宇(yǔ)宙是(shì)“人为(wèi)制造”的？为何会存在科学无法(fǎ)解释的“暗物质”？暗物质(zhì)又究竟是什么？人类为(wèi)了寻找暗物质存在的证据，科学家们在过去的几(jǐ)十年(nián)当中(zhōng)进(jìn)行了超过50次的长(zhǎng)期实验，但是却没有发现任何的有效证据。除了(le)一个地(dì)方(fāng)，在1687年出版(bǎn)的自(zì)然哲学(xué)数学原理(lǐ)一书(shū)中，埃萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭示了宇宙中天体运动的规律。往(wǎng)后的几百年(nián)来(lái)，当天文学(xué)家们发(fā)现某些天体运行轨道出(chū)现(xiàn)异常，不符合万(wàn)有引力定律的时候，他们就会知(zhī)道，周围一(yī)定有(yǒu)未知的天体通过引力在摄动它的轨道(dào)。比如在1846年，奥本(běn)勒维耶就通过天王星运行轨道的异常，推算并且(qiě)发现了(le)海(hǎi)王星的存在。另外(wài)，哈雷彗星、冥王星的(de)发(fā)现都是应(yīng)用万有(yǒu)引力(lì)定律所取得(dé)重(zhòng)大天文(wén)成就(jiù)的(de)例子(zi)。但(dàn)是(shì)这些发现都是在恒(héng)星系统的尺度当中，可当我(wǒ)们上升(shēng)到(dào)星系或者是星(xīng)团的(de)尺度，事(shì)情就开始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞士(shì)的物理(lǐ)学家弗里茨兹威基正在研究和测量(liàng)后(hòu)发星系(xì)团(tuán)的质量。这是一个由数千个星系所组成的巨大星系团，这些星系被引力束缚在(zài)一起。测量星系团的质(zhì)量(liàng)一般(bān)会使用(yòng)到(dào)两种(zhǒng)方法，当两种方法结果(guǒ)一致，就(jiù)可以确定其(qí)质量的范(fàn)围。

第一种是获得(dé)其"光度学的(de)质量"，需要(yào)的数据是测量(liàng)各个星系的光度。

第二(èr)种(zhǒng)是(shì)动力学质量的计算(suàn)，是利用(yòng)光谱红移测(cè)量星系团中的各个星(xīng)系相对于星系团的运(yùn)动速度。当测量结果出来之后，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力学质量”竟然(rán)是“光(guāng)度学质量”的400倍。这(zhè)意味着(zhe)，后发(fā)座星系团有99%的(de)质(zhì)量(liàng)消失了，或者说这(zhè)99%的质(zhì)量并不以可(kě)见光的(de)形式所存在(zài)，我们无法看到。最诡异的(de)是，在测量速度的过程(chéng)中，兹威基发(fā)现(xiàn)星系团中很多星系的速度比理论上要(yào)快(kuài)得多，按照牛(niú)顿的运动学定律，仅靠这些可见星系(xì)的质量所产生的引力(lì)是无法将它们束缚在星系团内的，它们早(zǎo)就应该被抛出星系团之外了(le)，除非有一种神秘的力量在起(qǐ)作用，这种力量来源于某种隐(yǐn)形的(de)物质。

据(jù)此，兹(zī)维基提出了(le)这样(yàng)部分不可见的暗(àn)质，它不发散光、吸光、反(fǎn)射光，但(dàn)是(shì)它们却(què)占据着宇宙中绝大部分的质(zhì)量(liàng)。只(zhǐ)是当时的(de)人们对这样的一(yī)种说法不(bù)屑一顾。

直到40年之后，“暗物(wù)质”这(zhè)个词才再一(yī)次出现(xiàn)。天(tiān)文学家维(wéi)拉(lā)鲁(lǔ)宾(bīn)和肯特福(fú)特(tè)在观测仙女座星系(xì)中的恒星运动。理论上(shàng)来说，距离中心越远的恒星(xīng)在其(qí)轨道上的(de)运(yùn)行速度就会越(yuè)慢。但(dàn)是他们观(guān)测的(de)结果却(què)让人感到不可(kě)思议。

随着与中心距(jù)离的增(zēng)加，恒星的(de)旋转速度几乎(hū)保(bǎo)持不(bù)变。可是(shì)根(gēn)据牛顿的万有引力定律(lǜ)，在星系当中如果没有足够大的质量(liàng)来吸引它们，这些外围的(de)恒(héng)星早就(jiù)被甩到宇(yǔ)宙(zhòu)当中了。基(jī)于这种现象，科学家们会使用一(yī)种相对标准的方法(fǎ)来解释暗物质的存在，这种方(fāng)法就是测量(liàng)星系(xì)当中(zhōng)气体在X轴上距离(lí)星系中心的(de)距(jù)离，以(yǐ)及在Y轴上气体的旋转速度。如果出现异(yì)常的(de)结果，就认为是(shì)由(yóu)暗物质(zhì)的(de)力(lì)量进入其中(zhōng)。

