然哲学数学(xué)原理一书(shū)中，埃萨克牛顿(dùn)发(fā)表(biǎo)了万有引力(lì)定律(lǜ)，它揭示了宇宙(zhòu)中天体(tǐ)运动的(de)规律(lǜ)。往后的几百年来，当天(tiān)文学家们发现某些天体运行轨道出现异(yì)常，不符合万有引力定律的时候，他们就会知(zhī)道，周围一定有(yǒu)未知的天体通过引力(lì)在(zài)摄动它的轨道(dào)。比如在1846年，奥本勒维耶就(jiù)通过天王(wáng)星运(yùn)行(xíng)轨道(dào)的异常(cháng)，推算并且发现了海王星(xīng)的(de)存(cún)在。另(lìng)外，哈雷彗星、冥王星(xīng)的发现都是应用(yòng)万有引(yǐn)力(lì)定律(lǜ)所取(qǔ)得(dé)重(zhòng)大天文(wén)成(chéng)就的例子(zi)。但是(shì)这些发现都(dōu)是在恒星系(xì)统的(de)尺度当(dāng)中，可当(dāng)我们(men)上升到星系或者是星团的尺度，事情就开始(shǐ)变得诡(guǐ)异了。

1933年，瑞(ruì)士的物理学家弗里茨兹威基正(zhèng)在(zài)研究和测量后发星(xīng)系(xì)团的(de)质量。这是(shì)一(yī)个由数千个星系所组成的巨大(dà)星(xīng)系团，这些(xiē)星系被引(yǐn)力(lì)束缚(fù)在一起(qǐ)。测量星系团的质量一般会使用到两种(zhǒng)方法，当两种方法结果一致，就可(kě)以确定其质量的(de)范围。

第(dì)一种是获得(dé)其(qí)"光度学的质(zhì)量"，需要(yào)的(de)数据是测(cè)量(liàng)各个星系的(de)光度。

第二种是(shì)动(dòng)力学质量(liàng)的(de)计算，是(shì)利用光(guāng)谱红移测(cè)量(liàng)星系团中的(de)各个(gè)星系(xì)相对(duì)于星系团的运(yùn)动速度。当测量结果出(chū)来(lái)之(zhī)后，兹威(wēi)基彻底懵了，“动(dòng)力学质量”竟然是“光度学(xué)质量(liàng)”的400倍。这意味着(zhe)，后发座星系团有99%的质量(liàng)消失了，或者说这99%的质(zhì)量并不以可见光的形式所存在，我们无法看到。最(zuì)诡异的是，在测量速度的过程中，兹威基(jī)发(fā)现星(xīng)系团中很多星系的(de)速度比理论上要快(kuài)得多，按照牛(niú)顿的运(yùn)动学定律，仅靠(kào)这些可见星系的(de)质量(liàng)所产(chǎn)生的引力是无法将(jiāng)它(tā)们束缚在(zài)星系团(tuán)内的，它们(men)早就应该被抛出星系团之(zhī)外(wài)了，除非有一种神(shén)秘的力量在起(qǐ)作用，这种力量来源于某(mǒu)种隐形的物质(zhì)。

据(jù)此，兹维基提出了这样部(bù)分不可见的(de)暗质，它(tā)不发散光、吸光、反射光，但(dàn)是它们(men)却占据着宇宙中绝大部分的质量(liàng)。只是当时的(de)人们对这样的一种说法不(bù)屑(xiè)一顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词才再一次出(chū)现。天文(wén)学家(jiā)维拉鲁宾和(hé)肯特福特在观测仙(xiān)女座星系中的恒星运动。理论上来说(shuō)，距离中心(xīn)越远的恒星(xīng)在(zài)其(qí)轨道上的运行速度就会越慢。但是他们观(guān)测的结(jié)果却让人感到不(bù)可思议(yì)。

随着与中心(xīn)距离的增加，恒星的旋转(zhuǎn)速(sù)度几乎(hū)保持不(bù)变。可是(shì)根据牛顿的(de)万有引力定律，在星(xīng)系当中如果没(méi)有足够(gòu)大的质(zhì)量来吸引(yǐn)它们，这些外(wài)围的恒(héng)星早(zǎo)就被甩到宇宙当中了。基于这种现象，科学家们会使(shǐ)用(yòng)一种相对(duì)标准的(de)方法来解(jiě)释暗物(wù)质的(de)存在，这种方法(fǎ)就是测量星系当中气体在X轴上(shàng)距离星系中心的(de)距(jù)离，以及在Y轴上(shàng)气体的旋转速(sù)度。如果出现异常(cháng)的结果，就(jiù)认为是由(yóu)暗物质的力量进入其中。

