宇宙是“人(rén)为制造”的？为何会存在科学无(wú)法解释的“暗物质”？暗物质又究(jiū)竟(jìng)是什么(me)？人类为了寻找暗物质存在(zài)的(de)证据，科学家们在过去的几十年当中进行了超过50次(cì)的长期实验，但(dàn)是(shì)却(què)没(méi)有发现任何的有效证(zhèng)据。除了一个地(dì)方，在1687年出版的自然哲学数学原(yuán)理一书中，埃萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭(jiē)示(shì)了宇宙中天(tiān)体运动的(de)规律(lǜ)。往后的几百年来，当天文(wén)学家们发现(xiàn)某(mǒu)些天体运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万有引(yǐn)力定律的时候，他们(men)就会知(zhī)道(dào)，周围一定有(yǒu)未知(zhī)的天体通(tōng)过引力在摄动它(tā)的轨道(dào)。比如(rú)在1846年，奥本勒维耶(yé)就通过天(tiān)王星(xīng)运行轨道(dào)的异常，推算(suàn)并且(qiě)发现了海王(wáng)星的存在。另外，哈(hā)雷彗(huì)星、冥王星的发现都是应用万(wàn)有引力(lì)定律(lǜ)所取得重大天(tiān)文(wén)成就的例子。但(dàn)是这(zhè)些发(fā)现都(dōu)是在恒星系统的尺度当中(zhōng)，可(kě)当我们上升到星系或者是星团的尺度，事情就开始变得诡异了(le)。

1933年(nián)，瑞士(shì)的(de)物理(lǐ)学家(jiā)弗里茨(cí)兹威基正在(zài)研究(jiū)和测量后(hòu)发星系团的质量。这是一个(gè)由数千个星系所组成的巨大星(xīng)系团，这些星系(xì)被引力(lì)束缚在(zài)一起(qǐ)。测量星(xīng)系团(tuán)的质量一般会使用到(dào)两种(zhǒng)方法，当两种方(fāng)法(fǎ)结果一(yī)致(zhì)，就(jiù)可以确定其质量的范围。

第一种是获(huò)得其"光度学的(de)质(zhì)量"，需要的数据(jù)是(shì)测量各(gè)个星(xīng)系的(de)光度。

第(dì)二种是动(dòng)力学质量的计算，是利用光谱红(hóng)移(yí)测量(liàng)星系团中的各个星(xīng)系相(xiāng)对于星系团(tuán)的运动速度。当测量结果出(chū)来之后，兹威基彻底懵了，“动(dòng)力学质(zhì)量”竟然是(shì)“光度学质量”的400倍。这(zhè)意味着(zhe)，后发座星系团(tuán)有99%的(de)质量消(xiāo)失(shī)了(le)，或(huò)者说这99%的质量并不(bù)以可见(jiàn)光的形式所存(cún)在，我们无法看到(dào)。最(zuì)诡异的(de)是，在(zài)测量速度的过程中(zhōng)，兹威基发现星系团中很多星系的(de)速度比(bǐ)理论上要快得多，按照牛(niú)顿的运(yùn)动(dòng)学定律(lǜ)，仅(jǐn)靠这些可(kě)见星系的质量所(suǒ)产生的引力是无法将它们束缚(fù)在星系团(tuán)内的，它们早就应该被抛(pāo)出星系团(tuán)之外(wài)了(le)，除非(fēi)有一种(zhǒng)神秘的力量在起(qǐ)作用，这(zhè)种(zhǒng)力量(liàng)来源于某种隐形的物质。

据此，兹维基提出了这样部分不可(kě)见(jiàn)的(de)暗(àn)质，它不发散(sàn)光、吸光、反(fǎn)射光，但是它们却占(zhàn)据着宇宙(zhòu)中绝(jué)大部分(fēn)的质量。只是(shì)当(dāng)时的(de)人们对这样(yàng)的一种说法不屑一顾(gù)。

