宇宙是“人为制造(zào)”的？为何会存(cún)在科学无法(fǎ)解(jiě)释的“暗(àn)物(wù)质”？暗物质又究(jiū)竟是什么？人类为(wèi)了(le)寻找暗物质存(cún)在(zài)的证据(jù)，科学家们在过去的几十年当中进行了超过50次的(de)长期实验，但是却没有发现任何的有效证据。除(chú)了一个(gè)地方(fāng)，在(zài)1687年出版的自然哲学数学原理(lǐ)一书中，埃萨克(kè)牛顿发表了万(wàn)有引力(lì)定律(lǜ)，它揭示了宇宙中天体运动的规律(lǜ)。往后的几百年(nián)来，当天文(wén)学家(jiā)们发现某些天(tiān)体运行轨(guǐ)道出现异常，不符合万(wàn)有引力定律的时候(hòu)，他们就会(huì)知道(dào)，周围一定有未(wèi)知的天体(tǐ)通过引力在摄动(dòng)它的轨道(dào)。比如在(zài)1846年，奥(ào)本勒维耶就通过天王(wáng)星运行轨道的异常(cháng)，推算并且发现(xiàn)了(le)海(hǎi)王(wáng)星的存在。另(lìng)外(wài)，哈雷(léi)彗星、冥(míng)王星的(de)发(fā)现都是应(yīng)用万有(yǒu)引力定律所取(qǔ)得(dé)重大(dà)天文成就(jiù)的(de)例(lì)子。但(dàn)是这些发现都(dōu)是(shì)在恒(héng)星系统的(de)尺度当中，可当(dāng)我(wǒ)们上升到星系(xì)或者是(shì)星团的尺度，事情就(jiù)开(kāi)始变得诡异了(le)。

1933年，瑞(ruì)士的物理(lǐ)学家弗里茨兹(zī)威(wēi)基正(zhèng)在研究和测量后发星系团(tuán)的(de)质量。这是(shì)一个(gè)由数千个(gè)星系(xì)所组(zǔ)成的巨大星系团，这些星系(xì)被引力(lì)束缚在一起。测量星系团的质量一(yī)般会使用(yòng)到两种(zhǒng)方法(fǎ)，当两种方(fāng)法结(jié)果一致，就(jiù)可(kě)以(yǐ)确定其质量的(de)范(fàn)围。

第一种是(shì)获得(dé)其(qí)"光度学的质量(liàng)"，需要的数据是测量(liàng)各个星系的(de)光度。

第二(èr)种是动力(lì)学质量的(de)计算，是利用光谱红移测量星系团中(zhōng)的各个星系相对于星系团(tuán)的运动(dòng)速度。当测量结果(guǒ)出来之后，兹威基彻底懵了(le)，“动(dòng)力学(xué)质量”竟然是“光度学质(zhì)量”的400倍(bèi)。这意味着(zhe)，后发(fā)座(zuò)星系团(tuán)有99%的质量消失(shī)了，或者说这99%的(de)质量并不(bù)以可见光(guāng)的形式所存在(zài)，我们(men)无法看到(dào)。最诡异的是，在测量速度的过(guò)程中，兹威基发现星系团中很多星系的速度比(bǐ)理论上要快(kuài)得多，按照牛顿(dùn)的运动(dòng)学定律，仅靠(kào)这些可见星系的质(zhì)量所产生的(de)引力是无法将它们束缚在星系团内的，它们早就应(yīng)该(gāi)被抛出星系团之外了，除(chú)非有一种(zhǒng)神秘(mì)的力量在起作用，这(zhè)种力量来源于某种隐形的物质。

据此(cǐ)，兹维基提(tí)出了这样部分不可见的暗质，它不发散光、吸(xī)光、反射(shè)光，但是它们却占据(jù)着宇宙中绝大(dà)部分的质量(liàng)。只是(shì)当时的人们(men)对这样的一种(zhǒng)说法不(bù)屑一顾。

