宇(yǔ)宙(zhòu)是“人为(wèi)制造”的？为何会存在科学(xué)无(wú)法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是(shì)什么？人类为(wèi)了寻找暗(àn)物质存在的证据，科学家(jiā)们在过(guò)去的几十年当(dāng)中进行了超过(guò)50次的长期(qī)实验，但是却没有发现任何的有效证据。除(chú)了一个(gè)地方，在1687年出版(bǎn)的自然(rán)哲(zhé)学数学原理一书(shū)中，埃萨克牛顿发表了万(wàn)有引力定律，它(tā)揭示了宇宙中天体(tǐ)运动的规律。往后的(de)几(jǐ)百(bǎi)年来，当天文学家们发(fā)现某些天(tiān)体运行(xíng)轨道出现异常，不符合万(wàn)有引力定律的(de)时候，他们就会知(zhī)道，周围一定有未(wèi)知的天体通过引力在摄动它的(de)轨(guǐ)道。比(bǐ)如在1846年，奥(ào)本勒(lēi)维耶(yé)就通过天王(wáng)星运行(xíng)轨道的异常(cháng)，推算并(bìng)且发现(xiàn)了海王星的存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星(xīng)的(de)发现都(dōu)是应用万有(yǒu)引力(lì)定律所取得(dé)重大(dà)天文成就(jiù)的例子。但是这些发现都是在(zài)恒星系统的尺(chǐ)度当(dāng)中，可当我(wǒ)们上(shàng)升(shēng)到星系(xì)或(huò)者(zhě)是星团的尺度，事情就开始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞(ruì)士(shì)的物(wù)理(lǐ)学家弗里茨兹(zī)威基正在研究和测量后(hòu)发星(xīng)系(xì)团的质量。这(zhè)是一(yī)个由数(shù)千个星系所组成(chéng)的巨(jù)大星系团，这些(xiē)星系被引力束(shù)缚在一起(qǐ)。测量星(xīng)系团的质量一般会使用到两种方法，当两种方法结(jié)果一致(zhì)，就可以(yǐ)确定(dìng)其质量的范围。

第(dì)一(yī)种是获(huò)得(dé)其(qí)"光度学的(de)质量"，需(xū)要的(de)数据是测量(liàng)各个星系(xì)的光度(dù)。

第二种是动力学质量的计算，是利用光谱红移(yí)测量(liàng)星系团中的各个星系相对于(yú)星(xīng)系团的运(yùn)动(dòng)速度。当测(cè)量结果出(chū)来之后，兹威基彻底懵了，“动(dòng)力学质量”竟然是(shì)“光度(dù)学质量”的400倍。这意味着，后发(fā)座星系团有(yǒu)99%的质量消(xiāo)失(shī)了，或者(zhě)说这(zhè)99%的(de)质量并不以可见光的形式所存在，我们无法看到。最诡异(yì)的是，在(zài)测量(liàng)速度(dù)的过程中，兹威(wēi)基发现星系团(tuán)中很多星系的速(sù)度比理论上要快(kuài)得多，按照牛顿的运动学定(dìng)律，仅靠(kào)这些可见星系的质量(liàng)所产生的引(yǐn)力是(shì)无(wú)法将它们束缚在星系团内的，它们早就应该被抛出(chū)星系团之外(wài)了，除非有一(yī)种神(shén)秘(mì)的力(lì)量在起作(zuò)用，这种(zhǒng)力(lì)量来源于某种(zhǒng)隐形的(de)物(wù)质(zhì)。

据此，兹维基提出(chū)了这样部分不可(kě)见(jiàn)的暗质，它不发(fā)散光、吸(xī)光、反射光，但是它们却(què)占据着宇宙中绝大(dà)部(bù)分的(de)质量。只是(shì)当时(shí)的人们对这样的(de)一种(zhǒng)说(shuō)法不屑一顾(gù)。

