宇宙是(shì)“人(rén)为制造(zào)”的？为何会(huì)存在科(kē)学无法解释(shì)的(de)“暗物质”？暗(àn)物质又究竟是什么(me)？人类为了寻(xún)找暗物(wù)质存(cún)在的证(zhèng)据，科学家们(men)在过去的几十年当中进行了(le)超过50次的长期实验(yàn)，但是(shì)却没有(yǒu)发(fā)现任何的有(yǒu)效证据。除了一个地方(fāng)，在1687年出版的自然哲学数(shù)学原理一书中，埃萨克牛顿发表了(le)万(wàn)有引(yǐn)力定律，它揭(jiē)示了宇宙中天(tiān)体(tǐ)运动的规(guī)律(lǜ)。往后(hòu)的几百年来(lái)，当天文学家(jiā)们发现某(mǒu)些天体(tǐ)运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万有引力(lì)定律的时候，他们就(jiù)会(huì)知道(dào)，周围一定有未(wèi)知(zhī)的天体通(tōng)过引力在摄动它(tā)的轨道(dào)。比(bǐ)如在1846年，奥本勒维耶就通过(guò)天王(wáng)星运行轨道的(de)异常(cháng)，推算并且(qiě)发现(xiàn)了海(hǎi)王(wáng)星的(de)存在。另外，哈(hā)雷(léi)彗星、冥王(wáng)星的发(fā)现(xiàn)都是应用万有引力定(dìng)律所取得重大天(tiān)文成(chéng)就的例子。但(dàn)是这些(xiē)发现都是在(zài)恒星系统的尺度当中，可当我们上升到(dào)星系(xì)或者是星团(tuán)的(de)尺度(dù)，事情就开始变得诡异(yì)了。

1933年，瑞士的物(wù)理学家弗里茨兹威(wēi)基(jī)正在研究和测量(liàng)后发星系团的质量。这是(shì)一(yī)个(gè)由数千个星系所(suǒ)组成的巨大星系团(tuán)，这些(xiē)星系(xì)被引力(lì)束缚在一(yī)起。测(cè)量星(xīng)系(xì)团的质量(liàng)一般会(huì)使用(yòng)到两种方法，当两种方法结(jié)果一致，就可以(yǐ)确定(dìng)其质量的范围。

第一(yī)种是获得其"光度学的质量"，需要的数据是测量(liàng)各个星系的光度。

第二种是动力(lì)学质(zhì)量的计(jì)算，是利(lì)用光谱红移测量星系团中(zhōng)的各(gè)个星(xīng)系(xì)相对于(yú)星(xīng)系(xì)团的运动速(sù)度。当测量结果出来(lái)之(zhī)后，兹威(wēi)基(jī)彻底懵了，“动力学质量”竟然(rán)是“光度学质量”的(de)400倍。这意味着，后(hòu)发座星系团(tuán)有99%的质量消(xiāo)失了，或者说这99%的质量(liàng)并(bìng)不以可见光的形式所存在，我们无法(fǎ)看到。最诡异的是，在测量速度的过程(chéng)中(zhōng)，兹威基发现(xiàn)星系团中很多(duō)星系(xì)的速度比理论上要(yào)快得(dé)多，按照牛顿的运动学定(dìng)律，仅靠这些可见星(xīng)系(xì)的质(zhì)量所产生的引(yǐn)力是无法(fǎ)将它们束缚在星系团内的，它们早(zǎo)就应该被抛出星(xīng)系团之外了(le)，除非有一种神秘的(de)力(lì)量在起作用，这(zhè)种力量来源(yuán)于(yú)某种隐形(xíng)的物质。

据此，兹维(wéi)基提出了(le)这样部(bù)分(fēn)不可见的暗质，它不发散(sàn)光、吸(xī)光(guāng)、反射光(guāng)，但是它(tā)们却占(zhàn)据(jù)着宇宙中绝大(dà)部分(fēn)的质量。只是当时的(de)人们对这样(yàng)的一种说法不屑一顾。

