宇宙是“人为(wèi)制造”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(shén)么？人类为了寻(xún)找暗物质存在的证据(jù)，科(kē)学家们在过去的几十年当中进(jìn)行了超过50次的长(zhǎng)期实验，但(dàn)是却没有发现任何的有(yǒu)效(xiào)证(zhèng)据。除了(le)一个地方，在(zài)1687年出版的自然(rán)哲学数学原(yuán)理一(yī)书中(zhōng)，埃萨克牛顿发表了(le)万有(yǒu)引力定(dìng)律，它揭示了宇宙中天体(tǐ)运(yùn)动(dòng)的规律(lǜ)。往后(hòu)的几百年来，当天文(wén)学家们发(fā)现某些天体运行轨道(dào)出现异(yì)常，不(bù)符合(hé)万有引(yǐn)力定律的时(shí)候，他们就会知(zhī)道，周围一定有(yǒu)未知(zhī)的(de)天(tiān)体(tǐ)通过引力在(zài)摄动(dòng)它(tā)的轨(guǐ)道。比如在1846年，奥本勒维耶就(jiù)通过天王星(xīng)运行轨道的(de)异(yì)常，推算并且(qiě)发现了海(hǎi)王星的(de)存(cún)在。另外，哈(hā)雷彗星(xīng)、冥王(wáng)星的发现(xiàn)都(dōu)是应用万有引力(lì)定律所取得重大天文成就(jiù)的例子。但是(shì)这(zhè)些发现都(dōu)是在恒星系统的尺度当中，可当我们上升到(dào)星系或者是(shì)星(xīng)团的尺度，事(shì)情就开始变(biàn)得诡(guǐ)异(yì)了。

1933年，瑞士的物(wù)理学(xué)家弗里茨兹威基(jī)正在研究和测(cè)量后发星系团的质量。这是一个由数千个星(xīng)系所组成的巨大星系团，这些星系被(bèi)引力束缚在(zài)一起。测量星系团(tuán)的质量(liàng)一般(bān)会使用到两种(zhǒng)方(fāng)法(fǎ)，当两种方法结果一致，就可(kě)以确定其质量的范(fàn)围(wéi)。

第一种(zhǒng)是获得其"光度学(xué)的(de)质量(liàng)"，需要的数据是测量(liàng)各个星(xīng)系的光度。

第二种是动力学质(zhì)量的(de)计算(suàn)，是利用光谱红移测量星系团中(zhōng)的各个(gè)星系相对(duì)于星系团的运(yùn)动速度(dù)。当测量结(jié)果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质(zhì)量”竟然是“光度学质量”的400倍(bèi)。这意味着，后发座星系团有99%的质量消失了，或者(zhě)说这(zhè)99%的质量并(bìng)不以可见光的形(xíng)式(shì)所存在，我们无法看到。最诡异(yì)的是，在测量速(sù)度的过(guò)程中，兹(zī)威基发现星(xīng)系团(tuán)中(zhōng)很(hěn)多星(xīng)系的速(sù)度比(bǐ)理论(lùn)上(shàng)要快得多(duō)，按照牛顿(dùn)的运(yùn)动(dòng)学定律，仅靠这些可见(jiàn)星系的质量所产(chǎn)生的(de)引力是无法(fǎ)将它们束缚在星(xīng)系团内的，它们早就应该被(bèi)抛(pāo)出星系团之(zhī)外了(le)，除非(fēi)有一种(zhǒng)神秘的力量在(zài)起作用(yòng)，这种力量来(lái)源于某(mǒu)种隐(yǐn)形的物质。