于(yú)是科学(xué)家们通过射电望远镜测量了距离星系中心更(gèng)远距(jù)离的氢元素，发(fā)现(xiàn)它们的旋转速度并不符合牛(niú)顿(dùn)的(de)力学定律。我们的太阳系也不例(lì)外，太阳系位(wèi)于银河系(xì)的第三悬臂(bì)之上，距离银河系中(zhōng)心2.6万光年，根(gēn)据万有引(yǐn)力定律进(jìn)行计算，太阳系的运行速度应该是160千米/秒，但(dàn)实际上，太阳系正在以220千米/秒的速(sù)度(dù)围绕银河系旋转，这个实际速(sù)度(dù)远远大于(yú)理论速度，那么(me)产生(shēng)以上这种向心加(jiā)速度的原因很可能(néng)就是存在着一种我们看不到的物质(zhì)，是这些暗物质的引力效(xiào)应将(jiāng)星(xīng)系聚(jù)集在(zài)了一起。

也是从这(zhè)时开始，越来越多的研究人员开始(shǐ)相信暗物质的(de)存在(zài)。科学(xué)家根据(jù)星系外恒星轨道的速(sù)度，估(gū)算在星系当(dāng)中暗物质的(de)质量占整个(gè)星系质量(liàng)的85%。但(dàn)是，暗(àn)物质(zhì)并(bìng)不是唯(wéi)一可以解释这个现象的(de)原因。在一(yī)项(xiàng)新的(de)研究当中，科学家们发现，几乎(hū)没有(yǒu)引力效应的遥远恒星之间，也会出现(xiàn)速度上的(de)微(wēi)小差异。另外，天文学家还(hái)发现了一个反(fǎn)常的星系，叫做Agc114905。这个星系距离地(dì)球大(dà)约2.5亿光年，大小和银河系不多，但(dàn)是星系(xì)当中存在的恒星数量(liàng)却只有银河系(xì)的千分(fēn)之一。

所以在(zài)理论(lùn)上，该星系必(bì)须存(cún)在暗物(wù)质，否则就会(huì)分崩(bēng)离析。但是科学家们(men)使用最先进的(de)望远镜对(duì)其进行了40个(gè)小时的(de)详(xiáng)细测量之后(hòu)，发现(xiàn)星系中的恒星运动是(shì)可以用(yòng)正常的物(wù)质(zhì)和力学定律(lǜ)来解释(shì)的(de)。那么又有(yǒu)人提(tí)出，也(yě)许该星系的暗物(wù)质，已经(jīng)被附近的另一个(gè)大(dà)星系剥(bō)离了。奇怪的(de)是，它的附近(jìn)没有任何星系存在。造成这些现象(xiàng)的除了暗物质的(de)假说之外，另一种(zhǒng)可能就(jiù)是人类对(duì)引(yǐn)力的理解还不够(gòu)全(quán)面，引力(lì)很可能在不同尺度(dù)空间中的工(gōng)作方(fāng)式是不(bù)同的，这意味(wèi)着在行星系尺(chǐ)度中的天体会沿着它们的(de)轨道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动(dòng)。但是上(shàng)升到星系和(hé)星(xīng)团的尺(chǐ)度，引力之间的相互作用则(zé)是(shì)不同的方(fāng)式。对于(yú)在星系(xì)团之(zhī)间(jiān)的相互作用，科(kē)学家还(hái)引入了外部场效应的概念，指(zhǐ)的是在数百万(wàn)光年的规模上，巨(jù)大(dà)的(de)质(zhì)量之间会产(chǎn)生对彼此(cǐ)特殊的效果，这个理论叫做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德(dé)理论(lùn)成立，这意(yì)味着(zhe)我们(men)需要(yào)对现在的物理定律进行修正，这些发现也让很多人认为暗(àn)物质假说理论就(jiù)此终结。但(dàn)是在宇(yǔ)宙当(dāng)中还有关于暗物(wù)质(zhì)存在的(de)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(yǐn)力透镜”。