直到(dào)40年之(zhī)后，“暗物质”这个词才再一次出(chū)现。天文学(xué)家维拉鲁宾和肯特(tè)福特在观测仙女(nǚ)座星系中的恒星运动(dòng)。理(lǐ)论上来说，距离中(zhōng)心越远的恒(héng)星在其轨道上(shàng)的运行速度就会越慢。但是他们(men)观测的结果却(què)让人感(gǎn)到不可思(sī)议。

随着与中心距离的增加，恒星的旋转速度几乎保持不变。可是根据牛顿的万有引力定律，在(zài)星系当中(zhōng)如果没有足(zú)够大(dà)的质量(liàng)来吸引它们，这些外围(wéi)的恒星早就被甩到宇宙当(dāng)中了。基于这种(zhǒng)现(xiàn)象，科学家(jiā)们会使用一种相对标准的(de)方法来解释暗物质的(de)存在，这种方(fāng)法(fǎ)就是测量星(xīng)系当中气体在(zài)X轴上距离星(xīng)系中心的距离，以及(jí)在(zài)Y轴上(shàng)气体的旋转(zhuǎn)速(sù)度。如果出(chū)现异常的(de)结果，就认为(wèi)是(shì)由(yóu)暗物质的(de)力量进入其(qí)中(zhōng)。

于是(shì)科学家们通过射电(diàn)望远镜测量了距(jù)离星系(xì)中心更远距离(lí)的(de)氢(qīng)元素，发(fā)现(xiàn)它们的旋转速度并不(bù)符(fú)合牛顿的力(lì)学定律。我们(men)的(de)太阳系也不例外，太阳系(xì)位于银(yín)河系的第三悬臂之上，距离(lí)银河系中心2.6万光年(nián)，根据万有引力定(dìng)律进行计算，太阳系(xì)的(de)运行(xíng)速度应该是160千米/秒，但(dàn)实际上，太阳系正在以220千米/秒的速度(dù)围绕银河系旋转，这个实际速度远(yuǎn)远大于理论(lùn)速(sù)度，那么产(chǎn)生以上这(zhè)种(zhǒng)向心加速度的原因很可能就是存在着一种我(wǒ)们(men)看不到的(de)物质，是这些(xiē)暗物质的引力效应将(jiāng)星(xīng)系聚集在了一起。

也是从这时(shí)开始，越(yuè)来越(yuè)多的研究人员开(kāi)始(shǐ)相信(xìn)暗物质的存在。科学家根据星系外恒星轨道的速(sù)度，估算(suàn)在(zài)星系当(dāng)中暗物质的质(zhì)量占(zhàn)整(zhěng)个(gè)星系(xì)质量的85%。但是，暗(àn)物质并不是唯一可以解(jiě)释(shì)这个现象的原因(yīn)。在一项新(xīn)的研究(jiū)当(dāng)中，科学家们发现，几乎没有引力(lì)效应的遥远恒星之(zhī)间，也会出现速度上(shàng)的微小差异。另外，天文学家还发现了一个反常的(de)星系，叫做(zuò)Agc114905。这个星(xīng)系距离地(dì)球大(dà)约2.5亿光年，大小和银河系不多，但(dàn)是星系当中(zhōng)存在(zài)的恒星(xīng)数(shù)量却只有(yǒu)银(yín)河(hé)系的(de)千分之一。

