宇宙是“人为制(zhì)造(zào)”的(de)？为何会存在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人类为了寻找暗物质(zhì)存在的(de)证据(jù)，科学家(jiā)们在过(guò)去的几十年(nián)当中(zhōng)进行了超过(guò)50次的长期实验，但是却没有发现任何的有效证据。除(chú)了一个地方，在1687年出版的自(zì)然哲学数学(xué)原理一书中(zhōng)，埃萨克牛顿发表了万有引(yǐn)力定律，它揭示了(le)宇宙中天体(tǐ)运动的(de)规律。往后(hòu)的几百年来(lái)，当天(tiān)文学家(jiā)们发现(xiàn)某些天体运行轨(guǐ)道出现(xiàn)异常，不符合万有引力定律(lǜ)的(de)时候，他(tā)们就会知道，周围一定有未知的天(tiān)体通过引力在摄动它的轨道。比如在1846年，奥本勒维耶就通过(guò)天王星运行轨(guǐ)道(dào)的(de)异常(cháng)，推算(suàn)并且发现了海王星(xīng)的存(cún)在。另外(wài)，哈雷彗星(xīng)、冥(míng)王(wáng)星的(de)发(fā)现都是应(yīng)用万有(yǒu)引力定律所(suǒ)取(qǔ)得重大天文成(chéng)就的例子。但是这些发现都是在恒星系统的尺度当中，可当我们上升到星系或(huò)者(zhě)是星团的尺(chǐ)度，事情(qíng)就(jiù)开始(shǐ)变得诡异了(le)。

1933年，瑞士(shì)的物理学家(jiā)弗里茨兹威基正在研究和(hé)测量后发星系团(tuán)的(de)质量。这是一个由数千个星系所组成的巨(jù)大星系团(tuán)，这些(xiē)星系被引力束缚在一起(qǐ)。测(cè)量星系团(tuán)的(de)质量一般会使用到(dào)两种方法，当(dāng)两种方法结果一致，就(jiù)可以确定(dìng)其质量的范围。

第一种(zhǒng)是获得其"光度学的质量"，需要(yào)的数(shù)据是(shì)测量各(gè)个星(xīng)系的光度。

第二(èr)种是动力(lì)学质(zhì)量的计算，是利用光谱红移测量(liàng)星系团中的各个星系(xì)相(xiāng)对(duì)于星系团(tuán)的运动(dòng)速(sù)度。当测量结果(guǒ)出来之(zhī)后，兹(zī)威基彻底懵了(le)，“动力学质量”竟然是“光度学质(zhì)量(liàng)”的(de)400倍。这意(yì)味着，后(hòu)发(fā)座(zuò)星系团有(yǒu)99%的质量消(xiāo)失了，或者说(shuō)这99%的(de)质量并不以(yǐ)可见光的形式所(suǒ)存在，我们(men)无法(fǎ)看到。最诡(guǐ)异的(de)融为一体到底有多舒服，两人融为一体的描写是，在测量速度的过程中，兹威基(jī)发现星(xīng)系团中(zhōng)很(hěn)多星系的速度比(bǐ)理论上要(yào)快得多，按照牛顿的运动(dòng)学(xué)定律，仅靠(kào)这(zhè)些可见(jiàn)星系的(de)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)应该被抛出星系团之外(wài)了，除非有一种神秘的力量在起作用，这种力(lì)量来源(yuán)于某种隐形的物质。

据此，兹维(wéi)基提出(chū)了这样(yàng)部分(fēn)不(bù)可见的暗质，它不发散(sàn)光、吸光、反(fǎn)射光，但(dàn)是它们却(què)占据着宇宙(zhòu)中绝大部(bù)分的质量。只是当(dāng)时的(de)人(rén)们对这样(yàng)的(de)一种说法(fǎ)不(bù)屑一顾(gù)。