径向距离(lí)为37亿光年的子弹星系团，由两个碰(pèng)撞的星系团所组成，类似这样(yàng)的星团，它们(men)大(dà)部分(fēn)的普通质量都在(zài)星系的气体当中。当星(xīng)团以1000万(wàn)公里/小时发生碰(pèng)撞的时候，星际气(qì)体的(de)相互作用(yòng)就会导致温(wēn)度的急(jí)剧(jù)升高，速度大幅降低。所(suǒ)以(yǐ)在理论上，在碰撞之后，子弹(dàn)星系团大部分的(de)质量将位(wèi)于所有这些气(qì)体(tǐ)所在的中间(jiān)区域(yù)。那么我们通过什么来验证它(tā)的质量区域(yù)到底是不是集(jí)中在中间呢？前不久，詹姆斯韦伯(bó)太空(kōng)望远镜传回了宇宙当中第一张全彩的(de)高清(qīng)照片，在照片(piàn)中我们(men)可以(yǐ)明显地看到(dào)很多星系似乎被拉(lā)伸(shēn)产(chǎn)生(shēng)了(le)巨(jù)大(dà)的形变(biàn)。其实这些星系(xì)本(běn)身并不是真的被(bèi)扭曲了，也(yě)不是韦(wéi)伯望远镜出(chū)了什么问题，而是这样极遥远的天体和我(wǒ)们地球(qiú)上的观测(cè)者之间。被一(yī)个质(zhì)量超级巨(jù)大的天(tiān)体(tǐ)遮挡，这个超(chāo)大质量的东西(xī)的引力，会使身后更遥远(yuǎn)星(xīng)系的(de)光都(dōu)发(fā)生了扭曲。这个现象就是引力(lì)透镜(jìng)效应。这个巨大的天体可能是超大质量的黑洞或者是暗(àn)物质。

所以当人们对子弹星系团观测的时候(hòu)，发(fā)现它的大质量区域并不是在(zài)中间，而是在(zài)两(liǎng)侧。所以(yǐ)最好的解(jiě)释方(fāng)法就是当星团发生全(quán)部的碰撞时，可被观测到的质量气体被卡在了(le)中(zhōng)间，暗物质(zhì)则直接通过了这个区域(yù)，并在两(liǎng)边形成(chéng)了引力透镜。对(duì)子弹星(xīng)系团的引(yǐn)力透镜研究也(yě)被(bèi)认为是暗(àn)物(wù)质存在的迄今为止最好的理论证(zhèng)据。

除此之外(wài)，还(hái)有来自宇宙当中最(zuì)古(gǔ)老的(de)光。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之后，可(kě)见光终于可以(yǐ)畅通无阻(zǔ)地(dì)穿越(yuè)在宇(yǔ)宙当(dāng)中了(le)。经过了(le)130多亿年之后，这些光在宇宙空间背景上(shàng)留下(xià)了各相同(tóng)性的微波辐(fú)射。其中红(hóng)色的部分表示(shì)温(wēn)度较高的区域，蓝色则表示相对较冷的(de)区域，但实(shí)际上它们之间(jiān)的温差只有万分之一。

科学家们通(tōng)过(guò)对前景背(bèi)景分离(lí)后的二值图像(xiàng)进行(xíng)连通域提取和标记之后发现，如果宇宙当中没有暗物质，图形看起来不应该(gāi)是这样(yàng)的，而(ér)随着暗物质(zhì)的增加，一些峰值的(de)幅度会减小，才变(biàn)得看(kàn)起来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇宙微波(bō)背景辐射的测(cè)量值，我们需要的暗物(wù)质大约是(shì)普通(tōng)物质的5倍。这个数字与解释星系(xì)当中恒星运动所需(xū)要的暗物质(zhì)比例是一致的。这就(jiù)意味(wèi)着。

用了一(yī)个简(jiǎn)单的理论框架，就(jiù)很好地解释了很多不同(tóng)的观(guān)测结果(guǒ)。而暗物(wù)质的(de)本质就是宇宙当中存(cún)在着某种类型的粒子，它们不参与任何(hé)其他(tā)的电磁(cí)作用，只通过(guò)引力来(lái)相互作用。所以如果能够找到这种粒子的存在，就相当于找到了暗物质(zhì)存在(zài)的实际证据。这种粒子到底是什么？科学家们(men)已(yǐ)经提出了数十种的(de)假想目(mù)标，而(ér)要(yào)寻找这些不(bù)同的(de)目标粒(lì)子所需要(yào)的实验方式也不(bù)相同。在过去的几十年当(dāng)中，人(rén)类为了(le)寻找这些看不(bù)见、摸不(bù)到，几乎不会与(yǔ)常(cháng)规物质相互作(zuò)用(yòng)的“暗物质”，科学家(jiā)们已经进(jìn)行了超(chāo)过(guò)50次的实验，却(què)没有任何实质性的发现(xiàn)，除了(le)一个地方，意大利(lì)的(de)格兰萨索山，隶属于阿(ā)尔卑斯山脉。

在山下1400米处的地下矿井当中(zhōng)，藏着(zhe)地球上最(zuì)大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有(yǒu)一(yī)个三层楼高的探测器，一直(zhí)致力于寻找暗物质粒子的周(zhōu)期性震荡。