所以在理(lǐ)论上，该星(xīng)系(xì)必须存在暗物质，否则就会分崩离析。但是(shì)科学家们使用最先进的望远镜对其进(jìn)行了40个小时的详细测(cè)量(liàng)之(zhī)后，发现(xiàn)星系(xì)中的(de)恒星运动是可以用(yòng)正(zhèng)常的物质(zhì)和力学(xué)定律来解释的。那么又(yòu)有(yǒu)人提出，也许该星系的暗物质，已经被附近的另(lìng)一(yī)个大星(xīng)系剥离了。奇(qí)怪(guài)的是，它的附(fù)近没有任(rèn)何星系存在(zài)。造(zào)成(chéng)这些现象的除了暗物(wù)质(zhì)的假说之外，另(lìng)一种可能就(jiù)是人类对(duì)引力的(de)理解(jiě)还不够全面，引(yǐn)力很可能在不同尺度(dù)空间中的工作方式是不同的，这意味着在行(xíng)星(xīng)系(xì)尺度中的(de)天体会沿着它们的轨道，按照(zhào)我们所理解的方式(shì)运动。但是上升到星系和星团(tuán)的尺度，引力之间的(de)相互作用则是不同的方式。对于在(zài)星(xīng)系团之间的相互(hù)作用，科学(xué)家还引入了(le)外部场效应的(de)概(gài)念，指的是在数百万光年的规(guī)模(mó)上，巨大的质量(liàng)之间会产(chǎn)生对彼此特殊的效果，这个理论叫做(zuò)MOND蒙德理(lǐ)论。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意味着我们需要对现(xiàn)在的物理(lǐ)定律进行修(xiū)正，这(zhè)些发现也让很多人认(rèn)为暗物质假说(shuō)理论就此终结。但是在宇(yǔ)宙当(dāng)中还有关于暗(àn)物质存在的其(qí)他(tā)的理(lǐ)论(lùn)证据，这些理论证据是蒙德理论所没(méi)法解释的(de)“引力透镜(jìng)”。

径向距(jù)离为37亿光年(nián)的子弹(dàn)星系团，由两(liǎng)个碰撞的星系团所组(zǔ)成，类(lèi)似这(zhè)样的(de)星(xīng)团(tuán)，它们大部分的普(pǔ)通质量(liàng)都在星系的气体(tǐ)当中。当星团以1000万公里/小(xiǎo)时发生碰撞的时(shí)候，星际气体的(de)相互作(zuò)用(yòng)就会导致温度(dù)的急剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰(pèng)撞之后，子弹(dàn)星系团大部分的(de)质量将位于(yú)所有这些气体所(suǒ)在的中间(jiān)区(qū)域。那(nà)么我们通过什(shén)么来验证它的质量区域到底是不是集中(zhōng)在中(zhōng)间呢？前不(bù)久，詹姆斯(sī)韦伯太空望远镜(jìng)传回了宇(yǔ)宙当中第一(yī)张全(quán)彩的(de)高清照片(piàn)，在照片中我(wǒ)们可以明显地(dì)看到(dào)很(hěn)多星系似(shì)乎被拉伸产生(shēng)了巨大的形变。其实这些(xiē)星系本身(shēn)并不(bù)是真的被扭曲(qū)了，也(yě)不是韦伯望远(yuǎn)镜出了什么问(wèn)题(tí)，而是这样极雨水淋过的衣服晒干还能穿吗，雨水淋过的衣服晒干还能穿吗(jí)遥(yáo)远的天体和我(wǒ)们地球上的观(guān)测者之间。被一个(gè)质量(liàng)超级巨大的天体(tǐ)遮(zhē)挡，这个(gè)超大质量(liàng)的东西的引力，会使(shǐ)身后更遥远(yuǎn)星系(xì)的光都发生了扭(niǔ)曲。这个现象就(jiù)是引(yǐn)力透镜效(xiào)应。这(zhè)个巨(jù)大的天体(tǐ)可能是超大质(zhì)量的(de)黑洞或者是暗物质。

所以当人(rén)们对子弹(dàn)星系团(tuán)观(guān)测(cè)的时候，发现它的大质量区域并不是在中间(jiān)，而是在(zài)两(liǎng)侧。所以最好(hǎo)的解释(shì)方(fāng)法就是当星(xīng)团发生全部的(de)碰撞时(shí)，可被观测(cè)到的质量气体被卡(kǎ)在了(le)中间，暗物质则(zé)直接通过了这个区(qū)域，并(bìng)在两边形(xíng)成了引(yǐn)力透镜。对子弹(dàn)星系团的引力(lì)透镜研究也被认为是暗物质存在(zài)的迄今为(wèi)止(zhǐ)最好的理论证据。

