宇宙是“人为(wèi)制造”的？为(wèi)何会(huì)存在科学无法(fǎ)解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人类(lèi)为了(le)寻(xún)找(zhǎo)暗物质存在的证据，科学家们在过去的几十年当中进(jìn)行了(le)超过50次的长期实验(yàn)，但(dàn)是(shì)却没有发现任何的有效证据。除了一个地方，在(zài)1687年(nián)出版的自然哲学数(shù)学原理一书中，埃萨克(kè)牛顿发表了万有引力定律，它揭示了宇宙中(zhōng)天体运动的规(guī)律。往后的几(jǐ)百年(nián)来，当天文学家们(men)发现某些天体运行轨道出现异(yì)常(cháng)，不符合万有引力定律的时候，他(tā)们就会知道，周围(wéi)一定有未知的(de)天(tiān)体(tǐ)通过引(yǐn)力(lì)在摄(shè)动它的轨道(dào)。比如在1846年(nián)，奥本勒维耶就(jiù)通过(guò)天(tiān)王星(xīng)运行轨(guǐ)道(dào)的异(yì)常，推算并且发现了(le)海王(wáng)星的存在(zài)。另外(wài)，哈雷彗星、冥(míng)王(wáng)星(xīng)的发现都是(shì)应(yīng)用万有引力定律所取得(dé)重(zhòng)大天(tiān)文成就(jiù)的例子。但是这(zhè)些发现都是(shì)在恒星系统的尺度当中，可当我们上升到星系或者是(shì)星团的(de)尺度，事情就(jiù)开始变得(dé)诡异(yì)了。

1933年，瑞士的(de)物理学(xué)家弗里茨兹威(wēi)基正在(zài)研究和测(cè)量后发星(xīng)系(xì)团的质量。这是(shì)一个(gè)由数千(qiān)个星系(xì)所组(zǔ)成(chéng)的巨(jù)大星系(xì)团(tuán)，这些(xiē)星(xīng)系被引力束缚在(zài)一(yī)起。测量(liàng)星系团的质量一般会使(shǐ)用到两(liǎng)种方法(fǎ)，当两种方法结(jié)果(guǒ)一致，就(jiù)可(kě)以确定(dìng)其质量的范围。

第一种是获得其(qí)"光(guāng)度学(xué)的质(zhì)量"，需要的数据是测量各(gè)个星系的光度。

第二(èr)种(zhǒng)是(shì)动(dòng)力(lì)学质量的计算，是利用光谱红移测(cè)量(liàng)星系团中的各个星系相对于星(xīng)系团的运动速(sù)度。当测量结果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然(rán)是“光度学质量”的400倍。这意味(wèi)着，后发座星系团(tuán)有(yǒu)99%的(de)质量消失了，或(huò)者说这99%的质量并不以可见光的形式所(suǒ)存在，我们(men)无法看到。最(zuì)诡异的是，在测(cè)量速度的过程(chéng)中，兹威基(jī)发现星系(xì)团中很多星系的速度比理论上要快得多，按照牛顿(dùn)的运动学定律，仅靠这些可见星系的质量所(suǒ)产生的(de)引力是无法将它们束缚在星(xīng)系团内的(de)，它们早就应该被抛(pāo)出星(xīng)系团之外了，除非有一种神秘的力量(liàng)在起作用(yòng)，这种力量来(lái)源(yuán)于某种隐形的物质(zhì)。

据此，兹维基提出了这样部分不可见的暗质(zhì)，它不发散光、吸光(guāng)、反射光(guāng)，但(dàn)是它们却占(zhàn)据(jù)着宇(yǔ)宙中绝大部分的质(zhì)量。只是当时(shí)的人们对这样的一种说法(fǎ)不(bù)屑一顾(gù)。

直到40年之后，“暗物质”这个词(cí)才(cái)再一次出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾和肯特福特在观测仙(xiān)女座星(xīng)系中的恒星运(yùn)动。理(lǐ)论上(shàng)来(lái)说，距离中心越(yuè)远的(de)恒星在其轨道上的(de)运行速度就会(huì)越慢(màn)。但(dàn)是他(tā)们观测的结果(guǒ)却让人(rén)感到不可思议。