直到40年之后，“暗(àn)物质”这个词才再(zài)一次出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾(bīn)和肯特福特在观测仙女座(zuò)星系中(zhōng)的(de)恒星运动生日快乐缩写HBD，hb生日快乐缩写。理论(lùn)上来说，距离中(zhōng)心越远的恒星(xīng)在(zài)其轨道上(shàng)的运行(xíng)速度(dù)就会越慢。但是他们观(guān)测的结果却让人感到不(bù)可思议。

随着与中(zhōng)心(xīn)距(jù)离的增(zēng)加，恒(héng)星的旋转速(sù)度几乎保(bǎo)持不变。可是根(gēn)据(jù)牛顿的(de)万(wàn)有引力定律(lǜ)，在星系当中如果没(méi)有足(zú)够(gòu)大(dà)的质量(liàng)来吸引它们，这些(xiē)外(wài)围的恒星早就被甩(shuǎi)到宇(yǔ)宙当(dāng)中(zhōng)了(le)。基于这种现象，科学家们会使用一种(zhǒng)相对标准的方(fāng)法来解释暗(àn)物质的存在，这(zhè)种方(fāng)法就是测量星系当中气体在X轴上距(jù)离星系中心的距离(lí)，以及在Y轴上气体(tǐ)的(de)旋转速度。如果出现(xiàn)异常的(de)结果，就认(rèn)为是(shì)由暗物质的力量进入其中。

于是科(kē)学家(jiā)们通过射电望(wàng)远(yuǎn)镜测量了(le)距(jù)离星系中心更(gèng)远距离的氢元素，发现它们的旋转速度并不符合牛(niú)顿的力学定律(lǜ)。我们的太阳系(xì)也(yě)不例(lì)外，太阳系位于银(yín)河系的(de)第三悬(xuán)臂(bì)之上，距离(lí)银河系中心2.6万光年，根据万有引力定律进行计算，太阳系的运行速度应(yīng)该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但实际(jì)上，太阳系(xì)正(zhèng)在(zài)以(yǐ)220千米/秒的(de)速度(dù)围绕银河系(xì)旋转(zhuǎn)，这个(gè)实际(jì)速度远远大于理论速(sù)度，那么产生以上这种向心加速度的原(yuán)因很可能就(jiù)是(shì)存在着一种我们看不(bù)到的物(wù)质(zhì)，是(shì)这些(xiē)暗(àn)物质(zhì)的引力(lì)效应(yīng)将(jiāng)星系聚(jù)集在了一起。

也是从这时开始，越来(lái)越多的(de)研究(jiū)人员开(kāi)始相信暗(àn)物质(zhì)的存(cún)在。科(kē)学家根据星系外(wài)恒星轨道的速度，估(gū)算在星系当(dāng)中暗物质的质(zhì)量(liàng)占整个星系质量的85%。但是(shì)，暗物质并不是唯一可以解(jiě)释这个现象的原因。在(zài)一(yī)项新的研(yán)究当中，科(kē)学家们发(fā)现，几乎没有引力(lì)效应的遥远(yuǎn)恒(héng)星之(zhī)间，也会(huì)出(chū)现速度(dù)上(shàng)的微小差异。另(lìng)外，天文学(xué)家还发现了一个反常的星系，叫做(zuò)Agc114905。这个星系距离地(dì)球(qiú)大约2.5亿光(guāng)年，大小和银河系不多，但(dàn)是(shì)星系(xì)当(dāng)中存在的恒(héng)星(xīng)数量却只有(yǒu)银河系的千分之一。