据(jù)此，兹维基(jī)提出了这样(yàng)部分不可(kě)见(jiàn)的(de)暗质，它不(bù)发散光、吸光、反(fǎn)射光，但是它们却(què)占据着(zhe)宇宙中绝大部分的质量。只是当(dāng)时的(de)人们对这样的一(yī)种说法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质”这(zhè)个词(cí)才再一次出现。天文学(xué)家(jiā)维拉(lā)鲁(lǔ)宾和肯特福特在观测仙(xiān)女座星系(xì)中(zhōng)的恒星(xīng)运动。理论上来说(shuō)，距离(lí)中心越(yuè)远的恒(héng)星在其轨道上的(de)运行速度(dù)就会越慢。但是(shì)他(tā)们观测的(de)结果(guǒ)却让人感到(dào)不可思议。

随着与中心(xīn)距离(lí)的增加(jiā)，恒星的旋转速(sù)度几乎保(bǎo)持(chí)不变。可是根据牛顿的万有引(yǐn)力定律(lǜ)，在星系当中如果没(méi)有足(zú)够大的质量来(lái)吸引它(tā)们，这些外围的恒星早(zǎo)就被甩到宇宙当中了。基(jī)于(yú)这(zhè)种(zhǒng)现象，科(kē)学家们会使用一种相对标(biāo)准的(de)方法来(lái)解释(shì)暗物质的存(cún)在，这种(zhǒng)方(fāng)法就是测量星系当中气体在X轴上距离(lí)星系中心的距离，以及在Y轴上(shàng)气(qì)体的旋转速度。如果出现异常的(de)结果(guǒ)，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是科学家们(men)通过射(shè)电望远镜测量(liàng)了距离星系中心更(gèng)远距(jù)离的氢元素，发现它们(men)的(de)旋(xuán)转速度并(bìng)不符合(hé)牛(niú)顿(dùn)的力(lì)学(xué)定律。我(wǒ)们的太阳系也不例外，太阳系位(wèi)于银(yín)河(hé)系的第三(sān)悬臂之上，距离(lí)银河系中心2.6万光年，根据(jù)万有引(yǐn)力(lì)定律进行计算，太阳系的运行速度应该是160千米(mǐ)/秒，但实际上，太阳(yáng)系正(zhèng)在(zài)以220千米/秒的速度围(wéi)绕银河系(xì)旋(xuán)转，这个实际(jì)速(sù)度远远大于理论(lùn)速度，那么产生以上这种向(xiàng)心加(jiā)速度的原因很(hěn)可能就是(shì)存在着一种我们(men)看不到的物质(zhì)，是这些暗物质的引力效(xiào)应将星系聚集(jí)在了一起。

也是从这时开始，越来(lái)越多的研究人员开始相信暗物质的存在。科学家根据星系外恒星轨道的速度，估算在星(xīng)系当中暗物(wù)质的(de)质量占整个星系质量的85%。但是，暗物质(zhì)并不(bù)是唯(wéi)一可以(yǐ)解释(shì)这个现象的(de)原因(yīn)。在一项新(xīn)的研(yán)究当中，科学家们(men)发现(xiàn)，几乎没(méi)有引力效应的遥远恒星之(zhī)间，也(yě)会出现速度上的微小(xiǎo)差异。另(lìng)外，天文学(xué)家还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星(xīng)系距离地球大约2.5亿(yì)光年，大小和银河(hé)系不多，但是星系当中存(cún)在的(de)恒(héng)星数量却只有银河系的(de)千分之(zhī)一。