于是科学家们通过射电望远镜测量了距(jù)离星(xīng)系(xì)中心更远距(jù)离的氢元(yuán)素(sù)，发现它们的旋转速度并不符合牛顿(dùn)的力学定律。我们的太阳系也不例外，太(tài)阳系位于(yú)银河系的第三悬臂之上，距离银河系中(zhōng)心2.6万光年，根据(jù)万有(yǒu)引力定律进行计(jì)算，太阳(yáng)系的运行(xíng)速度应该是(shì)160千米(mǐ)/秒，但实际上(shàng)，太阳系正(zhèng)在以220千米/秒的(de)速度(dù)围(wéi)绕银河系旋转，这个实际速度(dù)远远大(dà)于理(lǐ)论速度(dù)，那么产生以上这种向(xiàng)心加速度的原因很可能就是(shì)存在(zài)着一(yī)种我们看不到的物质，是这些暗物质的引(yǐn)力效应将(jiāng)星(xīng)系(xì)聚集在了一(yī)起。

也是从这(zhè)时(shí)开始，越来越多的(de)研究人员开始相信暗物质的(de)存(cún)在。科(kē)学家根据星系外恒星轨(guǐ)道的速(sù)度，估算在(zài)星系(xì)当中暗(àn)物(wù)质的质量占整(zhěng)个星(xīng)系质(zhì)量(liàng)的85%。但是，暗(àn)物(wù)质并不(bù)是唯一可以解释这个现象的(de)原因。在一项(xiàng)新的(de)研究当中，科学家们发(fā)现，几乎没有引力效(xiào)应的遥远恒(héng)星之(zhī)间(jiān)，也(yě)会出现速度上的微小差(chà)异。另外，天文学家(jiā)还发现了一个反常(cháng)的星系，叫做(zuò)Agc114905。这个(gè)星系距离地球大约(yuē)2.5亿光年，大小和银河系不多，但是星(xīng)系当(dāng)中存在的恒(héng)星数量却(què)只(zhǐ)有银河系(xì)的千(qiān)分之一。

所以在理(lǐ)论上，该星系必须(xū)存在暗物质，否则就(jiù)会分崩离(lí)析。但是科学家们使用最先进(jìn)的望远镜(jìng)对其进行了40个小时(shí)的(de)详细测量之后，发现星系中的恒星运动是可以(yǐ)用(yòng)正常的物质和力学定律来解(jiě)释的。那(nà)么(me)又有人提出，也(yě)许该星系的暗物质，已经被附近(jìn)的另一个(gè)大(dà)星(xīng)系剥离了。奇怪的是(shì)，它(tā)的附近没有任何星系存(cún)在。造(zào)成这些(xiē)现象的(de)除了暗(àn)物质(zhì)的假(jiǎ)说之(zhī)外，另一种(zhǒng)可(kě)能就是人类(lèi)对引力的理解还不够全面，引力很可能在不同(tóng)尺度空(kōng)间中的工作(zuò)方式是不同的(de)，这意味着在行星系尺度(dù)中的天(tiān)体会沿着它们的轨道，按(àn)照我们所理解的方(fāng)式运动。但是上升到星系和星团的尺度，引力(lì)之间的相(xiāng)互作用则是(shì)不同的(de)方式。对于在星系团之(zhī)间的(de)相互作用(yòng)，科学家还引入了外(wài)部场效应的概念，指的(de)是在数百(bǎi)万光(guāng)年(nián)的(de)规模(mó)上，巨大(dà)的质量之间会产生对彼此特殊的效果，这个理论(lùn)叫做(zuò)MOND蒙德(dé)理论(lùn)。如果MOND蒙德理论成立，这意味着我们(men)需要对(duì)现在的物理定律进行修正(zhèng)，这些发现(xiàn)也让很多人认为暗物(wù)质假说(shuō)理论就此终结。但(dàn)是在宇宙当中还(hái)有关于暗物质(zhì)存在的其他的理论证据，这些理论证据是蒙德理论所没法解释的“引力透镜(jìng)”。

