宇宙是“人为(wèi)制造”的(de)？为何会存在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又(yòu)究竟(jìng)是什么？人类为了寻(xún)找暗物质存(cún)在的证据，科学(xué)家们在过去的几十年(nián)当中进行(xíng)了超过50次(cì)的长期实(shí)验，但是却没有发(fā)现任(rèn)何的有(yǒu)效证据。除了(le)一个地方，在1687年出版的自(zì)然哲学(xué)数学原理一书中，埃(āi)萨克牛顿发(fā)表了万(wàn)有引力定(dìng)律，它揭示了宇宙中天体运动(dòng)的规律(lǜ)。往(wǎng)后的几(jǐ)百年来，当天文学家们发现(xiàn)某些天(tiān)体运行轨(guǐ)道出现异常，不符(fú)合万有(yǒu)引(yǐn)力定律的时候，他们就会知道，周围一(yī)定(dìng)有(yǒu)未知(zhī)的天(tiān)体通过(guò)引力在摄动它(tā)的轨道。比如在1846年，奥本勒(lēi)维耶就通过天王星(xīng)运行轨道的异常，推算(suàn)并(bìng)且发(fā)现了海王星(xīng)的存在。另外，哈雷彗星、冥王星的发现都(dōu)是应用万有引力定律所取(qǔ)得重大天文(wén)成就(jiù)的(de)例子(zi)。但是这(zhè)些发现都是在(zài)恒(héng)星系统的尺度(dù)当中，可当我们上升到星系(xì)或者(zhě)是(shì)星(xīng)团的尺度，事情就开始(shǐ)变得(dé)诡异了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威(wēi)基正在研究和测(cè)量后发星系团(tuán)的质量(liàng)。这(zhè)是(shì)一个(gè)由数千个星(xīng)系所组成的巨大星(xīng)系(xì)团(tuán)，这些星系被引力(lì)束缚在一起。测量(liàng)星系团的质量一般会使用到(dào)两(liǎng)种(zhǒng)方法，当两种(zhǒng)方法结(jié)果一(yī)致，就可以确(què)定其质量的范围。

第一(yī)种是获得其(qí)"光度学(xué)的质量"，需要的数据是测(cè)量各个(gè)星系(xì)的光度。

第二种(zhǒng)是(shì)动力学质量的计算，是(shì)利用光谱(pǔ)红移测量星系团中的各个星系(xì)相对于(yú)星系(xì)团的(de)运动速度。当测量结果出来之后，兹威(wēi)基彻底懵了(le)，“动力学(xué)质量”竟然是“光度学质量”的400倍。这(zhè)意味着，后发(fā)座星系团有(yǒu)99%的质量消(xiāo)失了，或者说这99%的(de)质量并(bìng)不以可见光的形式所存在，我们无法看到。最诡异的是(shì)，在测量速(sù)度的过程(chéng)中(zhōng)，兹威基(jī)发现星系团中很(hěn)多(duō)星系(xì)的(de)速度比(bǐ)理论上要快得多，按照(zhào)牛顿的(de)运动学定律，仅靠这些可见(jiàn)星系的质量所产生(shēng)的(de)引(yǐn)力是无法将它(tā)们束(shù)缚在(zài)星系(xì)团内的，它们(men)早就(jiù)应(yīng)该被抛(pāo)出星系团之外了(le)，除(chú)非有(yǒu)一种神秘(mì)的力量(liàng)在起(qǐ)作用，这种力量来源于某种隐(yǐn)形的(de)物(wù)质。