随着(zhe)与中心距离的(de)增加(jiā)，恒星的旋转速(sù)度几乎保持不变。可是根据牛(niú)顿(d沅有芷兮澧有兰什么意思怎么读，沅有芷兮澧有兰 什么意思ùn)的万有引力(lì)定律(lǜ)，在星系当中如果没有(yǒu)足够大的质量(liàng)来吸引它们，这些外(wài)围的恒星早就(jiù)被甩到宇宙当(dāng)中(zhōng)了。基于这种现(xiàn)象(xiàng)，科学(xué)家(jiā)们(men)会(huì)使用一种相对(duì)标准的(de)方法来(lái)解释暗(àn)物质的存在，这种方法就是测量星(xīng)系当中气体(tǐ)在X轴上距(jù)离星(xīng)系中(zhōng)心(xīn)的距离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速(sù)度。如果出现异常的结(jié)果(guǒ)，就(jiù)认(rèn)为是由暗(àn)物质的力量进入(rù)其中。

于是(shì)科学家(jiā)们通(tōng)过射电望远镜测(cè)量了距离(lí)星系中心(xīn)更远距(jù)离的氢元素，发现它(tā)们的旋转速度(dù)并不符合牛顿的(de)力学定律。我们的太阳系也不例外，太阳系位于(yú)银河(hé)系的第三悬臂之上，距离银河(hé)系中心2.6万光(guāng)年，根(gēn)据(jù)万有引力(lì)定律进行计(jì)算，太阳系的运行速度应该是160千米/秒，但实际上，太阳系(xì)正在以(yǐ)220千米(mǐ)/秒的速(sù)度围绕银河(hé)系旋转，这(zhè)个实际速(sù)度(dù)远远大(dà)于(yú)理(lǐ)论(lùn)速度，那(nà)么(me)产生以上这(zhè)种(zhǒng)向心(xīn)加速度的(de)原因很(hěn)可(kě)能就是(shì)存(cún)在着一(yī)种我们看(kàn)不(bù)到(dào)的物质，是这些暗物质的引力(lì)效应将星(xīng)系聚集在了一起。

也是从这时开始(shǐ)，越来越多的研究人员开始相信暗(àn)物质(zhì)的存(cún)在。科学(xué)家根据(jù)星系外恒(héng)星轨道的(de)速(sù)度，估算在(zài)星(xīng)系当中暗物质(zhì)的质量(liàng)占(zhàn)整个(gè)星系质量(liàng)的(de)85%。但是，暗(àn)物质并不是唯(wéi)一可以解释这(zhè)个现象的原(yuán)因(yīn)。在一项新的(de)研究(jiū)当中(zhōng)，科(kē)学家们(men)发(fā)现，几乎没有引力效应(yīng)的遥远恒星之间(jiān)，也会出现速度上的微小差(chà)异。另外(wài)，天文学(xué)家还(hái)发现了一个反(fǎn)常的星(xīng)系，叫做Agc114905。这个星系距离地球大约2.5亿光年(nián)，大(dà)小和银河系不多，但是星系当中存在的恒星数(shù)量却只有银河系的千分之一。