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所以(yǐ)在理论(lùn)上，该星系必须存(cún)在(zài)暗(àn)物(wù)质(zhì)，否(fǒu)则就(jiù)会分崩离(lí)析(xī)。但是科学(xué)家们使用最先进(jìn)的望远镜对其进(jìn)行了40个小时的(de)详细测量(liàng)之后，发现星(xīng)系中的恒星运(yùn)动是可以(yǐ)用(yòng)正常(cháng)的物质和力学定(dìng)律(lǜ)来解释的。那么又有人提出，也许(xǔ)该星系的暗物质，已经被附(fù)近的(de)另一个大星系剥离了(le)。奇怪的是，它(tā)的附(fù)近没有任(rèn)何星(xīng)系存在。造(zào)成这(zhè)些(xiē)现象(xiàng)的除了暗物质的假说(shuō)之外，另(lìng)一种(zhǒng)可能就(jiù)是人(rén)类对引力的理(lǐ)解还不够全面，引力很可能在不同尺度空间中的工作方式是不同(tóng)的，这(zhè)意味着在(zài)行星(xīng)系(xì)尺度中的天体会沿(yán)着它(tā)们(men)的轨道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动。但是上升到星系和星团的尺度，引力之间(jiān)的(de)相互作用则是不同的方式。对于在(zài)星(xīng)系团(tuán)之间(jiān)的相互(hù)作用，科学家还引入了(le)外部场效应的概念(niàn)，指的是在数(shù)百万光年的(de)规模上，巨大的质量之(zhī)间(jiān)会(huì)产生对(duì)彼此特殊的效果(guǒ)，这个理论叫做MOND蒙(méng)德理(lǐ)论。如果MOND蒙(méng)德理论成(chéng)立，这意味着我们(men)需(xū)要对现在的物(wù)理定律进行修正，这些发现(xiàn)也让很多(duō)人认为暗(àn)物质(zhì)假说(shuō)理论就此(cǐ)终结。但是在宇宙当中还有关于暗物质(zhì)存在的其(qí)他(tā)的理论(lùn)证据(jù)，这些理(lǐ)论证据是(shì)蒙(méng)德理论所没法解释的“引力透镜”。

径(jìng)向距离为37亿光年的子弹星系团，由两个(gè)碰撞(zhuàng)的星系团(tuán)所组成，类似(shì)这样的(de)星团，它们大部分(fēn)的普通质量都在星系(xì)的(de)气体当中。当星团以1000万(wàn)公里/小(xiǎo)时发生碰撞的时候，星际(jì)气体(tǐ)的(de)相互作用就(jiù)会导(dǎo)致温度(dù)的急剧升高，速度大(dà)幅降低。所以在理论(lùn)上，在碰(pèng)撞之后，子弹(dàn)星(xīng)系团大(dà)部分的质(zhì)量(liàng)将位于(yú)所有这些(xiē)气体所在的中间区域。那么我们通过(guò)什么来验证(zhèng)它的(de)质量区域到(dào)底是(shì)不是(shì)集中在(zài)中间呢？前不久(jiǔ)，詹姆斯韦伯太空(kōng)望远(yuǎn)镜传(chuán)回了(le)宇(yǔ)宙当中第一张全彩的高(gāo)清照片(piàn)，在照片中我们可以(yǐ)明显地看(kàn)到很多星系(xì)似(shì)乎被拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其实这(zhè)些星系本身并不是真的被扭(niǔ)曲了，也(yě)不是韦伯望(wàng)远(yuǎn)镜出(chū)了什么问(wèn)题，而是这样极遥远的(de)天体和(hé)我们地球上的(de)观测者(zhě)之间。被一个质量超级巨大的天体遮(zhē)挡，这个超大(dà)质量的(de)东(dōng)西的引(yǐn)力，会使身后更(gèng)遥远星系的光都发生(shēng)了扭曲。这个现象就是引力(lì)透(tòu)镜效应(yīng)。这(zhè)个巨大的天体可能是超大质量的黑洞或者是暗物质。

所以当人们对(duì)子(zi)弹星(xīng)系团观测的(de)时候，发现(xiàn)它的大质(zhì)量区域(yù)并不是在中(zhōng)间，而是在两侧。所以最好(hǎo)的解释方法就是当星团发(fā)生全部的碰(pèng)撞时，可被观(guān)测到的质(zhì)量气(qì)体被卡在了中间(jiān)，暗物(wù)质则直接(jiē)通过(guò)了这个区域，并在两(liǎng)边形成(chéng)了引(yǐn)力透(tòu)镜(jìng)。对子弹星系(xì)团(tuán)的(de)引力透镜研究也被认为(wèi)是暗物质(zhì)存在的迄今为止最好的理论证据。

