宇(yǔ)宙是(shì)“人为制造”的(de)？为何会(huì)存在科学无法(fǎ)解释的(de)“暗物质”？暗(àn)物质又究竟是什么(me)？人类为了寻找(zhǎo)暗物(wù)质(zhì)存在的证据(jù)，科学家们(men)在过去的几十年当中进行了超过50次的长期实验，但(dàn)是却没有发现任何(hé)的(de)有效证据。除了一个地方，在(zài)1687年出版的自然哲学(xué)数学原(yuán)理一书中，埃萨克(kè)牛顿发表了万有(yǒu)引力定律，它揭示了宇宙中天体运动的(de)规(guī)律(lǜ)。往(wǎng)后的几百年来，当天文学家们发现某些天体运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万有引力(lì)定(dìng)律的(de)时候(hòu)，他们就会知道，周围一定有未知的天体通过引力在摄(shè)动(dòng)它的轨道。比如在1846年，奥本勒维耶就通过(guò)天王星运行轨道的(de)异常，推算并(bìng)且发(fā)现(xiàn)了海(hǎi)王星(xīng)的存在。另外(wài)，哈雷彗星、冥王星的发现都(dōu)是应用万有引力定律所取得重大天文(wén)成就的(de)例子。但是(shì)这些发现都是在恒星系统的尺度当(dāng)中，可当我们上升(shēng)到星(xīng)系或者是(shì)星团的尺度，事(shì)情就开始变得(dé)诡异了。

1933年，瑞(ruì)士的物理学家弗里茨兹威基正在(zài)研究和测量后(hòu)发(fā)星系(xì)团的质量。这是(shì)一个由数千个(gè)星系所组成的巨大星系团，这些星系被引力束缚在一起。测(cè)量星系(xì)团的质(zhì)量一般会使用到两种方法(fǎ)，当两种方法结果一致，就可以确定其质量的范围。

第(dì)一种(zhǒng)是获(huò)得其"光(guāng)度学的质(zhì)量"，需要的数据是测(cè)量各(gè)个星系的光度。

第二种是动力学质量的(de)计算(suàn)，是利用光谱红移测量星系(xì)团(tuán)中的各个星系相对于星系团的运动(dòng)速(sù)度。当测量结(jié)果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然(rán)是(shì)“光度学质量”的400倍。这意(yì)味着，后发座星系(xì)团有99%的质量消失了，或者说这99%的(de)质量(liàng)并不以(yǐ)可见光的形式所存在，我们无法看到(dào)。最诡异的(de)是(shì)，在测量速度的过程中(zhōng)，兹(zī)威(wēi)基发现星系团中很多(duō)星(xīng)系的速度比(bǐ)理论上要快得(dé)多，按(àn)照(zhào)牛顿(dùn)的运动学定律，仅靠这些(xiē)可见星系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(tā)们早就(jiù)应该被抛出(chū)星系团(tuán)之外(wài)了，除非有一(yī)种神秘的(de)力量在(zài)起(qǐ)作(zuò)用，这种力(lì)量来源于某(mǒu)种隐形的(de)物质。

据(jù)此，兹维基提(tí)出了这样部分不(bù)可见的(de)暗质，它不发散光(guāng)、吸光(guāng)、反射(shè)光，但是它们却占据着宇(yǔ)宙中绝大部分的质量(liàng)。只是(shì)当时的(de)人们对这样的一(yī)种说(shuō)法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质(zhì)”这个词才再(zài)一次(cì)出现。天文(wén)学(xué)家维拉鲁宾和肯特福特在(zài)观测仙女(nǚ)座星系中的恒星(xīng)运动。理论上来说(shuō)，距(jù)离中心越远的恒星(xīng)在其轨道上的运(yùn)行速度就会越慢(màn)。但(dàn)是他们(men)观测的结果(guǒ)却让人(rén)感(gǎn)到不(bù)可思议。

随着与中心(xīn)距离(lí)的增加，恒星的旋转速度(dù)几乎保持(chí)不变(biàn)。可是根(gēn)据牛顿的万有(yǒu)引力(lì)定律，在星系当中如果没有(yǒu)足够大的(de)质量来(lái)吸引它们，这些外围的恒星早就被甩(shuǎi)到宇(yǔ)宙当中了。基于这(zhè)种现象，科学(xué)家们会使用(yòng)一种相对标准的方法来解释暗物质的存在，这(zhè)种方法(fǎ)就(jiù)是测量(liàng)星系当中气体在(zài)X轴上(shàng)距(jù)离星系(xì)中心(xīn)的距离，以及(jí)在Y轴上气体的旋转速度。如果出现异常的结果(guǒ)，就认为是由暗物质(zhì)的(de)力量进入其中。