直到40年(nián)之后，“暗(àn)物质(zhì)”这个词才再一次出现。天文学(xué)家维(wéi)拉鲁(lǔ)宾和(hé)肯特福(fú)特在观测仙女(nǚ)座星系中的(de)恒(héng)星(xīng)运动。理(lǐ)论上来说，距离中(zhōng)心越远的恒(héng)星(xīng)在(zài)其轨道上(shàng)的运行速度就会越慢。但是他们观(guān)测的结果却(què)让人感(gǎn)到不(bù)可思议(yì)。

随着与中心距离的(de)增加，恒星(xīng)的旋转速(sù)度几(jǐ)乎(hū)保持(chí)不变。可是根(gēn)据牛顿的万(wàn)有引(yǐn)力定律，在星系当中如果没有足够大的(de)质量来吸引(yǐn)它(tā)们，这(zhè)些外围的恒(héng)星早就被甩(shuǎi)到宇宙(zhòu)当中了。基于这种现象(xiàng)，科学家们(men)会使用(yòng)一种相对标准的方法来解释(shì)暗物质的存(cún)在，这(zhè)种方法就是测量星系当中气(qì)体(tǐ)在X轴上距离(lí)星(xīng)系(xì)中心的距(jù)离，以及(jí)在Y轴上气(qì)体的旋转速度(dù)。如果出现(xiàn)异常的(de)结果(guǒ)，就认为(wèi)是(shì)由暗物质的力(lì)量进入其中。

于(yú)是科学(xué)家们(men)通过(guò)射电望远镜测量了距离(lí)星(xīng)系中心更远距离的氢元素，发现它们(men)的旋(xuán)转速度(dù)并(bìng)不符合(hé)牛顿的力学定律。我们的太阳(yáng)系也不例外(wài)，太阳系位于银河系的第三悬(xuán)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(lǜ)进(jìn)行计算，太阳(yáng)系的运行速度应该是160千米/秒，但实(shí)际上，太阳系(xì)正在以220千米(mǐ)/秒的速度(dù)围绕银(yín)河(hé)系旋(xuán)转，这(zhè)个(gè)实际速度远远大于理论速度，那么(me)产(chǎn)生以(yǐ)上这(zhè)种向心加速(sù)度的原因很可能就是存在着一种我们看不到的物质，是这(zhè)些暗物(wù)质的引力(lì)效应将(jiāng)星系聚(jù)集在了一起。

也是从这时开始，越来越多(duō)的(de)研究人员开始相信暗物质的存在。科学家根据星系外(wài)恒星轨道的速度，估算(suàn)在星(xīng)系(xì)当中暗物质的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物质并不是唯一(yī)可以解释这(zhè)个现象的原因。在一项新的(de)研究当中，科(kē)学家们发现(xiàn)，几乎没(méi)有(yǒu)引力效应的遥远恒星之(zhī)间，也会出(chū)现速(sù)度上的(de)微小差异。另(lìng)外，天(tiān)文学家还发现了一个反常的(de)星系，叫(jiào)做Agc114905。这个星(xīng)系(xì)距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大(dà)小和银河系不多，但是星(xīng)系当中存在的恒星数量却只有银河系(xì)的千分之一。

