宇宙是“人为制造(zào)”的？为何会存在科学无法解释(shì)的(de)“暗物质”？暗物质又究竟是(shì)什么？人类(lèi)为了寻找暗物(wù)质(zhì)存在的(de)证据，科学家们(men)在过去的几十年(nián)当中进行(xíng)了超(chāo)过(guò)50次的长期(qī)实验(yàn)，但是却没(méi)有发现任(rèn)何的有效证据。除(chú)了一个地方(fāng)，在1687年出版的(de)自然哲学数学原理(lǐ)一书中，埃(āi)萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭示了(le)宇宙中天体(tǐ)运动的(de)规律(lǜ)。往(wǎng)后(hòu)的(de)几百(bǎi)年来(lái)，当天文学家(jiā)们(men)发现某些天体运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万有引力(lì)定律的(de)时候，他们就会知道，周围一定有未知(zhī)的天(tiān)体通过引力在摄动它(tā)的轨(guǐ)道(dào)。比(bǐ)如(rú)在1846年，奥本勒维耶就通(tōng)过天(tiān)王星(xīng)运行轨道的(de)异常，推算并且发现了(le)海王(wáng)星的存(cún)在。另外，哈(hā)雷彗星、冥(míng)王星的发(fā)现都(dōu)是应用万有引力定律所取(qǔ)得重大天文成就的例子。但是这(zhè)些(xiē)发现都是(shì)在恒星系统的尺(chǐ)度当(dāng)中，可(kě)当我们上升到(dào)星系或者是星团的(de)尺度，事情就开始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞士(shì)的物理学家(jiā)弗(fú)里茨兹威基正(zhèng)在研究和测量后发星系团的质(zhì)量。这是一个由数千个星系所组(zǔ)成(chéng)的巨(jù)大星(xīng)系团(tuán)，这些星系被引力束缚在(zài)一起。测量星系团的质量一般会使用到两种方(fāng)法，当两种方法结果一致(zhì)，就(jiù)可以(yǐ)确定其(qí)质量的范围(wéi)。

第一种(zhǒng)是获得其"光度(dù)学的质量"，需要的数据是测(cè)量各个星系的光度。

第二(èr)种是动力(lì)学质量的计(jì)算，是利用光谱红移(yí)测量星系团中的各个星系相(xiāng)对(duì)于(yú)星系团(tuán)的运动(dòng)速(sù)度。当(dāng)测量结(jié)果出来之(zhī)后(hòu)，兹威基彻(chè)底懵了(le)，“动力学质(zhì)量”竟然是“光(guāng)度学质量(liàng)”的400倍(bèi)。这意(yì)味(wèi)着，后发(fā)座星系团有99%的(de)质量消失了(le)，或(huò)者说这99%的质量并(bìng)不以可(kě)见(jiàn)光的形式所存在，我们(men)无法看到。最诡异(yì)的是，在测量速度(dù)的过程中，兹威基发现(xiàn)星系团中很(hěn)多星系(xì)的速度比理论(lùn)上要快得多，按(àn)照(zhào)牛顿的运动学定律，仅靠这些可见(jiàn)星(xīng)系的质量所产生的引力是无法将它(tā)们束缚(fù)在星(xīng)系团内的，它们早(zǎo)就应该被抛出星系团之外了，除非有一种神(shén)秘的力量在(zài)起作用(yòng)，这种力(lì)量来源于某种隐形的物(wù)质。

据此(cǐ)，兹维基提出了这样部分不可见(jiàn)的暗质，它不发散光、吸(xī)光、反射(shè)光，但是它们却占据着宇宙中绝(jué)大部分的质量。只是当时的人们对这样的(de)一种说(shuō)法不屑一顾。