直(zhí)到40年之(zhī)后，“暗物质”这个词才再一次出现。天文学(xué)家(jiā)维拉鲁宾和肯特福(fú)特在观测仙女(nǚ)座(zuò)星系中的恒星运动(dòng)。理论上来说，距(jù)离中心越远的恒星在(zài)其轨(guǐ)道上的(de)运(yùn)行速(sù)度就(jiù)会越慢。但是他们观测的结果却让人感到不可思议。

随着与中心距(jù)离(lí)的(de)增加，恒(héng)星的旋转速度几乎(hū)保持不变。可是根据(jù)牛顿的万有引(yǐn)力(lì)定律，在星系当中如果没有足够大的质(zhì)量来吸引(yǐn)它们(men)，这些外围的恒星早就被甩到宇宙当中了。基于这种现象，科学家们会使用(yòng)一(yī)种相对标准的方(fāng)法来解释暗物质的存在，这(zhè)种方法就是测量星(xīng)系当中气体在(zài)X轴(zhóu)上距离星系(xì)中心的距(jù)离，以及在(zài)Y轴上气体的旋转速(sù)度。如果出现异(yì)常的结果，就认为是(shì)由(yóu)暗物质的力量(liàng)进入其中。

于是(shì)科学家们(men)通过(guò)射(shè)电望远镜测量了距(jù)离星系中(zhōng)心(xīn)更远距离的(de)氢元素，发现它们的(de)旋转速(sù)度并不符合牛顿(dùn)的力学定律。我们的太阳系也不(bù)例外，太阳系位于银河系的第三悬臂之上，距离银河系中(zhōng)心2.6万光年(nián)，根据(jù)万有(yǒu)引力(lì)定(dìng)律进行计(jì)算，太阳系的运行速度应(yīng)该是160千米/秒，但实际上，太阳系正在以220千米/秒的速度围绕银河系旋转，这个(gè)实际速(sù)度(dù)远远大于理论速度，那么产生(shēng)以上(shàng)这(zhè)种(zhǒng)向心加速度的原因很可能就是(shì)存在着一种我们看不到的(de)物质，是这(zhè)些暗物(wù)质的引(yǐn)力效应将星系聚(jù)集在(zài)了一起。

也(yě)是(shì)从这(zhè)时(shí)开始(shǐ)，越(yuè)来越多的(de)研究人员开始相信暗物质的(de)存在。科学家根据星系外恒星轨道的速度，估算在星系当中(zhōng)暗物(wù)质的质量占整个(gè)星系质(zhì)量(liàng)的85%。但是，暗物质并不是唯一可以解释这个现象的原因(yīn)。在一项新的研究当中，科学(xué)家们发现，几乎(hū)没有引力(lì)效应的遥(yáo)远(yuǎn)恒星之间，也会(huì)出现(xiàn)速(sù)度上的微小差异(yì)。另外，天文学家还发现(xiàn)了一个反常的星系(xì)，叫做(zuò)Agc114905。这(zhè)个星(xīng)系(xì)距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大小(xiǎo)和银(yín)河系不多，但是(shì)星系当中(zhōng)存在的恒星数量却只(zhǐ)有银(yín)河系的千分之(zhī)一。