除(chú)此之外，还(hái)有(yǒu)来自宇(yǔ)宙当中最古老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见光(guāng)终于可以(yǐ)畅(chàng)通无阻(zǔ)地(dì)穿(chuān)越在宇宙当中(zhōng)了。经(jīng)过了(le)130多亿(yì)年(nián)之后，这些光在宇宙空间(jiān)背景(jǐng)上留下了(le)各相同性的微波(bō)辐射。其中红(hóng)色的部(bù)分表示(shì)温(wēn)度较高的区(qū)域，蓝色则(zé)表示相对(duì)较冷的区域，但实际上它们之间的温差(chà)只有(yǒu)万分之(zhī)一。

科学家们通过对前景背(bèi)景分离后的二值图(tú)像进行连通(tōng)域提取和标记之后发现(xiàn)，如果宇宙当(dāng)中没(méi)有暗物质(zhì)，图(tú)形(xíng)看起来不应(yīng)该(gāi)是这(zhè)样的，而随(suí)着暗物质的增(zēng)加，一些(xiē)峰值的(de)幅度会(huì)减小，才变得看起来(lái)“和(hé)谐”。为了匹配宇宙微波背景(jǐng)辐射(shè)的(de)测(cè)量值(zhí)，我们需要的暗(àn)物质大(dà)约是普通物质的5倍。这个数字与解释星系当中恒星(xīng)运动(dòng)所需要(yào)的暗(àn)物(wù)质比例是一致的(de)。这就意味(wèi)着。

用(yòng)了一个简单(dān)的理论(lùn)框架，就很(hěn)好地解释(shì)了很(hěn)多不同的观测(cè)结果。而暗物质的(de)本质就是(shì)宇宙当中(zhōng)存在(zài)着(zhe)某种类型的粒子，它(tā)们(men)不参与任(rèn)何其他的电磁作用，只通(tōng)过引力来相互(hù)作(zuò)用。所以如果能够找到这(zhè)种(zhǒng)粒子的(de)存在，就相(xiāng)当(dāng)于找到了(le)暗(àn)物质(zhì)存在的(de)实(shí)际(jì)证据。这种粒(lì)子到底是什么(me)？科学家们(men)已经提出了数(shù)十种的(de)假想目标，而要(yào)寻(xún)找这些不同的目标粒子所需要(yào)的实验方式也不(bù)相同。在过去的(de)几十年当中(zhōng)，人(rén)类为了寻(xún)找(zhǎo)这(zhè)些(xiē)看(kàn)不(bù)见、摸不到，几(jǐ)乎不(bù)会与(yǔ)常规物(wù)质相互作用的(de)“暗物质(zhì)”，科学家们已经进行了(le)超过50次(cì)的实验(yàn)，却(què)没(méi)有任何实质性的发(fā)现，除了一(yī)个地(dì)方(fāng)，意大利的格兰(lán)萨索山(shān)，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山下(xià)1400米处的地(dì)下矿井当中，藏(cáng)着地(dì)球上最(zuì)大(dà)的地学实验室，这个实验室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三层楼高的探测器(qì)，一直致力(lì)于寻(xún)找(zhǎo)暗物质粒子(zi)的(de)周(zhōu)期性(xìng)震荡(dàng)。

自1997年(nián)以来，这(zhè)里的科(kē)学家声称观测到了某种(zhǒng)信号。经(jīng)过了20多年的数据收集，人(rén)们发现(xiàn)了(le)一个有趣的事情。探测(cè)率会在每年的6月(yuè)份达(dá)到峰值，然后在11月降到最低，而且在(zài)20年当中每年都是一样。一(yī)些科学家认为这可能(néng)是人类发现暗物质(zhì)的第一个直接证据。