所以(yǐ)在理论上，该(gāi)星系必(bì)须存(cún)在暗物质，否则就会分崩离析(xī)。但是科学家们使用最先(xiān)进的望远镜对其(qí)进行了(le)40个(gè)小时(shí)的详细测量之后(hòu)，发现星系(xì)中的恒星运(yùn)动是可以用(yòng)正(zhèng)常的物质和(hé)力学定律(lǜ)来解释的。那么又有人提出，也许该星(xīng)系的暗物(wù)质(zhì)，已经被附(fù)近的另一个(gè)大星系剥(bō)离了(le)。奇怪的是，它的附近没(méi)有(yǒu)任(rèn)何星系存在。造成这些(xiē)现象的除了暗(àn)物(wù)质的假说之外，另一种可能就(jiù)是人(rén)类对引力的理(lǐ)解还(hái)不(bù)够全(quán)面(miàn)，引力很可能(néng)在不同(tóng)尺(chǐ)度空(kōng)间中的工作方式是不同(tóng)的，这意(yì)味着在行星系尺(chǐ)度中(zhōng)的(de)天体会(huì)沿着它(tā)们的轨道(dào)，按照我们所(suǒ)理解的(de)方式运动。但(dàn)是上升到星系(xì)和(hé)星团的尺度，引力之间(jiān)的相互作用则是不同的方式。对于(yú)在星(xīng)系团之间的(de)相互作用，科学家(jiā)还引入了外(wài)部场效(xiào)应的概念，指的是在数百万光(guāng)年的规模上，巨大(dà)的(de)质量之间会产(chǎn)生对(duì)彼此特殊的效(xiào)果，这个理论叫做MOND蒙德(dé)理论。如(rú)果MOND蒙(méng)德理论成立(lì)，这意(yì)味着我(wǒ)们需要对现在的物理定律进行修(xiū)正(zhèng)，这些发(fā)现也让很多人(rén)认为暗物质假说理(lǐ)论就(jiù)此终结。但是在宇(yǔ)宙当中还有关于(yú)暗物(wù)质存在的其他(tā)的理论(lùn)证(zhèng)据，这些理论证(zhèng)据是蒙德理论(lùn)所(suǒ)没法解释的“引(yǐn)力透镜”。

径(jìng)向距(jù)离为37亿光年的子弹星(xīng)系团，由两个碰撞的星系(xì)团(tuán)所组成，类似这样的(de)星团，它们大部分的(de)普通质量(liàng)都在(zài)星系的气体当中。当星团以1000万公(gōng)里/小时发生碰撞的时候(hòu)，星(xīng)际气体的相互作用就会导致温度的急剧升高，速度大幅降低。所以在理(lǐ)论上，在碰撞之后，子弹(dàn)星系(xì)团大部分的(de)质量将位于(yú)所有这些(xiē)气体(tǐ)所在的(de)中间区域(yù)。那么我们通过什么来(lái)验(yàn)证它(tā)的质量区域到(dào)底是不是集中在中间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望(wàng)远镜传(chuán)回了宇宙当(dāng)中第一(yī)张全(quán)彩的高清照片，在照片中我们可(kě)以明(míng)显(xiǎn)地看到很多(duō)星系似乎(hū)被(bèi)拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其实这(zhè)些星系本身(shēn)并不是真的(de)被扭曲了(le)，也不是韦伯望远镜出了什么问(wèn)题，而是(shì)这(zhè)样(yàng)极(jí)遥远的天体(tǐ)和我们(men)地球上(shàng)的观测者(zhě)之间。被一个质量超(chāo)级(jí)巨大的天(tiān)体遮挡，这(zhè)个超大质量的东西(xī)的(de)引力，会使身后更(gèng)遥远(yuǎn)星系的光都发(fā)生了(le)扭曲。这个现(xiàn)象就是引力(lì)透镜效(xiào)应。这个巨大的天体可能是(shì)超(chāo)大质量的黑洞或(huò)者(zhě)是暗物质。

所以当人们对(duì)子弹(dàn)星(xīng)系团观测的时候，发现它(tā)的大质量(liàng)区域并不是在中间，而是在两侧(cè)。所以最好的解释方法就是(shì)当星团发(fā)生全部的碰撞时，可被观测(cè)到的(de)质量(liàng)气体被卡(kǎ)在(zài)了中(zhōng)间，暗物质则直接通过了这个区(qū)域，并在两(liǎng)边形成了引力(lì)透镜。对子弹星系团的引力透镜研究(jiū)也(yě)被认为是暗物质存在的迄今为止最好(hǎo)的(de)理(lǐ)论证据。