直到(dào)40年之后，“暗物质”这个词才(cái)再一次出现(xiàn)。天文(wén)学家维拉鲁宾和肯特福特在(zài)观测仙女(nǚ)座(zuò)星系中的恒星运动。理论上来说(shuō)，距(jù)离中心越(yuè)远的恒星在其(qí)轨道(dào)上的运(yùn)行速度就会越慢。但是他(tā)们观测的结果(guǒ)却让人感到不可(kě)思(sī)议。

随着与中心距离的(de)增(zēng)加(jiā)，恒星的旋转(zhuǎn)速度几(jǐ)乎保持不变。可(kě)是根据牛顿的万有引力(lì)定律，在星系当中(zhōng)如果(guǒ)没有(yǒu)足够(gòu)大的质量来吸引(yǐn)它们(men)，这些外围的恒星(xīng)早(zǎo)就被甩到宇宙当中(zhōng)了。基于这种现象，科(kē)学家们会使(shǐ)用一种相(xiāng)对标准的方法来(lái)解释暗物质(zhì)的存在，这种方法就(jiù)是测量(liàng)星(xīng)系当(dāng)中(zhōng)气(qì)体在X轴上距离星系中心的距离，以及在Y轴上气(qì)体的旋转速度。如(rú)果出现(xiàn)异常的结果，就认为(wèi)是由暗物质的(de)力(lì)量进入(rù)其中。

于是科学家(jiā)们通过射电望远镜测量了距离(lí)星系中(zhōng)心(xīn)更远距离(lí)的氢元素，发(fā)现它们的旋转速度并不符(fú)合牛顿的(de)力学定律。我们(men)的太阳系(xì)也不例外，太阳系位(wèi)于银河系的第(dì)三悬臂(bì)之上，距离银河系中心(xīn)2.6万光年，根据万有(yǒu)引力(lì)定律进行(xíng)计算，太(tài)阳系的运(yùn)行速(sù)度应该是160千米(mǐ)/秒，但实际(jì)上(shàng)，太阳系正(zhèng)在以220千(qiān)米(mǐ)/秒的速度围绕(rào)银河系(xì)旋转，这个实际速度(dù)远远(yuǎn)大于(yú)理(lǐ)论速度，那么产(chǎn)生以(yǐ)上这(zhè)种(zhǒng)向心加(jiā)速度的原因很可能就是(shì)存在着一种我们看不到(dào)的物质，是这些暗物(wù)质的引(yǐn)力效应将星系聚集在了一起。

也是从这时开始(shǐ)，越来越多的研究(jiū)人员开始相信暗物质的存在(zài)。科学家根据星系外恒星轨道的速度(dù)，估算在星(xīng)系(xì)当(dāng)中暗物质的质(zhì)量占(zhàn)整(zhěng)个星(xīng)系质(zhì)量(liàng)的85%。但是，暗物质(zhì)并(bìng)不是唯一可以解释这个现象的原(yuán)因。在(zài)一项(xiàng)新的研(yán)究当中，科学(xué)家们发现，几乎没有引力效(xiào)应的(de)遥远恒(héng)星之间，也(yě)会出现速度(dù)上的微小(xiǎo)差异。另外，天文学家还发现了一个反常的星系，叫做(zuò)Agc114905。这个星系距离(lí)地球(qiú)大约2.5亿光年，大小和银河系不多，但是星系当(dāng)中存在(zài)的恒(héng)星数(shù)量却只有银(yín)河(hé)系的千(qiān)分之一(yī)。