直(zhí)到40年(nián)之(zhī)后，“暗(àn)物质”这个词(cí)才再一次出现。天文学家维拉(lā)鲁宾和肯(kěn)特福特(tè)在观测(cè)仙女(nǚ)座(zuò)星系中的恒星运(yùn)动。理论上来说，距(jù)离中心(xīn)越远的恒星在其轨道(dào)上的(de)运行(xíng)速度就会越慢(màn)。但是他(tā)们(men)观测的结果却(què)让人感到不可思议(yì)。

随着与中心距离的(de)增(zēng)加(jiā)，恒(héng)星的旋转速度几(jǐ)乎(hū)保持不变。可是根据牛顿的万有引力定律(lǜ)，在(zài)星(xīng)系当中(zhōng)如果(guǒ)没有足够大的质量(liàng)来(lái)吸引它(tā)们(men)，这些外围的恒(héng)星早(zǎo)就(jiù)被甩(shuǎi)到宇(yǔ)宙当中(zhōng)了。基于这种现象，科(kē)学家(jiā)们会(huì)使用(yòng)一(yī)种相对标准的方法来解释暗(àn)物质(zhì)的存在，这种方法就是测(cè)量(liàng)星(xīng)系当中气体在X轴(zhóu)上距离星系中心的距离，以及在Y轴上气(qì)体的(de)旋转速度。如果出现(xiàn)异常的结(jié)果，就认(rèn)为是由暗物质的力量(liàng)进入其中。

于是科学家(jiā)们(men)通(tōng)过射电(diàn)望远镜测量了(le)距(jù)离(lí)星系中心更远距离的氢元素(sù)，发(fā)现它们(men)的旋(xuán)转速度并不符合牛顿的力学定律。我们的太阳系也不例(lì)外，太阳(yáng)系(xì)位于(yú)银河系的第三(sān)悬臂之上，距离银河系中(zhōng)心2.6万光年，根据(jù)万有引(yǐn)力定律进(jìn)行计算，太阳系的(de)运行速度应该(gāi)是160千(qiān)米/秒，但(dàn)实际上，太阳(yáng)系(xì)正在以(yǐ)220千米/秒的(de)速度围(wéi)绕银河系(xì)旋(xuán)转(zhuǎn)，这个实(shí)际速度远远大于理论(lùn)速度(dù)，那么(me)产生以上这种向心加速度的原因很(hěn)可能(néng)就是球缺的体积怎么算，球缺的体积公式是什么存在着一种我们看不到(dào)的物质，是(shì)这些暗物(wù)质的引(yǐn)力效应将星系聚(jù)集在了一起。

也是从这时开始，越来越多的(de)研究人员开(kāi)始相信暗物质的存(cún)在。科学(xué)家(jiā)根据星(xīng)系外恒星(xīng)轨(guǐ)道的(de)速(sù)度，估算在(zài)星系当(dāng)中(zhōng)暗物质的质量占整个星系质量的85%。但是，暗(àn)物(wù)质(zhì)并不是唯一可以解释这个(gè)现象的原因。在一项新的研究当中(zhōng)，科学家们发(fā)现(xiàn)，几乎(hū)没(méi)有引力(lì)效应的遥(yáo)远恒星之(zhī)间，也会出现速度(dù)上(shàng)的微小差异。另外，天文学家(jiā)还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系距离(lí)地球大(dà)约2.5亿(yì)光年，大小和银河系不多(duō)，但是(shì)星系当中存(cún)在的恒(héng)星数(shù)量却(què)只有银河系的千分之(zhī)一(yī)。