除此之外，还有来自宇宙当中最(zuì)古老(lǎo)的光。从(cóng)宇宙大(dà)爆炸(zhà)开始，38万(wàn)年之后，可见光(guāng)终于可以畅通无阻地穿越在宇(yǔ)宙当中了。经(jīng)过了130多(duō)亿(yì)年之后，这些光在(zài)宇(yǔ)宙空间背景上留(liú)下(xià)了各相同性的微波辐射(shè)。其中红色的(de)部分(fēn)表示温(wēn)度(dù)较高(gāo)的(de)区域，蓝(lán)色则表示相对(duì)较冷的(de)区域(yù)，但实际上它们(men)之间的(de)温差只有万分(fēn)之一。

科学家(jiā)们通过对前(qián)景(jǐng)背景分离后的二值图像进行(xíng)连通域提取和标记之(zhī)后发现，如果宇宙当中没(méi)有暗物(wù)质，图形看(kàn)起来不(bù)应该是这样的，而随着暗物质的(de)增加，一(yī)些峰值的幅度会(huì)减小，才变得看起(qǐ)来“和(hé)谐”。为(wèi)了匹配(pèi)宇(yǔ)宙微波背景辐射的(de)测(cè)量值，我们需要的(de)暗物质(zhì)大约是(shì)普通(tōng)物质(zhì)的5倍。这个数(shù)字与解(jiě)释星(xīng)系当中(zhōng)恒星运动所(suǒ)需要的暗物质比例是(shì)一致的。这就(jiù)意味着。

用(yòng)了(le)一个简单的理论框架(jià)，就很好地解释了(le)很多不同的观测(cè)结(jié)果。而暗(àn)物质的本质就(jiù)是宇宙当中(zhōng)存(cún)在着(zhe)某种类型的粒(lì)子，它们不参与任(rèn)何其他的电磁作用，只通过引力来相(xiāng)互作用。所以如(rú)果能够(gòu)找到这种(zhǒng)粒子的存在，就(jiù)相(xiāng)当于找到(dào)了暗(àn)物质存在的实(shí)际证据(jù)。这种(zhǒng)粒子(zi)到底是(shì)什么？科(kē)学家们已经提出(chū)了数十种(zhǒng)的假想目(mù)标，而(ér)要寻找(zhǎo)这些不同(tóng)的目标粒子所(suǒ)需要的(de)实验(yàn)方(fāng)式也(yě)不相同。在过去的(de)几(jǐ)十年(nián)当中，人(rén)类为(wèi)了寻(xún)找这(zhè)些看(kàn)不(bù)见、摸不到，几乎(hū)不(bù)会(huì)与常(cháng)规物质相互(hù)作用的“暗物质”，科学家(jiā)们已经进行了超过(guò)50次(cì)的实验，却(què)没(méi)有任何(hé)实质(zhì)性的(de)发现，除了一个地方，意大利的格兰萨(sà)索山，隶属于阿尔卑斯(sī)山脉(mài)。

在山(shān)下1400米处的地下(xià)矿(kuàng)井当中，藏着地球上最大(dà)的地学实验室，这个实验(yàn)室(shì)叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高(gāo)的探测器，一(yī)直(zhí)致力(lì)于(yú)寻找(zhǎo)暗(àn)物(wù)质粒子的(de)周(zhōu)期性震荡。

自(zì)1997年以来(lái)，这里的科(kē)学家(jiā)声称(chēng)观测到(dào)了某(mǒu)种(zhǒng)信号。经过了20多年的数据收集，人们发现了一(yī)个有趣的事情。探测率会在每年的6月份达到峰值，然后在11月降到最低，而(ér)且在20年当中每年(nián)都是一(yī)样(yàng)。一(yī)些科学家认为这可(kě)能是人类发现暗物质(zhì)的(de)第一(yī)个直接证据(jù)。