所(suǒ)以在理论上，该星系必须(xū)存在暗物质，否则就(jiù)会分崩离析。但是科学(xué)家(jiā)们使用最先进的望远(yuǎn)镜对(duì)其进行了40个小时的(de)详(xiáng)细测量之(zhī)后，发现星系中的恒星运动是可以用正(zhèng)常(cháng)的物质(zhì)和力学(xué)定律(lǜ)来解释的(de)。那么又有人(rén)提出，也许该星系的暗物质，已(yǐ)经被(bèi)附(fù)近的另一(yī)个(gè)大星系(xì)剥(bō)离了。奇怪的是，它的(de)附近没有任(rèn)何(hé)星系存在(zài)。造成这些(xiē)现象的(de)除(chú)了(le)暗物(wù)质的假说之外，另一种可能就是人类对引力(lì)的理解(jiě)还不够全面，引力很可(kě)能在(zài)不同(tóng)尺度空间中的(de)工作方式是不(bù)同的，这意味着在行(xíng)星系尺度中(zhōng)的天体会(huì)沿着它们(men)的轨道，按照我们所理解的方式运动。但是上(shàng)升到(dào)星(xīng)系和(hé)星团的尺度，引力之间(jiān)的(de)相(xiāng)互作用则(zé)是(shì)不同的方式。对于在(zài)星系团(tuán)之间的(de)相互作用，科学家(jiā)还引入(rù)了外部场效应的概念(niàn)，指的是在数百万光年(nián)的规模上，巨大(dà)的质量(liàng)之间会产(chǎn)生对彼此特(tè)殊的效果，这个理论(lùn)叫(jiào)做MOND蒙(méng)德理论(lùn)。如果MOND蒙(méng)德(dé)理论成立(lì)，这(zhè)意味(wèi)着我们需要对现在的物理定律进(jìn)行(xíng)修正，这些发现也让(ràng)很多人认为暗物(wù)质假说理论(lùn)就此终结。但是在宇宙当中还有(yǒu)关于暗物质存在(zài)的其(qí)他的理论证据，这些理论证据是蒙德理(lǐ)论所没法(fǎ)解释的(de)“引力透镜(jìng)”。

径向距离为37亿光年的(de)子弹(dàn)星系团，由(yóu)两个碰撞的(de)星(xīng)系(xì)团所(suǒ)组成，类似这样的星团，它们大部分(fēn)的(de)普通质(zhì)量都在星(xīng)系的气(qì)体当中。当星团以1000万公里/小时发生碰(pèng)撞(zhuàng)的(de)时候，星际气体的相互(hù)作用就会(huì)导致温度的急剧升高，速度大幅降低。所以在理(lǐ)论上，在(zài)碰撞之后，子弹(dàn)星系(xì)团(tuán)大部分的质量将位(wèi)于所有这(zhè)些(xiē)气体所在的中间区域。那么(me)我们通过什么来验证它的(de)质量区域到(dào)底是不(bù)是集中在中(zhōng)间呢？前不久，詹姆斯韦伯太(tài)空望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(míng)显(xiǎn)地看到很多星系似乎被拉伸产生(shēng)了巨大(dà)的形变。其实这些星系本身(shēn)并不是真(zhēn)的被扭曲了，也不是(shì)韦伯望远镜(jìng)出了什么问题(tí)，而是这样极遥远的天(tiān)体和(hé)我们地球上的观测(cè)者之间。被一个(gè)质量超级巨大的天(tiān)体(tǐ)遮挡，这个超大质量(liàng)的东西(xī)的引(yǐn)力，会使身后更遥远星系的光都发生(shēng)了扭曲。这个现(xiàn)象就(jiù)是引(yǐn)力透镜效应。这个巨大的(de)天体可能是超(chāo)大质量的黑洞或者是(shì)暗物质(zhì)。

所以当人们对子(zi)弹星系(xì)团观测的时候(hòu)，发现它的大(dà)质量(liàng)区域并(bìng)不是在中间，而是(shì)在两侧。所以最好(hǎo)的(de)解释(shì)方法就是当(dāng)星团(tuán)发生全部的碰撞(zhuàng)时(shí)，可被观测到的质量气体(tǐ)被(bèi)卡在了中间，暗物质则(zé)直接通过(guò)了这个区域，并(bìng)在两边形成了引力(lì)透镜(jìng)。对子弹星系团(tuán)的引力透镜研究也(yě)被认为是暗物(wù)质存在(zài)的迄今(jīn)为止最好的理(lǐ)论(lùn)证据。