所(suǒ)以在理论上，该(gāi)星系必(bì)须存在暗物质，否则(zé)就会分崩离(lí)析(xī)。但是科学家们使(shǐ)用(yòng)最(zuì)先进的望远(yuǎn)镜对其进(jìn)行了40个小时的详细测量之后(hòu)，发(fā)现星系(xì)中的恒星运动是可以用正常的物质和力学定律来解释的。那么又有人提(tí)出，也许该星系(xì)的暗物(wù)质(zhì)，已经被附近(jìn)的另一个大星系剥离了(le)。奇怪的是(shì)，它的附(fù)近没(méi)有(yǒu)任何星系存在。造(zào)成这(zhè)些现象(xiàng)的除了暗物质的假说之外，另一种可能就是人(rén)类对引力(lì)的理(lǐ)解还不够(gòu)全面，引力很可能(néng)在不同尺度空间中的工作方式是不同(tóng)的，这意(yì)味着(zhe)在行星系尺度中的天体会(huì)沿着它们的轨(guǐ)道，按(àn)照我们所理解的方(fāng)式运动(dòng)。但是上升到星系和(hé)星团(tuán)的尺度，引(yǐn)力之间的相互作(zuò)用则是不同(tóng)的方式(shì)。对于在(zài)星系团之间的相互作用，科(kē)学家还引入(rù)了(le)外部场效应的(de)概念，指(zhǐ)的是(shì)在(zài)数百万光年的规模上，巨大的质量之间会(huì)产生对彼此特殊的效果(guǒ)，这个理论叫做MOND蒙德理(lǐ)论。如果MOND蒙(méng)德(dé)理论(lùn)成立(lì)，这意(yì)味着我(wǒ)们(men)需要(yào)对现在的物(wù)理定律进行(xíng)修正，这些发现也让很(hěn)多人(rén)认为暗物(wù)质假说理论就(jiù)此终结。但是在宇宙当中还有关于暗物质存在的其他(tā)的理论证据，这些理论(lùn)证据是蒙(méng)德理论所没(méi)法解释(shì)的“引力透(tòu)镜”。

径向(xiàng)距(jù)离(lí)为37亿光年的(de)子弹星系团，由两个碰撞的(de)星系团所组成，类似这样(yàng)的(de)星团(tuán)，它们大部分的普通质量都在(zài)星系的气体当中。当(dāng)星团(tuán)以1000万公里(lǐ)/小时(shí)发(fā)生碰(pèng)撞的时(shí)候，星际气体的相(xiāng)互作用就会导致温度的急剧升高，速度大幅(fú)降低。所以在理论上，在碰撞之后，子弹星系团(tuán)大部分的(de)质(zhì)量将(jiāng)位于所有(yǒu)这(zhè)些气体所(suǒ)在的中间区(qū)域。那么我们通过什么来验证它的(de)质量区域到底是不是集中在(zài)中间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望远(yuǎn)镜传回了宇宙当中(zhōng)第一张全彩的高清照片，在(zài)照片中我们可以明显地看到很(hěn)多星系(xì)似(shì)乎被拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其实这些星(xīng)系本身并不是真的(de)被扭曲了，也不是(shì)韦伯望远镜(jìng)出了什么(me)问题，而是这样极(jí)遥(yáo)远的天体和我们(men)地球(qiú)上的观测者之间。被一(yī)个质量超级巨大的(de)天体遮挡(dǎng)，这个超(chāo)大质(zhì)量的(de)东西的引力(lì)，会使(shǐ)身后更遥远(yuǎn)星系的光都发生了(le)扭曲。这个现象就是(shì)引(yǐn)力透镜效应。这个巨大的天体可(kě)能是超大质量的黑洞或(huò)者是暗物质(zhì)。

所以当人们对(duì)子弹星系团(tuán)观(guān)测的时候，发现它的(de)大质量区域(yù)并(bìng)不(bù)是在中间，而是在(zài)两(liǎng)侧。所以(yǐ)最好的解释(shì)方法(fǎ)就是(shì)当星团(tuán)发(fā)生全(quán)部的(de)碰撞时，可被(bèi)观(guān)测到的质量气体被(bèi)卡在了中间，暗物质则直接通过了这个区(qū)域，并(bìng)在两边形成了引力透镜。对子弹星系团的引(yǐn)力透(tòu)镜研究也被认为是暗(àn)物质(zhì)存在的迄今为止最好(hǎo)的(de)理论证据(jù)。