所(suǒ)以在理论上，该星系必须存在暗物质，否(fǒu)则(zé)就会(huì)分崩(bēng)离析(xī)。但是科(kē)学家们(men)使用最先进的望远镜(jìng)对其进(jìn)行了40个(gè)小时(shí)的详细测(cè)量之后(hòu)，发现(xiàn)星系中的恒星运(yùn)动是可以用正常的物质和(hé)力学定律来(lái)解释的。那么又有人(rén)提出，也许该星系的暗物质，已经(jīng)被附近(jìn)的另一个大星(xīng)系剥离了。奇怪的是，它的附近没有任(rèn)何星系存在(zài)。造成这些(xiē)现象的除了(le)暗物质的假说之外，另(lìng)一种可能就是(shì)人类对(duì)引力的理(lǐ)解还(hái)不够全(quán)面，引(yǐn)力很可能在不(bù)同尺度空间中的(de)工(gōng)作方式是不同的，这意味着在行星系尺(chǐ)度(dù)中(zhōng)的天体会沿着它们(men)的轨道，按照我们(men)所(suǒ)理解(jiě)的方式(shì)运动(dòng)。但是上升到星系和星团(tuán)的尺(chǐ)度，引(yǐn)力之间的相互(hù)作用则是(shì)不(bù)同的方式。对于(yú)在星系团之间的相互(hù)作用，科(kē)学家还引入了外部场效应的(de)概念，指的是在(zài)数百万光年的规模(mó)上，巨大的质量之(zhī)间会产(chǎn)生(shēng)对彼此特殊(shū)的(de)效果，这个(gè)理论叫做MOND蒙德理论(lùn)。如果MOND蒙德理论成立(lì)，这意味着我们需要对现在的物理定(dìng)律进行修正，这些发现也让很多人认(rèn)为(wèi)暗物质假(jiǎ)说理论就此终结(jié)。但是(shì)在宇宙当中(zhōng)还有关于暗物质(zhì)存在的其他的(de)理论证据，这些理论证(zhèng)据是蒙德理论所没法解释的“引力透镜”。

径(jìng)向距(jù)离为37亿光年的子弹(dàn)星系(xì)团(tuán)，由(yóu)两(liǎng)个碰撞(zhuàng)的星系团所组(zǔ)成，类(lèi)似这样(yàng)的星团，它们(men)大部分的普通质量都在星系(xì)的气体当(dāng)中。当(dāng)星团以1000万公(gōng)里/小时发生碰(pèng)撞的时候，星(xīng)际气体的相互作用就会导(dǎo)致温度的急剧(jù)升高，速度大(dà)幅降(jiàng)低。所以(yǐ)在理论上，在(zài)碰撞之后(hòu)，子弹星系(xì)团大部分的(de)质量(liàng)将(jiāng)位于所有(yǒu)这些气体所在的中间区域(yù)。那么我(wǒ)们通过(guò)什么来(lái)验(yàn)证它的(de)质量区域到底(dǐ)是不是集中在中间呢(ne)？前不久(jiǔ)，詹姆斯韦伯太(tài)空望远镜(jìng)传(chuán)回(huí)了宇宙当(dāng)中第一张全彩的高清(qīng)照片，在照片中(zhōng)我们可以明显地看到(dào)很多星系似乎被拉(lā)伸产(chǎn)生了巨大(dà)的形(xíng)变。其实(shí)这些星系(xì)本身并不是真的(de)被扭(niǔ)曲了，也不是韦伯望(wàng)远镜出了什么问题，而是这样极(jí)遥远的天体(tǐ)和我们(men)地球上的(de)观测者之间。被一(yī)个质量(liàng)超级巨(jù)大(dà)的天体遮挡，这个(gè)超大(dà)质量(liàng)的东西的引力，会(huì)使身后更(gèng)遥远(yuǎn)星(xīng)系的光(guāng)都(dōu)发生了扭曲。这个现(xiàn)象就(jiù)是(shì)引(yǐn)力透镜效应。这个巨大的(de)天体可能是超大质量(liàng)的黑洞或者是暗物质。

所(suǒ)以当(dāng)人们对子(zi)弹星系(xì)团观测的时候(hòu)，发现它的大质量区域并不是在中间，而是在两侧。所以最好的解释方(fāng)法就是(shì)当星(xīng)团发生全部的碰撞时，可(kě)被观测到的(de)质量气(qì)体被卡在了中(zhōng)间(jiān)，暗物质则直接通过了这个(gè)区域，并(bìng)在(zài)两边形成了引(yǐn)力透(tòu)镜(jìng)。对子弹星系(xì)团的引力透镜研究也被认为是暗(àn)物质(zhì)存在的迄今为止最好的理论证据。