所以在理(lǐ)论上，该(gāi)星系必须存(cún)在暗(àn)物质，否则就会分崩离析。但是科学家(jiā)们使用最先(xiān)进的望远(yuǎn)镜(jìng)对其进行了(le)40个小时(shí)的(de)详(xiáng)细测量之后(hòu)，发现(xiàn)星系中的恒星运动是(shì)可以用正常的物质和力学(xué)定(dìng)律来解(jiě)释的。那么又有人提出，也许该星系的暗(àn)物质，已经被附(fù)近的另一(yī)个大星系剥(bō)离了。奇怪的是，它的附近没有任何(hé)星系存在。造(zào)成这(zhè)些现象的除(chú)了暗物质(zhì)的假说(shuō)之外，另(lìng)一种可能就是人类对(duì)引力的理解(jiě)还不够全面，引力(lì)很可能在(zài)不同尺度空间中的(de)工作(zuò)方式(shì)是不同(tóng)的，这意味着在行(xíng)星(xīng)系尺度中(zhōng)的天体会(huì)沿着它们的(de)轨道，按照我们所理解的方式运动。但是上升到星系和(hé)星(xīng)团的尺(chǐ)度，引力(lì)之间的(de)相互作用则是(shì)不(bù)同(tóng)的方式。对于在星系团之(zhī)间的相互作用，科学家还(hái)引入(rù)了外部场(chǎng)效(xiào)应的概念，指的是在数百万(wàn)光年的规模上，巨(jù)大的质量之间会产生(shēng)对彼此特殊的效(xiào)果，这个(gè)理论叫做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意(yì)味(wèi)着我们需要对现(xiàn)在的物(wù)理定(dìng)律(lǜ)进行修(xiū)正(zhèng)，这些发现(xiàn)也让很(hěn)多人认为暗物质假说理(lǐ)论就此终结。但是(shì)在宇宙当中还有关于暗物质(zhì)存在的其他的理论证据，这些理论证据是蒙德理论所没法解释的“引力(lì)透镜(jìng)”。

径向距离为37亿光年(nián)的子(zi)弹星系团(tuán)，由(yóu)两个碰撞的星(xīng)系团所(suǒ)组成，类(lèi)似这样的(de)星团，它们大部分(fēn)的普(pǔ)通质量都(dōu)在星系的(de)气(qì)体当中(zhōng)。当星团以1000万公里/小(xiǎo)时发生碰(pèng)撞的时候，星际气体的相互作用就会导致(zhì)温度的急剧升高，速度(dù)大幅降低。所以在理论上，在碰撞(zhuàng)之后(hòu)，子(zi)弹星系团大(dà)部分(fēn)的质量将位于所有这(zhè)些气(qì)体所(suǒ)在的中间区域。那么我们通(tōng)过什么来(lái)验证它的质(zhì)量区域(yù)到底是不是(shì)集中(zhōng)在(zài)中间呢？前不久，詹(zhān)姆斯韦(wéi)伯(bó)太空望远镜传(chuán)回了宇宙当中第一张全彩的高清照(zhào)片，在照片中我们可以明显地看到很(hěn)多星(xīng)系似乎被拉伸产生了巨大的形变。其实这些星系(xì)本身并(bìng)不是(shì)真的被扭曲了，也(yě)不(bù)是韦伯望远镜出了(le)什(shén)么问题(tí)，而是(shì)这样极(jí)遥远(yuǎn)的天体和我们地球上的观测(cè)者之间。被一个质量(liàng)超级巨大(dà)的天体遮挡(dǎng)，这个超大质量的东西的引力，会使身(shēn)后更遥远星(xīng)系的(de)光(guāng)都(dōu)发生了扭曲。这个现(xiàn)象就是引力透镜效应。这(zhè)个巨(jù)大的天体可能是超大质量(liàng)的黑洞或者是暗物质。

所以当人(rén)们(men)对子(zi)弹星系团(tuán)观测的时候，发现它的大质量区域并不是在中间，而(ér)是在两侧。所以最(zuì)好(hǎo)的解释方法(fǎ)就是当星团(tuán)发(fā)生全部的碰撞时，可被观测到的质(zhì)量气体被(bèi)卡在了(le)中间，暗(àn)物质则直接通(tōng)过了这(zhè)个区域，并在两边(biān)形成了引(yǐn)力透镜。对子弹星系团的引力透镜(jìng)研究也被认为是(shì)暗物质存在(zài)的迄今为止最好的(de)理论(lùn)证据。