除(chú)此之(zhī)外，还有来自(zì)宇宙(zhòu)当中最古(gǔ)老的光。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见光终(zhōng)于可以畅通无阻地穿(chuān)越在宇宙当中了。经(jīng)过(guò)了130多(duō)亿年之后，这(zhè)些光在宇宙空间背景上留(liú)下(xià)了(le)各(gè)相同性的微波辐射。其(qí)中红色(sè)的部分表(biǎo)示(shì)温(wēn)度(dù)较(jiào)高的(de)区域，蓝色则表(biǎo)示相对较冷的(de)区域，但实际上它们之间的温差(chà)只有万分之一。

科(kē)学家们通过对前景(jǐng)背(bèi)景分(fēn)离(lí)后的二值图(tú)像进行连通域提取和标记之(zhī)后发现，如果宇(yǔ)宙当中没有暗物(wù)质，图(tú)形看(kàn)起来不(bù)应该是这样的，而随着(zhe)暗物质的(de)增加，一些峰(fēng)值的幅(fú)度会减小，才变得看起来(lái)“和谐”。为(wèi)了匹配宇宙微波背景辐(fú)射(shè)的测量值，我们(men)需要(yào)的暗物质(zhì)大约是(shì)普通物质(zhì)的5倍(bèi)。这(zhè)个数字与(yǔ)解释星(xīng)系当中恒星运动所需要的暗物质比(bǐ)例是一致的(de)。这就意味(wèi)着。

用了(le)一个简(jiǎn)单的理论框架，就很好地(dì)解释了很(hěn)多不(bù)同的观测结果。而暗物(wù)质的(de)本质就是宇(yǔ)宙(zhòu)当中(zhōng)存在着某(mǒu)种类型(xíng)的(de)粒子(zi)，它们不参与任(rèn)何其他的电磁作用，只(zhǐ)通过引力来相互(hù)作用。所(suǒ)以如果能够找到(dào)这(zhè)种粒(lì)子(zi)的存(cún)在，就相当于(yú)找(zhǎo)到了暗(àn)物质存在的实际证据(jù)。这种粒子到(dào)底(dǐ)是(shì)什么(me)？科学家们(men)已经提出了数十种(zhǒng)的(de)假想目标，而要(yào)寻找这些不同的目标(biāo)粒(lì)子所需要的实验方式也不(bù)相同。在过去的几(jǐ)十年当中，人类(lèi)为了寻找这些看不见(jiàn)、摸不到，几乎不会与(yǔ)常规(guī)物质相互作用(yòng)的(de)“暗物质”，科学(xué)家(jiā)们已(yǐ)经(jīng)进行了超过(guò)50次的(de)实验(yàn)，却没(méi)有任何实质性的发现(xiàn)，除了一(yī)个地方(fāng)，意大利的(de)格(gé)兰萨索山，隶属于阿(ā)尔卑斯山(shān)脉(mài)。

在山下1400米处(chù)的地下矿(kuàng)井(jǐng)当(dāng)中，藏着地球上最大的地学实验室(shì)，这个实(shí)验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三(sān)层(céng)楼(lóu)高的探测器(qì)，一直致(zhì)力于寻找暗(àn)物(wù)质粒子的周期性震荡(dàng)。

自1997年(nián)以来，这里的科学家(jiā)声称观测到了某种信号(hào)。经过了20多年的数(shù)据(jù)收集，人(rén)们发(fā)现了一(yī)个有趣的事(shì)情(qíng)。探测率会在每年的6月份达到峰值，然(rán)后在11月降到最低，而且(qiě)在20年(nián)当中每年都是一样(yàng)。一些科学家(jiā)认为这可能是人类发现暗物(wù)质的第一个直(zhí)接证(zhèng)据。