除此(cǐ)之(zhī)外，还有(yǒu)来自宇宙当(dāng)中最古(gǔ)老的(de)光。从宇(yǔ)宙大爆炸开始，38万(wàn)年之(zhī)后，可见光终于可以畅通无阻地穿越(yuè)在(zài)宇宙当中(zhōng)了(le)。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙空间背景(jǐng)上留下了各相同性的微波(bō)辐射。其中红色的(de)部(bù)分表示温度较高(gāo)的区域，蓝色则表(biǎo)示相对较冷(lěng)的区域，但(dàn)实际上它(tā)们之间的温(wēn)差只有万分(fēn)之(zhī)一。

科学家们通(tōng)过对前景(jǐng)背(bèi)景分(fēn)离后的二值图(tú)像进行连通域提(tí)取(qǔ)和标记之后发现(xiàn)，如果宇宙(zhòu)当中没有(yǒu)暗物(wù)质(zhì)，图形看起来不应(yīng)该(gāi)是这样(yàng)的，而随着暗(àn)物质的增加，一些(xiē)峰值(zhí)的(de)幅度会减小，才(cái)变得看起(qǐ)来“和谐”。为了匹配宇宙微波(bō)背景(jǐng)辐射(shè)的测量值，我们需要的(de)暗物质大约是普通物质(zhì)的5倍。这(zhè)个数字与解释星(xīng)系当中恒星运(yùn)动所(suǒ)需要(yào)的暗物质比例是(shì)一(yī)致的。这就(jiù)意(yì)味着(zhe)。

用了一个简单的(de)理论(lùn)框架，就很好地(dì)解(jiě)释了很多不同的观(guān)测(cè)结果(guǒ)。而暗物质的本质(zhì)就(jiù)是宇(yǔ)宙当(dāng)中存在着(zhe)某(mǒu)种类型的粒子，它(tā)们不参与任何其他的电磁(cí)作用(yòng)，只通过引力来相互作用。所以如果(guǒ)能够找到这(zhè)种(zhǒng)粒子的存在，就(jiù)相(xiāng)当于(yú)找到了暗物(wù)质存(cún)在(zài)的实(shí)际证据。这种粒(lì)子到底是什(shén)么？科学家们已(yǐ)经提(tí)出了数十种的(de)假想目标(biāo)，而要(yào)寻(xún)找(zhǎo)这(zhè)些不同的目(mù)标(biāo)粒子所需要(yào)的(de)实(shí)验方式也不相(xiāng)同。在过去的几十年当(dāng)中，人(rén)类为了寻找(zhǎo)这些看不见、摸不到，几乎不会与(yǔ)常规物(wù)质相互作用的“暗(àn)物质”，科学家(jiā)们(men)已经(jīng)进行了超过(guò)50次的实验(yàn)，却没有任何实(shí)质性的发现(xiàn)，除(chú)了(le)一个(gè)地方(fāng)，意大利的格兰萨索山，隶属(shǔ)于(yú)阿尔卑斯山(shān)脉。

在(zài)山下(xià)1400米处的地(dì)下矿井当中，藏着(zhe)地球上最大的地(dì)学实验室，这个(gè)实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高(gāo)的探测(cè)器，一直致力于(yú)寻找暗物质粒子(zi)的(de)周期性(xìng)震荡。

自(zì)1997年以来(lái)，这里的科(kē)学家声称观测(cè)到了某(mǒu)种信号。经过了20多(duō)年(nián)的数据收集，人们发现了一个有(yǒu)趣的事情。探测率会在每年的6月(yuè)份达到峰值，然后(hòu)在11月降到(dào)最低，而(ér)且在20年当中每年都是一样。一些科学家认(rèn)为(wèi)这可能是人类(lèi)发现暗物质(zhì)的第一个直接证据。