径向距离为37亿(yì)光年的(de)子弹星系团，由两个碰撞(zhuàng)的(de)星系团所(suǒ)组成(chéng)，类(lèi)似这样的星团，它们大(dà)部分的普通质量都在(zài)星系(xì)的气体(tǐ)当中。当星团(tuán)以(yǐ)1000万公里/小(xiǎo)时发生碰撞的时候，星(xīng)际气体的相互(hù)作(zuò)用就会导致温度的(de)急剧升高，速度大幅降低(dī)。所以在理论上，在碰撞之后，子弹星系团大部分(fēn)的质量将位于所有这些(xiē)气(qì)体所在的中间区域(yù)。那么我们通过什么来验证(zhèng)它(tā)的(de)质量区(qū)域(yù)到底是不(bù)是集中(zhōng)在中间呢(ne)？前不(bù)久，詹(zhān)姆(mǔ)斯韦伯太空望远(yuǎn)镜传回了宇宙当中第一张全彩的高清照片，在照片中(zhōng)我们可(kě)以明显地(dì)看到很多(duō)星系似乎被拉伸产生了巨(jù)大(dà)的形(xíng)变。其实这些星系本(běn)身并不是真的被扭曲(qū)了，也不是(shì)韦(wéi)伯望远镜出了什么问题(tí)，而是这样极(jí)遥远的天(tiān)体和我们地(dì)球上(shàng)的观测者之间。被一个(gè)质(zhì)量(liàng)超级(jí)巨大(dà)的天体遮挡，这个超大(dà)质量(liàng)的东(dōng)西的(de)引力，会使身后更遥远星系(xì)的光都发生了扭曲(qū)。这个(gè)现象就是引力透镜效(xiào)应(yīng)。这个巨大(dà)的(de)天体可能是超(chāo)大(dà)质量的黑洞(dòng)或者是(shì)暗(àn)物质。

所以当人(rén)们对子弹星系团观测的时候，发(fā)现它的大质量区域并不是在(zài)中间，而是在两侧。所以最好(hǎo)的(de)解释(shì)方(fāng)法(fǎ)就是当星团发(fā)生全(quán)部(bù)的碰(pèng)撞时，可被观测(cè)到的质量气体被卡在了中间(jiān)，暗物质则直接通过了(le)这个区域，并在两边形(xíng)成了引(yǐn)力透镜。对(duì)子弹星系团的引力透镜研(yán)究也被认为是(shì)暗物质(zhì)存在的迄今为止最好的(de)理论证据。

除此之外，还有来自宇宙当中最古老的光(guāng)。从(cóng)宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年之后(hòu)，可(kě)见光终于可(kě)以畅通无阻地穿越在宇宙当中(zhōng)了。经过了130多亿年之后，这些(xiē)光在宇宙(zhòu)空间(jiān)背景上留下了各相同性(xìng)的微波(bō)辐射。其中红色的部分表示温(wēn)度较高的区(qū)域，蓝色则表示相(xiāng)对较冷的区域，但实际(jì1米等于多少mm 1米等于多少厘米)上它们之间(jiān)的温差只有万分之(zhī)一。

科(kē)学家们通过(guò)对前景(jǐng)背景分离(lí)后的二值(zhí)图像(xiàng)进行连(lián)通(tōng)域提取和标记之后发现，如果宇宙(zhòu)当中没有暗物质，图形看起来不(bù)应该是这(zhè)样(yàng)的(de)，而随着暗(àn)物(wù)质的增加，一些峰值的(de)幅(fú)度会减(jiǎn)小，才变(biàn)得看(kàn)起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景(jǐng)辐射的测(cè)量值，我们(men)需要的暗物(wù)质大约是普通物质的5倍。这个(gè)数(shù)字与解(jiě)释星(xīng)系当(dāng)中恒星(xīng)运动所(suǒ)需(xū)要的暗物质(zhì)比例是一致的(de)。这(zhè)就意味(wèi)着。

用了一个简单(dān)的理(lǐ)论框架，就(jiù)很好(hǎo)地解释了很多不同(tóng)的观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当(dāng)中存在着某(mǒu)种类(lèi)型的粒子，它们不参(cān)与任何其他(tā)的电磁作(zuò)用，只通(tōng)过引(yǐn)力来相互作用。所(suǒ)以如果能够找(zhǎo)到这(zhè)种粒子的存在，就相当于找(zhǎo)到了暗物质(zhì)存在(zài)的实际证据。这(zhè)种粒(lì)子到底(dǐ)是(shì)什么(me)？科学家们已经提出了数十种的假(jiǎ)想目标(biāo)，而(ér)要寻找这些不(bù)同的(de)目标粒子(zi)所(suǒ)需要的实验方(fāng)式也不相(xiāng)同。在(zài)过(guò)去(qù)的几十年当中，人类为了寻找这些看不见、摸不到，几乎不会与(yǔ)常(cháng)规物质相互作(zuò)用的(de)“暗物(wù)质”，科(kē)学家们(men)已经进(jìn)行了(le)超过50次的实验，却没有任何实质性的发现，除(chú)了一(yī)个(gè)地方，意(yì)大利的格兰萨索山，隶属于(yú)阿(ā)尔(ěr)卑(bēi)斯山脉。

在山(shān)下1400米处的(de)地下矿井当中，藏着地球(qiú)上最大的地学实验(yàn)室，这个实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一(yī)个(gè)三层楼高的探测器，一直致力于(yú)寻(xún)找暗物质(zhì)粒子(zi)的周期性震荡。