但是为什么暗物质(zhì)会产生(shēng)周期性的年度信号(hào)呢？刚才我们讲了太阳系正在以220公里/秒(miǎo)的速度围绕(rào)着银河(hé)系进行移(yí)动(dòng)，那么如果(guǒ)暗物质存在(zài)宇(yǔ)宙(zhòu)当中(zhōng)，这意(yì)味(wèi)着我们也在以(yǐ)这样的速度在穿越着暗物(wù)质流(liú)，这个过程(chéng)中会产(chǎn)生(shēng)相(xiāng)应的(de)振荡，同时地(dì)球又以30公里/秒的(de)速(sù)度(dù)围(wéi)绕太阳进(jìn)行(xíng)旋(xuán)转(zhuǎn)。所以有(yǒu)半(bàn)年的时间，地球(qiú)围绕太阳的方向与太(tài)阳环绕银河系的方(fāng)向是一致的，而另外半(bàn)年则与之相反。

而在6月(yuè)份的时候，地球与(yǔ)太阳(yáng)的方向正好达到完全一致，这(zhè)是理论上地球穿越暗物(wù)质流最快(kuài)的(de)时段。而(ér)在(zài)11月份，又恰好达到了最慢值。尽管在实(shí)际的情况中，太阳系相对银河系的平面呈现了60度的(de)倾斜，但(dàn)是这并不影响这个理论(lùn)的有效性(xìng)。

因此科学家认为(wèi)这(zhè)可以(yǐ)用来(lái)解释，研究人员(yuán)们所观(guān)测到的周(zhōu)期性信(xìn)号。当(dāng)然也可能有其他的情(qíng)况，造成(chéng)这(zhè)种年度周期信号的差异(yì)也可能是温度(dù)、湿(shī)度、土(tǔ)壤中的水分、高山上的积雪，甚至连意(yì)大利游客的数(shù)量也(yě)符合这(zhè)个(gè)周(zhōu)期的规律(lǜ)。

所以，科学(xué)家们又在南半球建(jiàn)立了一个几乎(hū)相(xiāng)同(tóng)的实验室，这里的季节与之前的(de)实验室正好(hǎo)相反，而(ér)在(zài)这(zhè)里，地球穿(chuān)过暗物(wù)质流(liú)的运动(dòng)特征(zhēng)和(hé)第一个实验室(shì)是(shì)一样的。

因(yīn)此，如果在这里可以(yǐ)得到相同的信号，就可以(yǐ)成为暗物质(zhì)所存在(zài)的非常有力的证据了。但是由于这个实验室(shì)刚(gāng)刚建成不久，所以截至目前还无法(fǎ)提供相应的数据(jù)支(zhī)持。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一台新的望(wàng)远镜，这台太(tài)空望远镜叫做“南希格雷(léi)斯(sī)罗曼”，它的主镜大小跟哈勃望远镜(jìng)相同，但它的宽视场仪器提供(gōng)的(de)视野是哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯(sī)罗曼(màn)太空望远镜(jìng)其中一(yī)个关键的用途就是(shì)探索暗物质背后的奥(ào)秘，对于探测的(de)结果，我们只能拭目(mù)以待了。费米(mǐ)实(shí)验室粒子天(tiān)体(tǐ)物理中心的科学(xué)家丹琥珀和(hé)贾森斯特芬研究发现，如果暗物质存在，它们极有可能(néng)拥有另一种神秘的效应，这(zhè)种(zhǒng)暗物质(zhì)效应，会支持(chí)宇宙(zhòu)当中生命的诞生，或者说是生(shēng)命(mìng)进化的一个重要因素。

如果这(zhè)一理论得到进一步的证实，那(nà)么(me)遍(biàn)布宇(yǔ)宙当中的暗物质会不会意味着人类并(bìng)不孤单呢？或许在宇宙(zhòu)当中某个角落的行星(xīng)上，暗物质正(zhèng)在通过这样的效应创造生命(mìng)。当然，这(zhè)些推论的大(dà)前提是要先找到暗物质存(cún)在的实际证据。那(nà)么小(xiǎo)伙伴们(men)，你们(men)觉得暗物(wù)质(zhì)到底存不存(cún)在呢(ne)？喜(xǐ)欢(huān)请点赞，你的支(zhī)持(chí)是我更新的动力(lì)！

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