据此，兹(zī)维基提出了(le)这样部分不可见的暗质，它不(bù)发散光、吸光、反射光(guāng)，但是它(tā)们却(què)占据着宇宙中绝大部分的质量(liàng)。只是(shì)当(dāng)时的人们(men)对这样的一种(zhǒng)说法不屑(xiè)一(yī)顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词(cí)才再(zài)一(yī)次出现。天文学家(jiā)维拉鲁宾和(hé)肯特福特在观测(cè)仙女座(zuò)星系中的恒星运动(dòng)。理论上来说，距离中心越(yuè)远(yuǎn)的恒(héng)星在其轨(guǐ)道(dào)上的运行速度就会(huì)越慢。但是他们观测(cè)的结果却让人感到(dào)不可思(sī)议(yì)。

随着与中(zhōng)心距离(lí)的增(zēng)加，恒星的旋转速度几乎保持不变。可是根据牛顿的万(wàn)有(yǒu)引(yǐn)力(lì)定律，在(zài)星(xīng)系当中如果(guǒ)没有足(zú)够大(dà)的质量(liàng)来吸引它们，这些外围的恒星早就被甩到(dào)宇宙当(dāng)中了。基于(yú)这种现象(xiàng)，科(kē)学家们会使用一种相(xiāng)对(duì)标准的方(fāng)法来解释暗(àn)物质的存在(zài)，这(zhè)种方法就是不是省油的灯是什么意思，没有一个省油的灯是什么意思(shì)测量星系当中气(qì)体在(zài)X轴上距(jù)离星系中心(xīn)的距离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速度。如果出现异常的结果，就(jiù)认为是(shì)由暗物质的力量进入其(qí)中。

于(yú)是科学家们通过射电望远镜测量(liàng)了距离星(xīng)系(xì)中(zhōng)心更远距离的氢元素，发现它们(men)的旋转速度并(bìng)不符合牛顿的力学定律。我们的太阳系也(yě)不例外，太阳系位(wèi)于(yú)银(yín)河系(xì)的第三(sān)悬臂之上，距离银河系中心(xīn)2.6万光年，根(gēn)据万有引(yǐn)力定律(lǜ)进行计算，太阳系的运行速(sù)度应(yīng)该是160千(qiān)米(mǐ)/秒，但实际上，太阳(yáng)系正在以220千米(mǐ)/秒的速度围绕银河(hé)系旋转，这个实际速度(dù)远远大于理论速度，那(nà)么产生以上这种向心加速度的原因很(hěn)可能就(jiù)是存(cún)在着一种(zhǒng)我们看不到的物(wù)质，是这(zhè)些暗物质的引力效应将星系聚(jù)集在了一(yī)起。

也是从这时开始(shǐ)，越(yuè)来越多的研究人员(yuán)开始相(xiāng)信(xìn)暗物质(zhì)的存在。科学家(jiā)根据星系外(wài)恒星轨道的速度，估算在星系当中暗(àn)物质的质量占整个星系(xì)质(zhì)量的85%。但是(shì)，暗(àn)物质并不是唯一可(kě)以(yǐ)解释这个(gè)现象的原因(yīn)。在(zài)一项新的研(yán)究当中(zhōng)，科学(xué)家们发现，几(jǐ)乎没有引力效应的遥远(yuǎn)恒星(xīng)之间(jiān)，也会出现速度上(shàng)的微小(xiǎo)差(chà)异。另外，天文学(xué)家(jiā)还发现了一个反常的(de)星(xīng)系，叫做(zuò)Agc114905。这个星系距离地球大(dà)约2.5亿(yì)光年，大小(xiǎo)和银(yín)河系(xì)不多，但是星系当(dāng)中(zhōng)存在(zài)的恒星(xīng)数量(liàng)却只有(yǒu)银河系的千分之(zhī)一。