除此之外(wài)，还有来(lái)自宇宙当中最古老的光。从宇宙大爆炸(zhà)开始，38万年(nián)之后，可见光终于可以畅通(tōng)无阻地穿越在宇宙当中了。经过了(le)130多亿年之后，这(zhè)些光在宇宙空间背景上留(liú)下(xià)了各相(xiāng)同(tóng)性的(de)微波辐射(shè)。其(qí)中红色的部分表示(shì)温度较高的区(qū)域，蓝色则表示相对(duì)较(jiào)冷的区域(yù)，但实际上(shàng)它们之间的温差只有(yǒu)万分之(zhī)一。

科学家们通(tōng)过对前(qián)景背景分离后(hòu)的(de)二值图像进行连通域提取和(hé)标记之后(hòu)发现，如(rú)果(guǒ)宇宙(zhòu)当中没有(yǒu)暗物质，图形看(kàn)起来不应该(gāi)是这样的，而(ér)随(suí)着暗物质的增加，一(yī)些峰值的幅度会减(jiǎn)小，才变得看起来(lái)“和谐”。为了匹配宇宙微(wēi)波背景辐射的(de)测量值，我们需要的暗物质(zhì)大(dà)约是普(pǔ)通物质的5倍。这(zhè)个数(shù)字(zì)与(yǔ)解(jiě)释星系当中恒星运动(dòng)所(suǒ)需要的(de)暗物质比例是一(yī)致的(de)。这就(jiù)意(yì)味着。

用(yòng)了一个(gè)简单的理论框(kuāng)架(jià)，就很(hěn)好地解释(shì)了很(hěn)多不同的观测结果(guǒ)。而暗物质的本质就是宇(yǔ)宙当中(zhōng)存在着(zhe)某种(zhǒng)类型的粒(lì)子，它们不参与任何其他(tā)的(de)电磁作用，只(zhǐ)通过引力来(lái)相互(hù)作用(yòng)。所以如果能够找到这(zhè)种粒(lì)子的存在，就相当于找到了暗物质存在的实际证(zhèng)据。这种粒子到(dào)底(dǐ)是(shì)什(shén)么？科学家们已经提出了(le)数十种(zhǒng)的假想(xiǎng)目标，而(ér)要寻找这些不(bù)同的目标粒子所需要(yào)的实验方(fāng)式也不相同。在过去的几十年当中，人(rén)类为了(le)寻(xún)找这些看不见、摸不到(dào)，几乎不会与常规物质相互作用的“暗物质(zhì)”，科学家(jiā)们(men)已经进行(xíng)了超过50次的实验，却没(méi)有(yǒu)任何(hé)实质性的发现(xiàn)，除(chú)了一(yī)个地方，意大利的(de)格兰(lán)萨索(suǒ)山，隶属(shǔ)于(yú)阿尔卑(bēi)斯山脉。

在山(shān)下1400米处(chù)的地(dì)下(xià)矿井当中，藏(cáng)着(zhe)地球上最大的地学实(shí)验室，这个实验室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有(yǒu)一个(gè)三层楼高(gāo)的探(tàn)测器，一直(zhí)致力于寻找暗(àn)物质粒子(zi)的周期性震荡。

自1997年以(yǐ)来(lái)，这里的科学家声称观测到了(le)某种信号。经过了20多(duō)年的数(shù)据收集，人们发现了一个有趣的事情。探测(cè)率会在每(měi)年的6月(yuè)份达到峰值，然后在11月降到(dào)最低(dī)，而且在20年(nián)当(dāng)中每(měi)年(nián)都(dōu)是(shì)一样。一(yī)些科学家认为(wèi)这(zhè)可能是人类发(fā)现暗(àn)物质的第(dì)一个直接证据。