但是为什么暗物质会产生周(zhōu)期性(xìng)的(de)年度(dù)信号呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正在以220公里/秒(miǎo)的速度围绕着银河(hé)系进(jìn)行移动(dòng)，那么(me)如(rú)果暗(àn)物质存(cún)在宇(yǔ)宙当中，这意味(wèi)着我们也在以这样的(de)速(sù)度在穿越着暗(àn)物(wù)质流，这个过程中会(huì)产生相(xiāng)应的振荡(dàng)，同时地(dì)球又以(yǐ)30公里/秒的速度围绕太阳进行旋转。所以有(yǒu)半年的时(shí)间，地球(qiú)围绕太(tài)阳的方(fāng)向与太阳环绕银(yín)河系的方向是一致的，而另外半(bàn)年(nián)则与(yǔ)之相反。

而在6月份的时候，地球与(yǔ)太阳的方向正好达(dá)到(dào)完全一致，这是理论上地球(qiú)穿(chuān)越暗物质流最快的时段。而在(zài)11月份，又恰好达(dá)到了最(zuì)慢值。尽管在实际的情(qíng)况中，太阳系相(xiāng)对银河系的平面呈现了60度(dù)的倾(qīng)斜，但是这并不(bù)影(yǐng)响这个理论的有效性。

因此科(kē)学家认为这可以用(yòng)来解释，研(yán)究(jiū)人员们所观测(cè)到的周(zhōu)期(qī)性(xìng)信号。当然也可能(néng)有其(qí)他的情况，造成这种年度周(zhōu)期信号的差异也可能是温度、湿(shī)度、土壤中的水(shuǐ)分、高山上的积雪(xuě)，甚(shèn)至连意大利(lì)游客的(de)数量也符合这个(gè)周(zhōu)期的规律(lǜ)。

所(suǒ)以，科(kē)学家们又在南半球建立了一个几乎相(xiāng)同的实验室，这里(lǐ)的(de)季节与之前的实验室(shì)正好相反，而(ér)在这(zhè)里，地球穿过暗物(wù)质流的运动特征和第一个实验室是一样的。

因此，如果(guǒ)在(zài)这里(lǐ)可以(yǐ)得到相同的信号，就可以(yǐ)成为暗物质所存在的非(fēi)常有力(lì)的(de)证据了。但是由于这(zhè)个实(shí)验室刚刚建(jiàn)成不久，所以截至目前还无法提(tí)供相应的数(shù)据(jù)支持。另外(wài)，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太空望远镜叫做“南希(xī)格雷斯(sī)罗(luó)曼”，它的(de)主(zhǔ)镜大小跟哈(hā)勃望远(yuǎn)镜相同，但它的宽(kuān)视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器(qì)的100倍。南希格雷斯(sī)罗曼太空望远镜其中一个关键的(de)用途就(jiù)是(shì)探索暗物质背后的(de)奥秘，对(duì)于(yú)探测的结果，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费米实验室粒子(zi)天体物理(lǐ)中(zhōng)心(xīn)的(de)科学家丹琥(hǔ)珀和贾森斯特芬研究发现(xiàn)，如果暗物质存在，它们极有可能拥有另一(yī)种神秘的效应，这(zhè)种暗物质效应，会支持宇宙当中生(shēng)命的诞生，或者说(shuō)是生命进(jìn)化的一个重要因(yīn)素。

如果这一理论得到进一步的证(zhèng)实，那么遍布宇宙当中的暗物质(zhì)会不会意(yì)味着(zhe)人类(lèi)并(bìng)不孤单呢？或许在(zài)宇宙(zhòu)当中(zhōng)某个角(jiǎo)落(luò)的(de)行星上(shàng)，暗物质正在通过(guò)这(zhè)样的效应创造生(shēng)命。当(dāng)然，这些(xiē)推论的大前提(tí)是要先(xiān)找到暗物质存在(zài)的实际证据。那么小(xiǎo)伙(huǒ)伴(bàn)们，你们觉得暗物质到底存不存在呢(ne)？喜欢(huān)请点赞，你(nǐ)的支持是我更新的动(dòng)力！

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