除此之外，还有来(lái)自(zì)宇宙当(dāng)中最古老(lǎo)的光。从宇宙大爆(bào)炸开(kāi)始，38万年之后，可见光终(zhōng)于可以畅通无阻(zǔ)地穿(chuān)越在宇宙当中了。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙空间背景上留下了各相(xiāng)同性的微波辐射(shè)。其中红色的部分表(biǎo)示(shì)温度较高的区域，蓝色(sè)则表示相对较(jiào)冷的区域，但实(shí)际(jì)上它们之间的温差只有万分(fēn)之一(yī)。

科学家(jiā)们通过(guò)对前景背(bèi)景分离后的二值(zhí)图(tú)像进行连通域提取和标(biāo)记之(zhī)后发现(xiàn)，如(rú)果宇宙(zhòu)当中没(méi)有暗(àn)物质，图(tú)形看起来不应该是(shì)这样的，而随(suí)着(zhe)暗物质的增加，一些(xiē)峰值(zhí)的幅度(dù)会减小，才变得看起(qǐ)来(lái)“和谐(xié)”。为了匹配(pèi)宇宙微(wēi)波背景辐(fú)射的测(cè)量值，我们(men)需(xū)要的暗物质(zhì)大约是普通物质的5倍。这个数(shù)字与(yǔ)解释星系当中恒星运(yùn)动所需要的暗物质比例是一致的。这就(jiù)意味(wèi)着(zhe)。

用了一(yī)个简单的理论框架，就很好地解(jiě)释了很多(duō)不同的观测(cè)结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在着某种类型的粒子，它们(men)不参与(yǔ)任何其他的电磁作(zuò)用，只通过引(yǐn)力来(lái)相互作用。所以如果(guǒ)能(néng)够找到这种(zhǒng)粒(lì)子的存在，就(jiù)相当于(yú)找(zhǎo)到(dào)了暗物质(zhì)存在的(de)实际证据。这种(zhǒng)粒(lì)子到底是什么？科学家们已经提出了数十(shí)种的假想(xiǎng)目标，而(ér)要寻找(zhǎo)这些不同的目(mù)标粒子所需要的实验(yàn)方式也不(bù)相同。在过去的几十年当中(zhōng)，人类为(wèi)了(le)寻(xún)找(zhǎo)这些看(kàn)不见、摸不到，几乎不(bù)会与常(cháng)规(guī)物质相互作用(yòng)的“暗物质”，科学家们已经进行了(le)超过(guò)50次的实验，却(què)没有任何(hé)实质(zhì)性(xìng)的发现，除(chú)了一(yī)个(gè)地方(fāng)，意大利(lì)的格兰萨索山，隶属(shǔ)于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的(de)地下矿井当中(zhōng)，藏着(zhe)地球上最大的地(dì)学实验室，这个(gè)实验室(shì)叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有(yǒu)一个三(sān)层(céng)楼高的探测器，一直致力于寻找(zhǎo)暗物(wù)质粒子的(de)周期性(xìng)震荡。

自1997年(nián)以来(lái)，这里的科学家声(shēng)称观测到了某种信号(hào)。经过了20多年的数(shù)据收集，人(rén)们发现(xiàn)了一(yī)个(gè)有(yǒu)趣的事情。探(tàn)测率(lǜ)会(huì)在(zài)每年(nián)的6月(yuè)份达到峰值(zhí)，然后在11月降到最低，而且在20年(nián)当中每年都是一样。一些科学家(jiā)认为这可(kě)能是(shì)人类发现(xiàn)暗物质的第一个直接(jiē)证据。