于是(shì)科学家(jiā)们通过(guò)射电望远镜(jìng)测量了距离星(xīng)系中心更(gèng)远距(jù)离(lí)的氢元素，发现(xiàn)它们的旋转速度并不符合牛顿的力学定(dìng)律。我们的太阳系(xì)也不例外，太阳系位于银(yín)河(hé)系(xì)的第三悬臂之上，距离银河系(xì)中(zhōng)心(xīn)2.6万(wàn)光年(nián)，根(gēn)据万(wàn)有引力定律进行计算，太阳系的运行速度(dù)应该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但实际上(shàng)，太(tài)阳系正在(zài)以220千米(mǐ)/秒的速度围(wéi)绕银河(hé)系旋(xuán)转，这(zhè)个实(shí)际速(sù)度远(yuǎn)远大于理论速度，那么产生以(yǐ)上(shàng)这种向心加速度的原因很可能(néng)就是存在着一(yī)种我们看不(bù)到的(de)物质，是这些(xiē)暗物(wù)质的引(yǐn)力效(xiào)应将星系聚集(jí)在了一起。

也(yě)是从这(zhè)时开(kāi)始，越(yuè)来越(yuè)多的研究人员(yuán)开始相信暗物质的存在。科学家根据(jù)星系外恒星轨道(dào)的(de)速度，估算(suàn)在星系(xì)当中暗物(wù)质的质(zhì)量占整个星系质量的85%。但是，暗(àn)物质并不(bù)是唯(wéi)一可以解释(shì)这个现象的(de)原因。在一(yī)项(xiàng)新(xīn)的研(yán)究(jiū)当中(zhōng)，科学家们发现，几(jǐ)乎没(méi)有引力效(xiào)应的(de)遥远(yuǎn)恒星(xīng)之间，也会出现速度上的微小差异。另外(wài)，天文学(xué)家(jiā)还(hái)发现了一个反(fǎn)常的星系，叫(jiào)做Agc114905。这个星系距离地球(qiú)大约(yuē)2.5亿光年(nián)，大小和银河系不多(duō)，但(dàn)是星系当中存在的恒星数(shù)量却只有银河系的(de)千分之一。

所以在理论上，该星系必(bì)须存(cún)在暗(àn)物(wù)质(zhì)，否则就会(huì)分崩离析(xī)。但是科学家们(men)使用最先进的望远镜对其进行了40个小(xiǎo)时的(de)详细测量之(zhī)后(hòu)，发现星系中的恒(héng)星(xīng)运动是(shì)可以用正常(cháng)的(de)物质和力学定律来(lái)解释的。那么又有人提出，也许该(gāi)星系的暗物质，已(yǐ)经被附(fù)近(jìn)的另一个大(dà)星系剥离(lí)了。奇(qí)怪的(de)是(shì)，它的(de)附近没有任何星系存在。造成(chéng)这些现象(xiàng)的除了暗物质(zhì)的假说之外，另一(yī)种可(kě)能就是人类对(duì)引力的理解还(hái)不够全(quán)面，引力很可能在不同尺度(dù)空间中的工作方式是不(bù)同的，这(zhè)意味着在(zài)行星系(xì)尺度(dù)中的天体(tǐ)会(huì)沿着它们的(de)轨(guǐ)道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动(dòng)。但是上升到(dào)星系和(hé)星团的尺度，引力之间的相互(hù)作用则(zé)是不(bù)同的方(fāng)式。对于在星系团之间的相互作用，科(kē)学家(jiā)还引入(rù)了(le)外部场效应的概念，指的是在数百万光年的(de)规模上，巨大的质(zhì)量之间(jiān)会产生对彼此特殊的效果，这个理论叫做(zuò)MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理(lǐ)论成立，这(zhè)意(yì)味(wèi)着我们(men)需要对现在的物理定律进行修(xiū)正，这些发现也让很多人认为暗物(wù)质假(jiǎ)说理论(lùn)就(jiù)此终结。但是(shì)在宇(yǔ)宙当(dāng)中还有(yǒu)关于暗物(wù)质存在(zài)的其他的(de)理(lǐ)论证据，这(zhè)些理论证据是蒙德理论所没法解(jiě)释(shì)的(de)“引力透镜(jìng)”。