所以在理论(lùn)上(shàng)，该星系必须存在暗物质(zhì)，否则(zé)就会分崩离析(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)时的详细(xì)测量之后，发现星(xīng)系中的恒星运(yùn)动(dòng)是可以用(yòng)正常的物(wù)质和力学定律来(lái)解释的。那么(me)又(yòu)有(yǒu)人(rén)提出，也许(xǔ)该星系的(de)暗(àn)物(wù)质(zhì)，已经(jīng)被附近的(de)另一(yī)个大星系剥离了。奇怪的是，它的附近(jìn)没有任(rèn)何星系存在(zài)。造成这(zhè)些(xiē)现象的除了(le)暗物质(zhì)的(de)假说之外，另一种可(kě)能(néng)就是人类对引力(lì)的理解(jiě)还不(bù)够全(quán)面，引(yǐn)力很(hěn)可能在不同尺度空间中的工作方式是不同的(de)，这意味(wèi)着在(zài)行(xíng)星系尺度中的天体会(huì)沿(yán)着它(tā)们的(de)轨道，按照我们所理(lǐ)解的方式运动。但是上升到星系和星团的(de)尺度(dù)，引(yǐn)力(lì)之间的(de)相互作用则是不同的方式(shì)。对于在星(xīng)系团之间的(de)相互作用，科(kē)学家还引入(rù)了(le)外部场效应的概念，指的是在(zài)数(shù)百万光年(nián)的规模上，巨(jù)大的(de)质量(liàng)之(zhī)间会产生对彼(bǐ)此特殊的效果，这个理论叫做(zuò)MOND蒙(méng)德理(lǐ)论(lùn)。如果MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成(chéng)立，这(zhè)意味(wèi)着我们需要对(duì)现在的(de)物理定律(lǜ)进行修正，这(zhè)些发现(xiàn)也(yě)让很多人认为(wèi)暗物质假说理论就此终结。但是在宇宙(zhòu)当中(zhōng)还有关(guān)于(yú)暗物质存在(zài)的其(qí)他(tā)的(de)理(lǐ)论证据，这(zhè)些理论证据是(shì)蒙德理论所没法解释的“引力透镜”。

径向距离(lí)为37亿光年的子弹星系团，由两个碰撞的星系团所组(zǔ)成，类似这样的星团，它(tā)们大部分的普通质(zhì)量都在星系的气体当中。当星团以(yǐ)1000万公里/小时发生碰撞(zhuàng)的(de)时候，星际气体(tǐ)的相互作用就(jiù)会导致温度的(de)急剧升高，速度大幅降(jiàng)低。所(suǒ)以在(zài)理论上，在(zài)碰撞(zhuàng)之后，子弹(dàn)星系(xì)团大(dà)部分(fēn)的质量将位于所有这些气体所在的(de)中间区域。那么我们通过什么(me)来验证它的质量区(qū)域(yù)到底是不(bù)是(shì)集(jí)中在中间(jiān)呢？前(qián)不久，詹姆斯韦伯太空望远(yuǎn)镜传回了宇(yǔ)宙当中第一张全彩(cǎi)的高清(qīng)照片，在照(zhào)片(piàn)中我们可以明(míng)显(xiǎn)地看到很多(duō)星系似(shì)乎被拉伸产生(shēng)了(le)巨大的形变。其实这些星系本身并(bìng)不是真的(de)被扭曲了(le)，也(yě)不是韦伯(bó)望远镜出了什么问题，而是这样极遥(yáo)远的(de)天体和我(wǒ)们地球上的(de)观测者之间。被一个质量超(chāo)级巨大的天体遮挡，这个(gè)超大质量的(de)东西的引力(lì)，会使(shǐ)身后(hòu)更遥(yáo)远星系的光都(dōu)发生了扭(niǔ)曲。这个现(xiàn)象就是(shì)引力透镜效(xiào)应。这(zhè)个巨(jù)大的(de)天体可(kě)能是超(chāo)大质(zhì)量的(de)黑洞(dòng)或者(zhě)是暗物质(zhì)。

所以当人们对(duì)子弹星系团观测的时(shí)候，发现它的大质量区域(yù)并不是在中间，而是在两侧。所以最好的解释方法就是当星团发生全部的(de)碰(pèng)撞时，可(kě)被观测到的质(zhì)量气体被卡(kǎ)在(zài)了中间，暗物(wù)质则直(zhí)接(jiē)通过了(le)这(zhè)个区(qū)域，并在(zài)两边形(xíng)成了引力(lì)透镜。对子弹星系(xì)团的引(yǐn)力透镜(jìng)研究也(yě)被认为是(shì)暗物质存在的迄今(jīn)为止最好的理论证据(jù)。