所以在理论上，该(gāi)星系(xì)必须存在暗(àn)物质，否则就会(huì)分(fēn)崩离析(xī)。但是科(kē)学家们使(shǐ)用最先(xiān)进(jìn)的望远镜对(duì)其进行(xíng)了40个小时的(de)详细测量之后，发现星系中的恒星运动(dòng)是可以用正常的(de)物质和力学定律来解释的(de)。那么又有(yǒu)人(rén)提出，也许该星系的暗物质，已经被附近的另一个(gè)大星(xīng)系剥(bō)离了(le)。奇(qí)怪(guài)的是，它(tā)的附近没有任何星系(xì)存在。造成这(zhè)些现象(xiàng)的除了(le)暗物(wù)质的假说之外，另(lìng)一种可能就是人(rén)类对引(yǐn)力的理解还(hái)不(bù)够全面，引力很可(kě)能(néng)在不同尺度空间中的工作方式是不同(tóng)的，这意味着(zhe)在行星系尺度中的天体会沿(yán)着它们的轨(guǐ)道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动。但是(shì)上升到星(xīng)系和星团的尺(chǐ)度(dù)，引力之间的相互作(zuò)用则是不(bù)同的方式。对于在星系团之间的(de)相互作用，科学家还(hái)引入了外部场效(xiào)应(yīng)的概念，指的是(shì)在(zài)数百万光年(nián)的规(guī)模上，巨大(dà)的(de)质量之间(jiān)会产(chǎn)生对(duì)彼此特(tè)殊的效(xiào)果，这(zhè)个理论叫(jiào)做MOND蒙德理(lǐ)论。如(rú)果(guǒ)MOND蒙德理论(lùn)成立，这意味着我们需(xū)要对现在(zài)的物理定律进(jìn)行(xíng)修正，这些发现(xiàn)也(yě)让(ràng)很(hěn)多(duō)人认(rèn)为暗物质(zhì)假说理论(lùn)就(jiù)此终结。但是在(zài)宇(yǔ)宙当(dāng)中还有关于(yú)暗物质存在的其他的理(lǐ)论证据，这些理论证据是蒙德理论所(suǒ)没法解释的“引(yǐn)力透镜”。

径向距离为(wèi)37亿光(guāng)年的子(zi)弹星系团，由(yóu)两个碰撞的星系(xì)团(tuán)所组成，类似这样的星(xīng)团，它们大部分的普通质量都在星系的气体(tǐ)当中。当星团以1000万公里(lǐ)/小时发生碰撞的(de)时候，星际气体的相互作用就会导致(zhì)温度的急剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之后(hòu)，子弹星(xīng)系团(tuán)大部(bù)分(fēn)的质量将(jiāng)位于所有(yǒu)这些(xiē)不是省油的灯是什么意思，没有一个省油的灯是什么意思气体所在的中间区(qū)域(yù)。那么(me)我们(men)通过(guò)什么来验(yàn)证它的质量(liàng)区域到底是不(bù)是(shì)集中(zhōng)在中(zhōng)间呢？前不久(jiǔ)，詹(zhān)姆斯韦伯太空望(wàng)远镜传回了宇宙当中第一张全彩的高清照片，在照片中我们(men)可以明显地看到很(hěn)多星系(xì)似乎被(bèi)拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其实这些星系(xì)本(běn)身并不是(shì)真的被(bèi)扭曲(qū)了，也不是(shì)韦伯望远镜出(chū)了什么(me)问题，而(ér)是这样极遥远(yuǎn)的天(tiān)体和(hé)我(wǒ)们地球上的观测者(zhě)之间。被(bèi)一个(gè)质量超级巨大的天(tiān)体遮挡，这个超大质量的(de)东西的引力(lì)，会使身(shēn)后更遥远星(xīng)系(xì)的光都发(fā)生(shēng)了扭曲。这个现象(xiàng)就是(shì)引力透镜效应(yīng)。这个巨大(dà)的天体可能是超大质量的黑洞或者是暗(àn)物质(zhì)。

所以当人(rén)们对子弹星系团观测的(de)时候，发现它的大质量区域并不是在中(zhōng)间，而是在两(liǎng)侧。所以(yǐ)最好(hǎo)的解释方法就是当星团发(fā)生全部(bù)的碰撞时(shí)，可(kě)被观测到(dào)的质量(liàng)气体被(bèi)卡在了中(zhōng)间，暗(àn)物质则直接通过了这个区域，并(bìng)在两边(biān)形(xíng)成了引力透镜。对子(zi)弹星系团(tuán)的(de)引(yǐn)力透镜研(yán)究也被认为是暗物质存在的(de)迄今为(wèi)止最好的理论(lùn)证据。