但是为什么暗物质会产生(shēng)周期性的年度信号呢(ne)？刚才我(wǒ)们(men)讲了太(tài)阳(yáng)系正在以220公里/秒的速度围(wéi)绕(rào)着银(yín)河系进行移动，那么如(rú)果暗(àn)物质存在(zài)宇宙当中，这意味着我们也在(zài)以这样的速度在(zài)穿越着暗物质(zhì)流，这个过(guò)程中会产生(shēng)相应(yīng)的振荡，同时地球又(yòu)以30公里/秒(miǎo)的速度围(wéi)绕太(tài)阳(yáng)进行旋(xuán)转。所以有半(bàn)年的时间(jiān)，地球围绕太阳的方(fāng)向与太阳(yáng)环绕银(yín)河系的方(fāng)向是一致(zhì)的，而另外(wài)半年则与之相(xiāng)反。

而(ér)在6月份(fèn)的时候，地球与(yǔ)太(tài)阳的方向正好达到完全(quán)一致(zhì)，这是理论上地球(qiú)穿越暗物质流最快(kuài)的时段。而在11月(yuè)份，又恰好(hǎo)达到了最慢(màn)值。尽管在实际(jì)的情(qíng)况中，太阳(yáng)系相对银(yín)河系的平面(miàn)呈(chéng)现了60度的倾斜(xié)，但是这并不(bù)影响这个(gè)理论的(de)有效性。

因(yīn)此科学(xué)家认为(wèi)这可(kě)以用来解释，研(yán)究人员们所观测(cè)到的周(zhōu)期(qī)性信号。当然也可能有(yǒu)其(qí)他的情(qíng)况(kuàng)，造成这种年度周期信号的差异(yì)也可能(néng)是温度、湿度(dù)、土壤中的水分、高山上的积雪(xuě)，甚至连意大(dà)利游(yóu)客的(de)数量也符合这个周期(qī)的规律(lǜ)。

所以，科学(xué)家们又在南半球建立了(le)一(yī)个几(jǐ)乎相同的实验室，这里的季节与(yǔ)之前的实验室(shì)正好相(xiāng)反，而在这里，地(dì)球穿过暗物质流的运动特征(zhēng)和第一个(gè)实(shí)验(yàn)室是一(yī)样(yàng)的。

因此，如果在这里可以得到相同的信(xìn)号，就可以成为暗物质所存在的(de)非常有力的证据了。但是由(yóu)于这个实(shí)验室(shì)刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还无法提(tí)供相应的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太(tài)空望(wàng)远镜叫做(zuò)“南希格雷斯罗曼(màn)”，它(tā)的主镜大小跟哈勃(bó)望远镜(jìng)相同，但(dàn)它(tā)的宽视场(chǎng)仪器提供的(de)视野是哈勃(bó)红外仪器的100倍。南希格雷(léi)斯罗曼太(tài)空望远镜(jìng)其中(zhōng)一个(gè)关键(jiàn)的用途就是(shì)探索(suǒ)暗(àn)物质背(bèi)后的奥(ào)秘(mì)，对于探测的结果，我们只(zhǐ)能(néng)拭(shì)目(mù)以待(dài)了。费米实(shí)验(yàn)室粒子天(tiān)体物理中(zhōng)心的(de)科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯(sī)特芬(fēn)研究发现，如(rú)果(guǒ)暗物质存在，它们极有可能(néng)拥有另一种(zhǒng)神(shén)秘的(de)效(xiào)应，这种暗物质效应，会(huì)支持宇宙当中生命的诞(dàn)生(shēng)，或者说(shuō)是生命(mìng)进化的一(yī)个重要因素。

如果这一(yī)理论得到(dào)进一步的证实，那么遍布宇宙当(dāng)中的暗物质会(huì)不会意味(wèi)着人类并不孤单呢？或许(xǔ)在宇宙当(dāng)中某个角落(luò)的行(xíng)星上，暗物质正在通过这样的效应创造生(shēng)命(mìng)。当(dāng)然(rán)，这些推论(lùn)的(de)大前提是要先找到暗物质存在的(de)实际证(zhèng)据(jù)。那么小伙伴们(men)，你们觉得暗物质到底存不(bù)存(cún)在呢？喜(xǐ)欢(huān)请点赞，你的支持是我更新(xīn)的动力！

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