宇宙是“人为制造”的？为何会存在(zài)科学(xué)无(wú)法(fǎ)解释的“暗物质”？暗物质又究竟(jìng)是什么(me)？人(rén)类(lèi)为了寻找暗物质存在的证(zhèng)据，科学家们在过去的几十年当中进行了超过50次的长期实验，但是却没有发现任何的有效(xiào)证据。除了一个地方，在1687年出版的自然哲学数(shù)学原理一书中(zhōng)，埃(āi)萨克(kè)牛顿发表了(le)万有引(yǐn)力定律(lǜ)，它揭示了宇宙中天体运动(dòng)的规律(lǜ)。往(wǎng)后的几百年来，当(dāng)天文(wén)学(xué)家们发(fā)现某些(xiē)天(tiān)体运行轨道出现异常，不(bù)符合万有(yǒu)引力定律(lǜ)的时候，他们就(jiù)会知道，周围一定有未(wèi)知的天(tiān)体通过(guò)引力在摄动它的轨道(dào)。比如(rú)在1846年(nián)，奥本勒维耶(yé)就通过(guò)天王星运行轨道的异常(cháng)，推算并且(qiě)发现了(le)海王(wáng)星的(de)存在。另(lìng)外，哈雷彗星(xīng)、冥王星的(de)发(fā)现都是应用(yòng)万有引力定律所(suǒ)取(qǔ)得重(zhòng)大(dà)天文成就的(de)例(lì)子。但是这些发现都是在恒星系(xì)统的尺度(dù)当中，可当(dāng)我们上升到星系或者是(shì)星团的(de)尺度，事情就开(kāi)始变得诡异了(le)。

1933年，瑞士的(de)物理学家(jiā)弗里茨(cí)兹(zī)威基(jī)正在研究和测量后发星系团的质量。这(zhè)是一个由数千(qiān)个星系所组成(chéng)的巨大星系团，这(zhè)些星(xīng)系被(bèi)引力束(shù)缚在一起(qǐ)。测(cè)量星(xīng)系团(tuán)的质量一般会使用到两种方法，当(dāng)两(liǎng)种(zhǒng)方法结果(guǒ)一致，就(jiù)可以确定(dìng)其质量的范围。

第一种是获得其"光度(dù)学的质(zhì)量"，需要的(de)数据是测量(liàng)各个星(xīng)系的光度。

第二种是动力学质量的计算，是(shì)利(lì)用光(guāng)谱红(hóng)移测量星系团中(zhōng)的各个星(xīng)系相对于星系团的运动速(sù)度。当测量结果出(chū)来之后，兹威基彻底懵(měng)了(le)，“动力学质量”竟然是“光度学(xué)质量”的400倍。这意味着(zhe)，后发(fā)座星系团有99%的质量消失了(le)，或者(zhě)说这(zhè)99%的质量并不(bù)以可见光的形式所存(cún)在，我们无法(fǎ)看到。最诡异的是，在测量速(sù)度的过程中，兹(zī)威基发现星系团中很多星(xīng)系的速度比理论(lùn)上要(yào)快得(dé)多，按照牛(niú)顿的运动学定律，仅靠这些(xiē)可见星系的(de)质量所(suǒ)产生的引力(lì)是无(wú)法(fǎ)将它们束缚在星系团(tuán)内的，它们早就应该被抛出星系团之外(wài)了，除非有一种神(shén)秘的力量在起作用，这种力(lì)量来(lái)源于(yú)某种(zhǒng)隐形的物质。

据(jù)此(cǐ)，兹维基(jī)提出了(le)这样部分(fēn)不(bù)可见的暗质，它不发散光、吸光(guāng)、反射光，但是它(tā)们(men)却(què)占据(jù)着(zhe)宇宙中绝大(dà)部分的(de)质量(liàng)。只是当时的人们对这样的一(yī)种说法(fǎ)不屑一(yī)顾。

直到40年之(zhī)后，“暗物质”这个词才(cái)再一次出现。天(tiān)文(wén)学家维拉鲁宾和肯特福特在观(guān)测仙女座(zuò)星系中的恒星运动。理论(lùn)上来说(shuō)，距离(lí)中心越(yuè)远的恒星(xīng)在(zài)其轨道上(shàng)的运行速度就(jiù)会越慢。但是他们观(guān)测的结果(guǒ)却让人感到不可思议(yì)。