除此之外，还(hái)有来自宇宙当中(zhōng)最古老的光(guāng)。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光终(zhōng)于可(kě)以(yǐ)畅通无(wú)阻(zǔ)地(dì)穿越在宇宙(zhòu)当中了。经过了130多亿年之后，这(zhè)些光在宇宙空间背景(jǐng)上留下(xià)了(le)各相同性的微波辐射。其中红色(sè)的部(bù)分(fēn)表示(shì)温度较高的区域，蓝色则表(biǎo)示相对较冷的区域，但实际(jì)上它们之间的温(wēn)差只(zhǐ)有万分之(zhī)一。

科学家们通过对前景背景(jǐng)分离后的二值图(tú)像进行连通域提取和标(biāo)记之后发现(xiàn)，如果宇宙当中(zhōng)没有(yǒu)暗物质，图形(xíng)看起来(lái)不应该是(shì)这样的，而随着暗(àn)物质的(de)增加，一些峰(fēng)值的幅度会减小(xiǎo)，才变得看(kàn)起来(lái)“和(hé)谐”。为了(le)匹配宇宙微(wēi)波背景辐射(shè)的测量值，我们(men)需要的暗物(wù)质(zhì)大约是普通物质的5倍(bèi)。这个数(shù)字与解(jiě)释星系当中恒星运动所需要(yào)的暗物质比例(lì)是一致的(de)。这就意(yì)味着(zhe)。

用了一个简单的理论框架，就很好地解释了很多(duō)不同的(de)观测(cè)结果。而暗物质的(de)本质(zhì)就(jiù)是宇宙当中存在(zài)着(zhe)某种(zhǒng)类型的粒子，它(tā)们不参与任何其他(tā)的电磁(cí)作用(yòng)，只通过引力来(lái)相互作用。所(suǒ)以如果能够找到这(zhè)种粒子的(de)存(cún)在(zài)，就相当于(yú)找(zhǎo)到(dào)了暗物质存在(zài)的(de)实际证据。这种粒(lì)子到底是(shì)什(shén)么？科学(xué)家们已经提出(chū)了(le)数十种的假想目标，而(ér)要寻找这些不同的(de)目标粒(lì)子所需要的实验方式也(yě)不相(xiāng)同。在(zài)过(guò)去的几十年(nián)当中，人(rén)类为了寻找这些(xiē)看不见(jiàn)、摸不到，几(jǐ)乎不(bù)会与常规物质相互作用的“暗物(wù)质”，科学家(jiā)们已经进行(xíng)了超过50次的实验，却没有任何实质性的发现，除了一个地方(fāng)，意大利的格(gé)兰萨索(suǒ)山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山下(xià)1400米处(chù)的地下矿井当中，藏着地球上(shàng)最大的地学实验(yàn)室，这(zhè)个实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的探(tàn)测器，一直致力于寻找暗物质粒子的周期性(xìng)震荡。

自(zì)1997年(nián)以来，这里的(de)科学家声称观测到了某种信号(hào)。经过了20多年的数据收集，人们发现了(le)一个(gè)有(yǒu)趣(qù)的事(shì)情。探测率会在(zài)每年的6月份(fèn)达到(dào)峰值，然后(hòu)在11月(yuè)降到(dào)最低，而且(qiě)在20年当中每年都是一样。一些科学家(jiā)认为这可能(néng)是人类(lèi)发(fā)现暗物质的第一个直(zhí)接证据。