除此之外，还有来自宇宙当中最古老的光。从宇宙大爆炸开(kāi)始，38万年之后(hòu)，可见光终于可以畅通无阻地穿越在(zài)宇宙当中了。经过(guò)了(le)130多亿年(nián)之后，这些光在宇(yǔ)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(shì)温(wēn)度较高的区域，蓝(lán)色(sè)则表示相对较(jiào)冷(lěng)的区域，但实(shí)际上它们之(zhī)间(jiān)的(de)温差只有万分(fēn)之(zhī)一。

科(kē)学家们通过对前景(jǐng)背景(jǐng)分离后的二(èr)值图像进行连通(tōng)域提(tí)取(qǔ)和标记(jì)之后发现(xiàn)，如果宇宙当中(zhōng)没(méi)有暗(àn)物质，图(tú)形看起来(lái)不应(yīng)该是这样(yàng)的(de)，而随着暗(àn)物质的增(zēng)加(jiā)，一些峰值(zhí)的幅度会减小(xiǎo)，才变(biàn)得看(kàn)起来(lái)“和谐”。为了匹配(pèi)宇宙微波背景辐射的测(cè)量值(zhí)，我(wǒ)们(men)需要的暗(àn)物质大约是普通物(wù)质(zhì)的5倍(bèi)。这个数字与(yǔ)解释星系(xì)当中(zhōng)恒星运动所需(xū)要(yào)的暗(àn)物(wù)质(zhì)比例是(shì)一致(zhì)的。这(zhè)就(jiù)意味着。

用了一个(gè)简单的理论框(kuāng)架，就很好地(dì)解释了(le)很多不(bù)同的观测结(jié)果。而暗物质的(de)本质就是宇(yǔ)宙当(dāng)中存在着某(mǒu)种类型(xíng)的(de)粒子，它们(men)不(bù)参与任(rèn)何其他的电磁作用，只通过引力来相互作用。所以如(rú)果能够找到这种粒子的存在，就相当于(yú)找到了暗物质存(cún)在(zài)的实际证据。这种粒子到底(dǐ)是什么？科学家们(men)已经提出了数十种的假(jiǎ)想目标，而要寻找这(zhè)些不同(tóng)的目标(biāo)粒子所(suǒ)需(xū)要的(de)实验方式也不相同(tóng)。在过去的几(jǐ)十年当中，人类为了寻找这些看不见、摸(mō)不到，几乎不会与常规物质相互作用的“暗物质”，科学(xué)家们已经进行了(le)超过(guò)50次的实验，却没有任何(hé)实质性的发现，除了一个地方，意大利的格(gé)兰萨(sà)索(suǒ)山，隶属于(yú)阿(ā)尔卑斯(sī)山脉(mài)。

在山下1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着地球(qiú)上最(zuì)大的地(dì)学实(shí)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，一直致(zhì)力于寻找暗物(wù)质粒子的周期性震荡。

自(zì)1997年以来，这里的科学家(jiā)声(shēng)称观测(cè)到了某种信号(hào)。经过了(le)20多年的数据(jù)收集，人们(men)发现了一个有(yǒu)趣的事(shì)情。探(tàn)测率会在(zài)每(měi)年(nián)的6月份达到峰值，然(rán)后在11月降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年(nián)都是一样(yàng)。一些科学家认为(wèi)这可能是(shì)人类发现暗物质的(de)第一个直接证(zhèng)据。

但是为什么(me)暗物质会产生(shēng)周期性的年度信号(hào)呢(ne)？刚才我们讲了太(tài)阳系(xì)正在(zài)以(yǐ)220公里/秒的速度(dù)围绕(rào)着银河系(xì)进行移动，那(nà)么如果暗(àn)物(wù)质(zhì)存在宇宙(zhòu)当中(zhōng)，这意(yì)味着(zhe)我们也在以这样的(de)速度在穿越(yuè)着(zhe)暗物质(zhì)流(liú)，这个(gè)过程中会(huì)产生相应的振荡，同时地球又以(yǐ)30公(gōng)里/秒的速度围绕太阳进(jìn)行旋转(zhuǎn)。所以有半(bàn)年的(de)时间，地球围(wéi)绕太阳的方(fāng)向与太阳(yáng)环绕银河系的方(fāng)向是一致的，而(ér)另外半年则与之相(xiāng)反。