除(chú)此(cǐ)之外，还有(yǒu)来自宇宙当中最古老的光。从宇宙大(dà)爆炸开始(shǐ)，38万年之(zhī)后(hòu)，可见光终于可以畅通无(wú)阻地(dì)穿越在(zài)宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。经过(guò)了(le)130多亿年之(zhī)后，这些光在宇宙空间背景上留下了各相同性的微波辐射。其中红色的部分表(biǎo)示温(wēn)度(dù)较高的区域(yù)，蓝色则表示相(xiāng)对较冷的区域(yù)，但实际上(shàng)它们之(zhī)间的温差只(zhǐ)有万分(fēn)之一。

科学家们通过对前(qián)景背(bèi)景分离后(hòu)的(de)二值图像进行连通(tōng)域提取和标(biāo)记之后(hòu)发现，如果宇(yǔ)宙当中没有暗(àn)物质(zhì)，图形看(kàn)起来不应该是这(zhè)样的(de)，而随着暗物质的(de)增加，一些峰值的幅(fú)度(dù)会减小，才(cái)变(biàn)得看起来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇宙微波背景(jǐng)辐射的测量(liàng)值(zhí)，我们需(xū)要的暗物质大约是(shì)普通物质的5倍。这个数(shù)字与(yǔ)解释星系当(dāng)中恒星(xīng)运动所需要(yào)的暗物质比例是一致的(de)。这就意味(wèi)着。

用(yòng)了一个简单的理(lǐ)论(lùn)框架，就很好地解(jiě)释了很多不同的观测结果(guǒ)。而暗(àn)物质的本质(zhì)就是宇(yǔ)宙当中存在着某种类型的粒子，它们不(bù)参与任何(hé)其他的电磁作用，只通过引力来(lái)相互作用。所以如果能够(gòu)找到(dào)这种粒子的存在，就相(xiāng)当于找(zhǎo)到(dào)了暗物质存在的实际证(zhèng)据。这(zhè)种粒子到底(dǐ)是(shì)什(shén)么？科学家们已经提出了数十种(zhǒng)的假想目标，而要寻找这(zhè)些不(bù)同的目(mù)标粒子(zi)所(suǒ)需(xū)要的实验方式也不相同。在过去的几十(shí)年当中(zhōng)，人类为了寻找这些看(kàn)不见(jiàn)、摸不到，几(jǐ)乎不(bù)会与常规(guī)物质相互作用的“暗物质”，科学(xué)家们已经(jīng)进行了超过(guò)50次的实验，却没有任何实质性的发现，除了一个地方，意大(dà)利的格兰(lán)萨索山，隶属(shǔ)于阿尔(ěr)卑斯山脉。

在山下1400米(mǐ)处的地下矿井当中，藏着地球(qiú)上最(zuì)大的地学实验室，这个实验室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个三层楼(lóu)高的探测器，一直(zhí)致力(lì)于寻找暗物质(zhì)粒子的周期性震荡。

自(zì)1997年以来，这里(lǐ)的科学(xué)家声称观测到了某种信号。经过了20多年的数(shù)据收集，人们发现了(le)一个(gè)有趣的事情。探测(cè)率会在每年的(de)6月份(fèn)达(dá)到峰值，然后(hòu)在11月降(jiàng)到最低，而且在(zài)20年当沅有芷兮澧有兰什么意思怎么读，沅有芷兮澧有兰 什么意思(dāng)中(zhōng)每年都(dōu)是一样。一些科学家认(rèn)为(wèi)这可能是(shì)人类发现暗物质的第(dì)一个直接证据。