但是为什(shén)么(me)暗物(wù)质会(huì)产生周期性的年度信(xìn)号呢？刚才我们讲了太(tài)阳(yáng)系(xì)正在(zài)以(yǐ)220公里/秒的速度围绕着(zhe)银河系(xì)进行(xíng)移动，那么如果暗物(wù)质存在宇宙当中(zhōng)，这意味着(zhe)我(wǒ)们也(yě)在以这样的速度在穿越着暗物(wù)质(zhì)流(liú)，这个过程中会产(chǎn)生相应的(de)振(zhèn)荡(dàng)，同(tóng)时地(dì)球又以(yǐ)30公里/秒的速度围(wéi)绕(rào)太阳进行(xíng)旋(xuán)转。所以(yǐ)有半年(nián)的时间，地球围绕太阳的(de)方向与太阳(yáng)环(huán)绕银河(hé)系(xì)的(de)方向是一致的(de)，而(ér)另外半年则与之相反。

而在6月份(fèn)的时候，地球(qiú)与(yǔ)太阳的方向正好达到完(wán)全一致，这是(shì)理(lǐ)论上地球穿越暗物质流最快的时段。而在(zài)11月(yuè)份，又恰好(hǎo)达到了最慢值。尽管在实际的情况(kuàng)中，太阳系相(xiāng)对银河(hé)系的平面呈(chéng)现了60度的(de)倾斜，但是这并(bìng)不影响(xiǎng)这(zhè)个理论的有效性。

因此(cǐ)科学家认(rèn)为这可以用来解释，研究人员(yuán)们所观测到(dào)的(de)周(zhōu)期性信号。当然也可(kě)能有其他的(de)情况，造成这(zhè)种年度周期信号的差(chà)异也可能是温度、湿(shī)度、土壤中(zhōng)的水(shuǐ)分、高山(shān)上的积雪，甚至连意大(dà)利游客的(de)数量也符合这个周期的规律(lǜ)。

所以，科学(xué)家们又(yòu)在南半球建立了一个几乎相同(tóng)的(de)实验室(shì)，这里的季节与(yǔ)之前的实(shí)验室正好相反，而在这(zhè)里，地球穿过(guò)暗物质流的运(yùn)动特征和第一个实验室是一样的。

因此，如果在(zài)这里可以得到相同(tóng)的信号，就可以(yǐ)成为暗物质所存在的非(fēi)常有力(lì)的证据了。但是(shì)由于这个(gè)实验室(shì)刚刚建(jiàn)成不久，所以截(jié)至(zhì)目前(qián)还无法提(tí)供(gōng)相应的数(shù)据支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太空望远镜叫做“南希格(gé)雷斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈(hā)勃望远镜相同，但它的(de)宽视场仪(yí)器提供的视野(yě)是哈(hā)勃红外仪器(qì)的(de)100倍(bèi)。南(nán)希格雷(léi)斯罗曼(màn)太空望远镜其中一个关键的用(yòng)途就(jiù)是探索暗物质背后的奥秘，对于探测的结果，我(wǒ)们只能(néng)拭目以(yǐ)待了。费米实验室粒子天(tiān)体物理中心的科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯特芬(fēn)研(yán)究发现，如果(guǒ)暗(àn)物(wù)质(zhì)存(cún)在，它们极有可能拥有另一种神秘的效应，这种(zhǒng)暗(àn)物质效应，会支持(chí)宇(yǔ)宙(zhòu)当(dāng)中生命的诞生，或者(zhě)说是生命(mìng)进化的一(yī)个重要因素(sù)。

如(rú)果(guǒ)这(zhè)一理论(lùn)得到进一步的(de)证实，那(nà)么遍布宇宙当中(zhōng)的暗物质会(huì)不会意味着人类(lèi)并不孤单呢？或(huò)许在宇宙当中某个(gè)角(jiǎo)落的行(xíng)星上，暗物质正(zhèng)在通过这样(yàng)的效应创(chuàng)造生(shēng)命。当然(rán)，这(zhè)些(xiē)推论的大前提是要先找到暗(àn)物质存在的实际证(zhèng)据。那么小伙(huǒ)伴们(men)，你们觉得暗物(wù)质到底存不存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是(shì)我更新的(de)动力(lì)！

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