自1997年以(yǐ)来，这里的科学家声称观测到了某种信号(hào)。经(jīng)过了20多年的数(shù)据(jù)收集(jí)，人们发现了一个有趣(qù)的(de)事情(qíng)。探测率(lǜ)会在每年(nián)的6月份达(dá)到(dào)峰(fēng)值，然(rán)后在(zài)11月降到最低，而(ér)且在20年当中(zhōng)每(měi)年都是一样。一(yī)些科学家(jiā)认为这可能是人(rén)类发现暗物质(zhì)的第一(yī)个直接证据(jù)。

但(dàn)是(shì)为什(shén)么暗(àn)物(wù)质(zhì)会(huì)产(chǎn)生周(zhōu)期性(xìng)的年度信号呢？刚才我(wǒ)们讲了太阳系正在以220公里/秒的速度围绕(rào)着银河系进行移动(dòng)，那么如果暗物质存在宇宙当(dāng)中(zhōng)，这(zhè)意(yì)味(wèi)着我(wǒ)们也(yě)在以这样的速度(dù)在穿越着暗物(wù)质流，这个过程中会产生相应的振(zhèn)荡(dàng)，同时(shí)地球又以30公里/秒的(de)速度(dù)围绕太阳(yáng)进(jìn)行旋转(zhuǎn)。所以(yǐ)有半(bàn)年的时间，地球围绕太(tài)阳的方向与太阳环绕银河系(xì)的方向是一致的，而(ér)另外半年则与之相反。

而(ér)在6月(yuè)份的时(shí)候(hòu)，地球与太阳的方向(xiàng)正好达到完全(quán)一致，这是理论上地球(qiú)穿越暗物质流最(zuì)快的时段。而在11月份，又恰好达到了最慢值。尽管在实际的(de)情况中，太阳系(xì)相对银河系(xì)的平面呈现(xiàn)了60度的倾斜，但是这并不影(yǐng)响(xiǎng)这个理论的有(yǒu)效性(xìng)。

因此(cǐ)科(kē)学家认(rèn)为这可以(yǐ)用来(lái)解释，研(yán)究人员们所观测到的周期(qī)性信号(hào)。当(dāng)然也可能(néng)有(yǒu)其他的情况，造成这种年度周期信号的差异也可能是(shì)温(wēn)度、湿度(dù)、土壤中的水分、高(gāo)山上的积(jī)雪，甚至连意大利游客的数量也(yě)符(fú)合这(zhè)个周期的(de)规律。

所以，科学(xué)家(jiā)们又(yòu)在南半(bàn)球建立了一个几乎(hū)相同的实验室，这(zhè)里(lǐ)的季(jì)节与之前的实验室(shì)正好相反，而在这(zhè)里，地球穿过暗(àn)物质(zhì)流的运动特(tè)征和第一个(gè)实(shí)验室是一样的。

因此，如(rú)果在这里(lǐ)可(kě)以得到(dào)相同的(de)信号，就可以(yǐ)成为暗物(wù)质所(suǒ)存在的非常(cháng)有(yǒu)力的(de)证据了。但是由(yóu)于这个实验室刚(gāng)刚建成不久，所以截(jié)至(zhì)目前还无法提供(gōng)相(xiāng)应的数据支(zhī)持。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一台新(xīn)的(de)望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫(jiào)做“南希格雷斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈勃(bó)望远镜相同，但它的宽视场(chǎng)仪器提供(gōng)的视野(yě)是哈勃红(hóng)外仪(yí)器的100倍。南希(xī)格雷斯罗曼太空望远镜(jìng)其中一个(gè)关键的用途就是(shì)探(tàn)索暗物(wù)质(zhì)背后(hòu)的(de)奥秘，对于探测的(de)结(jié)果，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费米(mǐ)实验室粒子天(tiān)体物(wù)理中心的(de)科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯特芬研(yán)究发现，如果(guǒ)暗物(wù)质存(cún)在，它们极有可能拥有另一种神秘的效(xiào)应，这种暗物质效应(yīng)，会支持宇宙(zhòu)当中生命的诞生，或者说是生命进(jìn)化的(de)一个(gè)重要因素(sù)。

如果这一理论得到进一步的证实(shí)，那么遍布宇宙当中(zhōng)的暗物质会不(bù)会意(yì)味着人类并不(bù)孤单呢？或许在宇(yǔ)宙当中(zhōng)某个角落(luò)的(de)行(xíng)星上，暗(àn)物质正(zhèng)在通(tōng)过这样(yàng)的(de)效应创造生命。当然，这些推论的大前提是要先(xiān)找(zhǎo)到暗(àn)物质存在的(de)实际证(zhèng)据。那么小(xiǎo)伙(huǒ)伴们，你们(men)觉(jué)得(dé)暗物质到底存不存在呢？喜欢请点赞，你的支持是我更(gèng)新(xīn)的动(dòng)力(lì)！

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