但是(shì)为什么暗物(wù)质(zhì)会产生周期性的年度信号呢？刚才(cái)我们讲了太阳系正在以220公里/秒的速度围(wéi)绕着银(yín)河系进行移动，那么如果暗(àn)物(wù)质存在宇宙当中，这意味着我们也(yě)在以(yǐ)这样的(de)速度在穿越着暗物质流，这个过程(chéng)中会产生相应的振荡，同时地球又以30公里/秒的速度围绕太阳(yáng)进(jìn)行旋(xuán)转。所以有半年(nián)的时间，地(dì)球围绕(rào)太阳(yáng)的(de)方向与太(tài)阳(yáng)环绕银河(hé)系的(de)方向是(shì)一(yī)致(zhì)的(de)，而另外半年则(zé)与之相(xiāng)反(fǎn)。

而在6月份的时候，地球(qiú)与(yǔ)太阳的方向正好达到完全一致，这是理论(lùn)上(shàng)地球穿越暗物质流最快的时段。而在11月(yuè)份，又恰好达到了(le)最慢值。尽管在(zài)实际的情况中，太阳系相(xiāng)对(duì)银河(hé)系的(de)平面呈现(xiàn)了60度的倾斜，但是这并不影(yǐng)响这个理论的有效性。

因此科学(xué)家认为这可(kě)以用来解释，研究人员们所观测(cè)到(dào)的周期性信号。当然也可(kě)能(néng)有其他的情(qíng)况，造成这种年度周期信号的差异也可能是温度、湿度(dù)、土壤中的(de)水(shuǐ)分(fēn)、高山上的积雪，甚至连意大利游客的数(shù)量也(yě)符(fú)合(hé)这个(gè)周期的规律。

所以，科学家们又在南半球建立了一个几(jǐ)乎相同的实验室(shì)，这里的季节与(yǔ)之前的实(shí)验室正好相(xiāng)反(fǎn)，而在这里，地球穿(chuān)过暗物质流的运动特征和第(dì)一个实验(yàn)室是一样的。

因此，如果在这里(lǐ)可以得到相同(tóng)的信(xìn)号，就(jiù)可(kě)以成为暗物(wù)质所(suǒ)存在的非常有(yǒu)力的证据了(le)。但是(shì)由于(yú)这个实验(yàn)室(shì)刚刚(gāng)建(jiàn)成不(bù)久，所以截至目(mù)前还无(wú)法提供相应的(de)数据支持(chí)。另外(wài)，在2025年，NASA将会发射一台新的望(wàng)远镜，这(zhè)台太(tài)空望远镜叫做“南希(xī)格雷斯罗曼”，它(tā)的主(zhǔ)镜大小跟(gēn)哈(hā)勃望远镜相同，但它的宽视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太(tài)空望远镜其中一个(gè)关键(jiàn)的用途就是(shì)探索暗(àn)物(wù)质背后(hòu)的奥秘(mì)，对于探测(cè)的结果，我们只能拭目以待了。费米实验室粒子天(tiān)体物理中心的科(kē)学家丹(dān)琥珀和贾森斯特芬研究发现，如果暗物质存在，它们极有可能拥有另(lìng)一种神秘(mì)的效应，这种暗物质效(xiào)应，会支持宇(yǔ)宙当中(zhōng)生命的诞生，或者说(shuō)是(shì)生命(mìng)进化的一个重要因素。

如果这一理论得到(dào)进一步的证实，那么遍(biàn)布宇宙当(dāng)中(zhōng)的暗物质会不会意味着人类并不孤单呢(ne)？或许在宇宙当中某个角落(luò)的(de)行(xíng)星上，暗物质正在通过(guò)这(zhè)样的效应创造生命。当然，这些推论(lùn)的大前提是要先找到暗(àn)物(wù)质(zhì)存(cún)在的实际证据。那么(me)小伙伴们(men)，你们觉得(dé)暗物质到底存不(bù)存在呢？喜欢请点赞，你的支(zhī)持是(shì)我更(gèng)新的动(dòng)力！

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