但(dàn)是为什(shén)么暗(àn)物质会产生周(zhōu)期性的年(nián)度信号呢？刚才我们讲了(le)太阳(yáng)系正在以220公里/秒(miǎo)的速(sù)度(dù)围绕着银河(hé)系(xì)进行(xíng)移动，那么如果暗(àn)物质存(cún)在宇宙当中，这意(yì)味着我(wǒ)们(men)也(yě)在以(yǐ)这(zhè)样(yàng)的速度在穿越(yuè)着暗物质(zhì)流，这个过程(chéng)中会产生(shēng)相(xiāng)应的振荡(dàng)，同(tóng)时地球又(yòu)以30公里/秒(miǎo)的(de)速度围绕(rào)太阳进行旋转。所以有半年的时间，地球(qiú)围(wéi)绕太阳的方(fāng)向(xiàng)与太阳环绕(rào)银河系(xì)的方向是一致(zhì)的(de)，而另外半年则与之相反。

而在6月份的时候，地球与太(tài)阳(yáng)的(de)方向(xiàng)正好达到完全一致(zhì)，这(zhè)是理论(lùn)上地球穿越暗(àn)物质流最(zuì)快的时段。而在11月(yuè)份，又恰好(hǎo)达到(dào)了最慢值。尽(jǐn)管在实际的情况中，太阳系相对银(yín)河(hé)系的平面呈现(xiàn)了60度的(de)倾(qīng)斜，但是这(zhè)并不影响这个理论的有效性。

因此科学家认为这可以用来解释，研究(jiū)人员们(men)所观测到的(de)周(zhōu)期(qī)性(xìng)信号。当(dāng)然也可能有其他的(de)情(qíng)况，造成这(zhè)种年度周期信号的差异(yì)也可能是(shì)温度、湿度、土(tǔ)壤(rǎng)中的水分、高山(shān)上的(de)积(jī)雪，甚至(zhì)连(lián)意大(dà)利游客的(de)数量也符合(hé)这个周(zhōu)期的规律(lǜ)。

所以，科学(xué)家(jiā)们又在(zài)南半球建立了一(yī)个几乎相(xiāng)同的实验室，这(zhè)里的季节与之前的实验(yàn)室正好相反，而在这里，地球穿(chuān)过暗物质流的运动特征(zhēng)和第(dì)一个实(shí)验室(shì)是一样的。

因此，如果在这(zhè)里(lǐ)可以得到相同(tóng)的(de)信号，就可以成为暗物质所存(cún)在的非常有(yǒu)力(lì)的证据(jù)了。但是由于这个实验(yàn)室(shì)刚刚建成(chéng)不久(jiǔ)，所以截(jié)至目前还无法提供相应的(de)数(shù)据支持。另外，在(zài)2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台(tái)太空望(wàng)远(yuǎn)镜叫做“南希格雷斯罗(luó)曼(màn)”，它的主镜大小跟哈勃望远镜相同，但它的(de)宽视场仪器提供(gōng)的视(shì)野是哈勃红外仪器的100倍。南希格(gé)雷斯罗曼太空望远镜其(qí)中一个关键的用途就是探索暗物质背后的奥秘(mì)，对于探测的结果，我们(men)只能拭目(mù)以待了。费米实验(yàn)室粒子(zi)天(tiān)体物理中心的科学家(jiā)丹(dān)琥(hǔ)珀和(hé)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一(yī)种神秘的效应(yīng)，这种(zhǒng)暗(àn)物质效应，会支(zhī)持宇宙当中生命的(de)诞生，或者说(shuō)是生命进化的一(yī)个重要因素。

如(rú)果这一(yī)理论(lùn)得(dé)到进一步(bù)的证实，那么遍布宇宙当中的暗(àn)物质会不会意味着人(rén)类并不(bù)孤单呢(ne)？或许在宇宙(zhòu)当中(zhōng)某个(gè)角落的行星上，暗物质正在通过这样的效应创(chuàng)造生命。当然，这些推论的大(dà)前提(tí)是(shì)要(yào)先(xiān)找到暗物质存在的实际证据。那(nà)么小伙伴们，你们觉得暗(àn)物质到(dào)底存不存(cún)在呢(ne)？喜欢请点赞(zàn)，你(nǐ)的支持是我更新的动力！

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