径向(xiàng)距离为37亿光年的子弹星系团，由两个碰撞的星(xīng)系团所组成，类似这样的星团，它们大部分的普通(tōng)质量都(dōu)在星系(xì)的气体当(dāng)中。当星团以1000万公里/小(xiǎo)时发生碰撞的时(shí)候，星际气体的相互作(zuò)用就(jiù)会导致温度(dù)的急剧升高(gāo)，速(sù)度(dù)大幅降低。所以在理论(lùn)上(shàng)，在碰撞之后，子弹(dàn)星系团大部(bù)分的质(zhì)量将(jiāng)位(wèi)于所有这些气体所在的(de)中(zhōng)间区域。那么我们(men)通过什么来验(yàn)证它的质量区域到底(dǐ)是不是集(jí)中在中间呢？前不久，詹(zhān)姆斯韦伯太空望远镜传(chuán)回了宇(yǔ)宙(zhòu)当中第一张全彩的(de)高清照片，在照(zhào)片中我们可以明显(xiǎn)地看到很多星系(xì)似乎被拉伸产生了巨(jù)大的形变。其实(shí)这些星(xīng)系(xì)本身并不是真的被扭曲了，也不(bù)是韦(wéi)伯望远镜出了什(shén)么问(wèn)题，而(ér)是这样极遥远的天体和(hé)我(wǒ)们地球上的观测者之间。被一个(gè)质量超级巨大的天体(tǐ)遮挡，这(zhè)个超大(dà)质量的东西的引力(lì)，会使身(shēn)后(hòu)更遥远星系的光都发生了扭曲(qū)。这个现象就是引力(lì)透镜效应。这(zhè)个(gè)巨大的天(tiān)体可能(néng)是超(chāo)大质量的黑洞或者是暗(àn)物质(zhì)。

所(suǒ)以当人们对子弹星(xīng)系团观测(cè)的时候，发现(xiàn)它的大质(zhì)量区域并不是在中间，而是在两(liǎng)侧。所以最好的解释方法(fǎ)就是当星团发生全部的碰撞时，可被观测到的质量气体被卡在了中间，暗物质则直接通过(guò)了这(zhè)个区域，并在两边形成(chéng)了(le)引力透镜。对(duì)子(zi)弹星系(xì)团(tuán)的引力透镜(jìng)研究也被认为是暗物质存在的迄(qì)今为(wèi)止最好的理论证据。

除此(cǐ)之外，还有来自宇(yǔ)宙当中最古老的光。从宇宙大爆炸(zhà)开(kāi)始，38万年之后，可(kě)见光终于可以畅通无阻地穿越在宇(yǔ)宙当中(zhōng)了(le)。经过了130多(duō)亿年之后，这(zhè)些光在(zài)宇宙空间背景上留下(xià)了各相(xiāng)同性的微波辐射。其中红色(sè)的部分表示温度(dù)较(jiào)高的(de)区域(yù)，蓝色则表示相(xiāng)对较冷的区(qū)域(yù)，但(dàn)实际上它们(men)之间的温差只(zhǐ)有万分之一(yī)。

科(kē)学家们(men)通过对(duì)前景(jǐng)背景分离(lí)后的二(èr)值图像进行连通(tōng)域提取和标记之后发现，如果宇宙当中没有暗物质，图形(xíng)看起来不应该是这样的，而随着暗物质的增加，一些峰值的幅(fú)度(dù)会减小，才变得(dé)看(kàn)起来(lái)“和(hé)谐”。为了(le)匹配宇宙微(wēi)波(bō)背景辐射的测(cè)量值，我们需要的暗物质大约(yuē)是普通物质的(de)5倍。这个(gè)数字与解释星系当中恒(héng)星运(yùn)动所需(xū)要的(de)暗(àn)物质比例是一(yī)致的。这(zhè)就意味着(zhe)。

用了(le)一个简单的(de)理论框架，就(jiù)很好地解释了很多(duō)不同的(de)观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在(zài)着某(mǒu)种类型的(de)粒子(zi)，它们不参与任何(hé)其(qí)他的(de)电磁作(zuò)用，只通(tōng)过引力(lì)来(lái)相互(hù)作用。所以如果(guǒ)能够找到这种(zhǒng)粒子的存在(zài)，就相当(dāng)于找到了暗(àn)物质(zhì)存在的实(shí)际证(zhèng)据。这种(zhǒng)粒子到底是什么？科(kē)学家们已经(jī对角线相等的四边形是什么四边形，对角线相等的平行四边形是什么ng)提出了数十种的(de对角线相等的四边形是什么四边形，对角线相等的平行四边形是什么)假想目标，而要(yào)寻(xún)找(zhǎo)这些不(bù)同的目(mù)标(biāo)粒(lì)子所(suǒ)需要的(de)实(shí)验方式(shì)也不相同。在过去的(de)几十年当中，人类为了寻找这些看不见、摸不到，几乎不会与常规(guī)物质相互作用的“暗(àn)物(wù)质”，科(kē)学家们已经进(jìn)行了超过50次(cì)的实验，却没有任何实质性的发(fā)现，除了一个(gè)地方，意大利的格兰萨索(suǒ)山，隶属(shǔ)于阿尔卑(bēi)斯山脉(mài)。

在山(shān)下1400米处的地下(xià)矿井当中，藏着(zhe)地球上最大的地学实(shí)验室，这(zhè)个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个(gè)三层楼高的探(tàn)测器(qì)，一直(zhí)致力于寻找(zhǎo)暗物(wù)质粒子的周(zhōu)期(qī)性震荡。