而在6月份的时候，地球与太(tài)阳的方向(xiàng)正好达(dá)到完全一致，这(zhè)是理论上地球穿(chuān)越暗(àn)物(wù)质(zhì)流最快(kuài)的时段。而在(zài)11月份，又恰好达到(dào)了最慢(màn)值。尽管在实际(jì)的情况中(zhōng)，太阳系相对银河(hé)系(xì)的平面呈现了60度的倾斜(xié)，但是(shì)这(zhè)并不(bù)影响这个理论(lùn)的有(yǒu)效性。

因此科学(xué)家(jiā)认为这(zhè)可以用来解(jiě)释，研究人员(yuán)们所观测到的周(zhōu)期性信号。当然也可能有其他的情况，造成这种年度周(zhōu)期信(xìn)号的(de)差异也可能(néng)是温度、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪，甚至连意(yì)大(dà)利游客的数量也符合(hé)这个周期的规律。

所以，科学(xué)家们(men)又(yòu)在南半球(qiú)建(jiàn)立了一个几乎相同的(de)实(shí)验(yàn)室，这里(lǐ)的季(jì)节(jié)与之(zhī)前的(de)实验室(shì)正好(hǎo)相(xiāng)反，而在(zài)这里，地球穿(chuān)过暗物质流的运动特征(zhēng)和第一(yī)个实验室是(shì)一样的。

因此，如(rú)果(guǒ)在这(zhè)里可以得到相(xiāng)同的信号，就(jiù)可(kě)以成为暗物质所存(cún)在的非常有力的证据了。但是(shì)由于这个实验室(shì)刚刚(gāng)建成(chéng)不久，所(suǒ)以截(jié)至目(mù)前还无法提(tí)供相应的(de)数据支持(chí)。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜(jìng)，这台太空望远镜叫做“南希格雷斯(sī)罗(luó)曼(màn)”，它的(de)主(zhǔ)镜大小跟(gēn)哈勃望远镜相(xiāng)同，但它的宽视场仪器提供(gōng)的视野(yě)是哈(hā)勃红(hóng)外仪(yí)器的100倍。南希(xī)格雷斯罗曼(màn)太(tài)空(kōng)望(wàng)远镜其中一个关键(jiàn)的用(yòng)途就(jiù)是探索(suǒ)暗物(wù)质背后的奥(ào)秘(mì)，对于探测的结果，我(wǒ)们只能拭目以待了。费米实验(yàn)室粒(lì)子天(tiān)体(tǐ)物理中(zhōng)心的科(kē)学家丹(dān)琥珀(pò)和贾森斯(sī)特芬(fēn)研究发现，如果暗物质存在，它们极(jí)有(yǒu)可能拥(yōng)有另一种神(shén)秘(mì)的(de)效应(yīng)，这种(zhǒng)暗物质效应，会支持宇宙当中生命的诞生，或者说是生命进(jìn)化的一个重要因(yīn)素。

如(rú)果这(zhè)一理论(lùn)得到(dào)进(jìn)一步的证(zhèng)实(shí)，那么(me)遍布(bù)宇宙当中的暗(àn)物质会不会意味着人类并不孤单呢？或许在宇宙当中某(mǒu)个角落的行星上，暗物质正在(zài)通过这样的(de)效应创(chuàng)造生(shēng)命(mìng)。当然(rán)，这些推论(lùn)的(de)大(dà)前(qián)提是要先找到暗物质(zhì)存在的实际(jì)证据。那么(me)小伙伴们，你(nǐ)们(men)觉得暗物质到底存不(bù)存在(zài)呢？喜欢请点赞，你的支持是我更新的动(dòng)力！

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