但(dàn)是为什(shén)么暗物质会产生周期性的年度信号呢？刚才我们讲了太阳(yáng)系正在以220公里/秒(miǎo)的(de)速度围(wéi)绕(rào)着银河(hé)系进行(xíng)移动，那么如果(guǒ)暗(àn)物质存在(zài)宇宙当中，这(zhè)意味(wèi)着(zhe)我们也在以这样的速度在穿(chuān)越着暗物质流，这(zhè)个(gè)过(guò)程中会产(chǎn)生相应的振荡，同时地球又以(yǐ)30公里/秒的速度围(wéi)绕太(tài)阳进行(xíng)旋(xuán)转。所以有半(bàn)年(nián)的时间，地球围(wéi)绕太阳的方向与(yǔ)太阳(yáng)环绕银河系的方(fāng)向是一致的，而另外半年则与之相反(fǎn)。

而在(zài)6月(yuè)份的时(shí)候，地球与太阳的方向(xiàng)正好达到完(wán)全一致，这(zhè)是理论上(shàng)地球穿(chuān)越暗物质流最快的时段。而(ér)在11月份，又恰好(hǎo)达(dá)到了最慢值(zhí)。尽管(guǎn)在(zài)实际的情况中，太阳系相(xiāng)对银河系的平面呈现了60度的倾斜，但(dàn)是这并不影响这个(gè)理论的(de)有效性。

因此科(kē)学家认为这可(kě)以用来解释，研究人员们(men)所观测到的(de)周期性信号。当然也可能有(yǒu)其他的情况，造成这种年度周期(qī)信(xìn)号(hào)的(de)差(chà)异也(yě)可能(néng)是(shì)温度(dù)、湿度(dù)、土壤中的水(shuǐ)分、高山上的(de)积雪，甚至连(lián)意大利游客的数量也符合这个周期的规律。

所以，科学家们又在南(nán)半(bàn)球(qiú)建立了一(yī)个几乎相(xiāng)同的实(shí)验(yàn)室，这里的季节与之前(qián)的(de)实验室正好(hǎo)相反，而在(zài)这里，地球穿(chuān)过暗物(wù)质(zhì)流的运动(dòng)特征(zhēng)和第一个实(shí)验室是一(yī)样的。

因(yīn)此(cǐ)，如果在这里可以得到相同的信号，就可以成为暗物质所存(cún)在(zài)的非常有力的证据了。但是由于(yú)这个(gè)实验室刚(gāng)刚建(jiàn)成不久(jiǔ)，所(suǒ)以截至目(mù)前还(hái)无法提供相应的数据支(zhī)持。另外，在2025年(nián)，NASA将会(huì)发射(shè)一(yī)台新的望远镜，这(zhè)台太空望远镜叫做“南希(xī)格雷斯(sī)罗曼”，它(tā)的(de)主镜大(dà)小(xiǎo)跟哈勃望远镜相同，但它的宽视(shì)场仪器提供(gōng)的(de)视野(yě)是哈勃红外仪(yí)器的100倍。南希格(gé)雷斯罗(luó)曼太空望远镜其中一个(gè)关键的(de)用途就是(shì)探索暗物(wù)质背后的(de)奥秘，对于探测(cè)的结果(guǒ)，我(wǒ)们只能拭目以(yǐ)待了。费米实验室粒子天体(tǐ)物理中心的科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯特芬(fēn)研究发现，如(rú)果暗(àn)物质存在，它们极有可能拥有另(lìng)一种神秘的效应，这种暗物质效应，会(huì)支持宇宙当(dāng)中(zhōng)生命的诞生，或者说是生命进化的(de)一个重(zhòng)要因素。

如(rú)果(guǒ)这(zhè)一理(lǐ)论(lùn)得到进一步的证实，那(nà)么遍布宇宙(zhòu)当(dāng)中的暗物质会(huì)不(bù)会意(yì)味着人类并不孤单呢？或许在宇宙当中某个角(jiǎo)落的行(xíng)星上，暗物质正(zhèng)在通过这(zhè)样的效应创造生命。当然(rán)，这些推论的(de)大前(qián)提是要先找到暗物质存在的(de)实际证据。那么(me)小伙伴们，你(nǐ)们(men)觉得暗(àn)物质到底存(cún)不存在呢(ne)？喜欢请点赞(zàn)，你的(de)支持是我(wǒ)更(gèng)新的(de)动力(lì)！

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