自(zì)1997年(nián)以来，这里的科学家声称(chēng)观(guān)测到了某(mǒu)种(zhǒng)信号(hào)。经(jīng)过了20多年的数(shù)据收集，人们发(fā)现了一个(gè)有趣(qù)的(de)事情。探测率(lǜ)会在(zài)每(měi)年的6月份达到(dào)峰(fēng)值，然后在11月(yuè)降到最低，而且(qiě)在20年(nián)当(dāng)中每年(nián)都是一样。一些科学家认为(wèi)这可(kě)能是人类(lèi)发现暗物质的第一(yī)个直接证据。

但(dàn)是为什(shén)么暗物质(zhì)会产生周(zhōu)期性(xìng)的年度信号呢？刚才我们讲了太阳系正(zhèng)在以220公里/秒的(de)速度围绕着银(yín)河(hé)系进行移动，那么如果暗(àn)物质存在宇宙(zhòu)当中，这意(yì)味着我们也(yě)在以(yǐ)这样(yàng)的速(sù)度(dù)在穿越(yuè)着暗物质(zhì)流，这个过程中会产生相应的振(zhèn)荡，同时地球又以(yǐ)30公里/秒的速度围绕(rào)太阳进行旋转(zhuǎn)。所以有半年的(de)时间(jiān)，地(dì)球围绕太阳的(de)方向与太阳环绕银河系的方向是一致的，而另外半年则与之(zhī)相反。

而(ér)在6月份的时候，地(dì)球与太阳的(de)方向正(zhèng)好(hǎo)达到完全(quán)一致(zhì)，这(zhè)是(shì)理(lǐ)论上地球穿越暗物质流最快的时段。而在(zài)11月份，又恰好(hǎo)达到了最慢值(zhí)。尽管在(zài)实(shí)际的情况(kuàng)中，太阳系相对银河(hé)系的平面呈现了60度的(de)倾(qīng)斜，但(dàn)是这(zhè)并不影响这(zhè)个理论的有效性。

因此科学(xué)家(jiā)认为(wèi)这可以用来(lái)解(jiě)释，研究人(rén)员(yuán)们所观测到的周期性信号。当然(rán)也可能(néng)有其(qí)他的情况(kuàng)，造成(chéng)这种(zhǒng)年度周期信(xìn)号的差异(yì)也可能是温度、湿度、土壤中的水分、高(gāo)山(shān)上的积雪，甚至连意大利游客的数量也(yě)符(fú)合这个周(zhōu)期的规(guī)律(lǜ)。

所(suǒ)以(yǐ)，科(kē)学家们(men)又(yòu)在南半(bàn)球建立了一个几乎相同的(de)实验(yàn)室，这(zhè)里的季(jì)节与之(zhī)前(qián)的(de)实验室正(zhèng)好(hǎo)相(xiāng)反，而在这(zhè)里，地球穿(chuān)过暗(àn)物质流的运动特征和第一个实验(yàn)室是一样的(de)。

因(yīn)此(cǐ)，如果(guǒ)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非常有力的证(zhèng)据了。但是由于这个实验室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还(hái)无法提供(gōng)相应(yīng)的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发射(shè)一(yī)台(tái)新的望远(yuǎn)镜，这台太(tài)空望远(yuǎn)镜叫做“南希格雷斯(sī)罗曼”，它的主镜大小跟哈勃望远(yuǎn)镜相同，但它的(de)宽(kuān)视场仪器(qì)提供的视(shì)野是哈勃红外(wài)仪器(qì)的100倍。南希格雷斯罗曼(màn)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，对于探测的结果(guǒ)，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费(fèi)米实(shí)验室粒子(zi)天体物理(lǐ)中心的科(kē)学家丹琥珀和贾森斯特芬(fēn)研(yán)究发现，如果暗物质存(cún)在，它们极有可能拥有另一(yī)种神秘的效应，这种暗物质效(xiào)应，会支持宇宙(zhòu)当中(zhōng)生(shēng)命的(de)诞生，或者说是生命(mìng)进化(huà)的(de)一(yī)个重要因素(sù)。

如(rú)果(guǒ)这(zhè)一理论(lùn)得到进一步(bù)的证实(shí)，那么遍布(bù)宇(yǔ)宙当中的暗物质会不会意味着人类(lèi)并(bìng)不(bù)孤单呢？或许在宇宙当中某(mǒu)个角落的(de)行星上，暗物(wù)质正在(zài)通过这样的(de)效应创造生命。当然，这些推论(lùn)的大(dà)前提(tí)是要先找到暗物(wù)质存在的实际证据。那么小伙伴们，你们觉得暗物质到底存不存(cún)在(zài)呢？喜(xǐ)欢请点赞，你的支持(chí)是我更新的动(dòng)力！

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