自(zì)1997年(nián)以来，这里的科(kē)学家声称观测到了某种(zhǒng)信号。经过了20多年的数据收集，人们(men)发现了一个有趣的事情。探测率(lǜ)会在每(měi)年的6月份达到峰值，然后(hòu)在11月降到最低，而(ér)且在20年当中每年都是一样(yàng)。一些科学家(jiā)认为这可能(néng)是人类发现暗物质的第一(yī)个直接证据。

但(dàn)是为什(shén)么暗物质会产(chǎn)生周期(qī)性的年度信号呢(ne)？刚才(cái)我们讲了太阳(yáng)系正在以220公里(lǐ)/秒的速度围绕着银河系进(jìn)行移动，那么如果暗物质存在(zài)宇(yǔ)宙当中，这(zhè)意味着我们也(yě)在以这样的(de)速(sù)度在穿越着暗(àn)物质(zhì)流，这个(gè)过程中(zhōng)会产生相应(yīng)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，地球围绕太阳(yáng)的方向(xiàng)与太(tài)阳环(huán)绕银(yín)河系的方向是一(yī)致的(de)，而另外半(bàn)年则与之相反。

而在6月份(fèn)的时候，地球与太阳的方向(xiàng)正好达到完全一致，这(zhè)是理论上地球穿(chuān)越暗物质流最(zuì)快(kuài)的(de)时段。而在11月份，又恰好(hǎo)达到了最慢值(zhí)。尽管在(zài)实际的情(qíng)况(kuàng)中(zhōng)，太(tài)阳(yáng)系相对(duì)银河系的平面呈现了60度的倾(qīng)斜，但是这并(bìng)不影响这个(gè)理论的有效(xiào)性。

因此科学家认为这可以用(yòng)来(lái)解释，研究人员(yuán)们(men)所观测(cè)到(dào)的(de)周期(qī)性信号。当然也可能有其他的情(qíng)况，造成这种年度周期(qī)信(xìn)号的差异也可(kě)能是温(wēn)度、湿(shī)度、土壤中的水分、高山上的积雪(xuě)，甚至连(lián)意大(dà)利游(yóu)客(kè)的数量也符合这个周期的(de)规律。

所以，科学(xué)家们又在南(nán)半(bàn)球建立了(le)一个(gè)几乎相同的实(shí)验室，这里(lǐ)的季节(jié)与(yǔ)之前的(de)实验(yàn)室正好相(xiāng)反，而在这(zhè)里，地(dì)球穿过暗(àn)物质流的(de)运动特征和(hé)第一个实(shí)验室是(shì)一(yī)样的。

因此(cǐ)，如果(guǒ)在这里(lǐ)可以得到(dào)相(xiāng)同的信号，就可以(yǐ)成(chéng)为暗物质所存在的(de)非常有力的证据了。但(dàn)是由于这(zhè)个(gè)实验室(shì)刚刚建成不久，所以截至(zhì)目前还(hái)无法提供相(xiāng)应(yīng)的数据支(zhī)持。另(lìng)外，在2025年，NASA将(jiāng)会发射一台新的望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫做(zuò)“南希(xī)格雷(léi)斯罗(luó)曼”，它的主镜大小(xiǎo)跟哈(hā)勃望远镜相(xiāng)同，但它的宽(kuān)视(shì)场仪(yí)器(qì)提(tí)供的(de)视(shì)野是哈勃红外仪器的(de)100倍。南希格雷(léi)斯罗曼(màn)太空望远镜其中一个关(guān)键的(de)用途就是探索暗(àn)物(wù)质背后的奥秘，对于探测的(de)结(jié)果(guǒ)，我们(men)只能拭目以待了。费米实验室粒子(zi)天体物理中心的(de)科学家丹(dān)琥珀和贾(jiǎ)森斯特芬研(yán)究发现(xiàn)，如果(guǒ)暗物质存在，它们极(jí)有可能拥有另一种神秘(mì)的效应，这种暗物质效应，会支(zhī)持宇宙当中生命的诞生，或者说是生命进(jìn)化的一个重要(yào)因素(sù)。

如(rú)果这一理(lǐ)论得到进(jìn)一步的证实，那么遍布宇宙(zhòu)当中的暗物质会(huì)不会意味着人类(lèi)并(bìng)不孤单呢？或许在宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)某个角落的行星上，暗物质正在通过(guò)这样的效应创(chuàng)造生(shēng)命。当然，这些推论的(de)大前(qián)提是(shì)要先找到暗(àn)物质存在(zài)的(de)实际证据。那(nà)么小伙伴们，你们觉得暗物(wù)质到底存不(bù)存在呢(ne)？喜欢请点赞(zàn)，你的支(zhī)持是(shì)我更新(xīn)的动力！

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