但是为什么暗物质会(huì)产生周期性的(de)年度信号呢(ne)？刚才我们(men)讲了太(tài)阳系正在以220公里/秒的速度围(wéi)绕(rào)着银河系进行(xíng)移动，那么如果暗物质存在宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)，这意味着我(wǒ)们(men)也在以(yǐ)这(zhè)样的速(sù)度在穿(chuān)越着暗物质流，这个过(guò)程中会产生相(xiāng)应的振荡，同(tóng)时地(dì)球又以(yǐ)30公里/秒的速度围绕太阳进(jìn)行旋转(zhuǎn)。所以有半年的时间(jiān)，地球围绕太(tài)阳(yáng)的方(fāng)向与太阳环绕银河系的方(fāng)向是一致的，而另外半(bàn)年则与之(zhī)相反。

而(ér)在6月份(fèn)的时候，地球与太阳的方向(xiàng)正好达(dá)到完全一(yī)致，这是理论上地球穿(chuān)越(yuè)暗物质流最快的时段。而在11月(yuè)份，又恰好达到了最慢值(zhí)。尽(jǐn)管(guǎn)在实际(jì)的情况中，太阳系(xì)相(xiāng)对银(yín)河(hé)系的平面呈现(xiàn)了(le)60度(dù)的倾(qīng)斜，但是这(zhè)并不影响这(zhè)个理(lǐ)论的(de)有效性。

因此科学家认(rèn)为这可以(yǐ)用来解释，研(yán)究人员们所观测到(dào)的(de)周期性信号。当然也可(kě)能有其他的(de)情况，造成(chéng)这种年度周期信号的差(chà)异也可能是温度(dù)、湿度、土(tǔ)壤中的水分、高山上(shàng)的(de)积雪(xuě)，甚至连意大(dà)利游客的数量也符合这个周(zhōu)期的规律。

所以，科学家(jiā)们又在南(nán)半球建立了一个几乎相同的(de)实验室，这里(lǐ)的季节与之前的实(shí)验室正(zhèng)好相反，而在这里(lǐ)，地球穿过暗物质流(liú)的运动特征和第一个(gè)实验室是一样的。

因此(cǐ)，如果在这(zhè)里(lǐ)可以得到相(xiāng)同的信(xìn)号，就(jiù)可以成(chéng)为(wèi)暗物质所存(cún)在的非常有力的证(zhèng)据(jù)了。但是由于这个实(shí)验(yàn)室刚刚建(jiàn)成不久，所以截至目前还无(wú)法提供相应的数据(jù)支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会发射一台新的望(wàng)远镜，这台太(tài)空望远镜叫做“南希格(gé)雷斯罗(luó)曼”，它的主镜大(dà)小跟哈勃望远镜相同，但它的宽视场仪器(qì)提供的(de)视野(yě)是(shì)哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太(tài)空望(wàng)远镜其(qí)中一个关键的用途(tú)就是探(tàn)索(suǒ)暗物质(zhì)背后(hòu)的奥秘，对于探测的结果(guǒ)，我们只(zhǐ)能(néng)拭目以待(dài)了。费米实验(yàn)室粒(lì)子天(tiān)体物理(lǐ)中心的(de)科学家(jiā)丹琥珀和贾(jiǎ)森斯特(tè)芬(fēn)研究发现，如果暗物质(zhì)存在，它们极有(yǒu)可(kě)能(néng)拥(yōng)有(yǒu)另一种神秘(mì)的效应，这(zhè)种(zhǒng)暗物质效(xiào)应，会支持宇(yǔ)宙当中生命(mìng)的诞生(shēng)，或者说是生命进化的一(yī)个重要因素。

如果(guǒ)这一(yī)理论得到进一(yī)步的证实，那么遍(biàn)布宇宙当中的暗物质(zhì)会不会(huì)意味着人类(lèi)并不孤单呢？或许在宇宙当中(zhōng)某个角落的行星上，暗物质正在(zài)通过这样的效应(yīng)创造生(shēng)命。当然(rán)，这些推论的大前提是要(yào)先找到暗(àn)物质存在的实际(jì)证据。那(nà)么小伙伴们，你们觉得暗物(wù)质到(dào)底存(cún)不(bù)存在呢(ne)？喜欢请点(diǎn)赞，你的支持(chí)是(shì)我(wǒ)更新(xīn)的动(dòng)力！

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