随着与中心距(jù)离(lí)的增加，恒(héng)星的旋转速度几乎保持不(bù)变(biàn)。可是根据牛(niú)顿(dùn)的(de)万有引力定律，在星系当中如果没有足够(gòu)大(dà)的质(zhì)量来吸引它(tā)们(men)，这些外围的恒星(xīng)早就被甩到宇宙当中(zhōng)了。基于这(zhè)种现象，科学家们会使用一种(zhǒng)相对(duì)标准的方法来解释(shì)暗物质(zhì)的存在，这种方法就(jiù)是测(cè)量星系当(dāng)中气体在X轴上距离星系中心的距离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速度(dù)。如果出现异(yì)常(cháng)的结(jié)果(guǒ)，就认为是(shì)由(yóu)暗(àn)物质(zhì)的力量进入其中。

于是(shì)科(kē)学家们(men)通过射电望远镜测量(liàng)了距离星系中心更远距离的氢元素，发现(xiàn)它(tā)们(men)的旋(xuán)转(zhuǎn)速度并不符(fú)合牛(niú)顿的力学定律。我们的太阳系(xì)也不例外，太阳系(xì)位(wèi)于银河系(xì)的第(dì)三悬臂之(zhī)上，距(jù)离银(yín)河系中心2.6万(wàn)光(guāng)年，根(gēn)据万有引力定(dìng)律进行(xíng)计(jì)算(suàn)，太阳(yáng)系的运行速(sù)度应该是(shì)160千米/秒，但实际上，太阳(yáng)系正在(zài)以2secx的不定积分推导过程，secx的不定积分推导过程图片20千米/秒的(de)速度围绕银河系旋转，这(zhè)个实际速度远远大(dà)于理(lǐ)论速度(dù)，那(nà)么产生(shēng)以上(shàng)这种向(xiàng)心(xīn)加速度的原因很可能就是存在着(zhe)一(yī)种我们看不到的物质，是这些暗物质的引力效应将(jiāng)星系聚集在了一起。

也是从这时开始(shǐ)，越来越多的(de)研究人(rén)员开始相信暗(àn)物质的存在。科学(xué)家根据星系外恒星轨道的速度，估算在星系当中暗物质(zhì)的质量(liàng)占整个星系质(zhì)量的(de)85%。但是，暗物质并不(bù)是唯一可以解释这个(gè)现象的原因。在一(yī)项新(xīn)的研究当中，科学家(jiā)们发(fā)现，几乎没有(yǒu)引力(lì)效应的遥(yáo)远恒星之间(jiān)，也会出现速(sù)度(dù)上的微小差异(yì)。另外，天文学(xué)家还发现(xiàn)了一个反常的星(xīng)系，叫(jiào)做Agc114905。这个星系距离地球大约2.5亿光年，大小和银河(hé)系不多，但是星系当(dāng)中存在的恒星数量(liàng)却只有银河系的千分之一(yī)。

所以在理论(lùn)上，该星系必须存在暗物质，否则(zé)就(jiù)会分崩离(lí)析。但是科学家们使用最(zuì)先进(jìn)的望(wàng)远(yuǎn)镜对其(qí)进行了40个小(xiǎo)时(shí)的详(xiáng)细(xì)测量之后(hòu)，发现星系中的恒星运(yùn)动是可以用正常(cháng)的物质和(hé)力(lì)学定(dìng)律来解释(shì)的。那(nà)么又有人(rén)提出，也许该星(xīng)系的(de)暗物质，已经被附近的另(lìng)一个(gè)大星系(xì)剥(bō)离了(le)。奇怪的是(shì)，它的附近没有任(rèn)何星系(xì)存在(zài)。造成这些现象的除了暗(àn)物质的假说(shuō)之外(wài)，另一种可(kě)能就是(shì)人类(lèi)对(duì)引力的理解(jiě)还不够全面(miàn)，引(yǐn)力(lì)很可能在不同(tóng)尺度空间中的工作方式是(shì)不同的(de)，这意味着在行星系尺度中的天体会沿着它们(men)的轨道，按(àn)照我(wǒ)们所(suǒ)理解的(de)方式运(yùn)动(dòng)。但是上(shàng)升(shēng)到星系和星团的尺(chǐ)度，引力之间的(de)相互作用则是(shì)不同的(de)方(fāng)式。对(duì)于(yú)在星系(xì)团之间的相互作用，科学(xué)家(jiā)还引(yǐn)入了外部场效应的(de)概念，指的是在数百万光年的规模上(shàng)，巨大的质量之间会产生对彼此(cǐ)特(tè)殊的效果(guǒ)，这个理论叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理论成立，这(zhè)意味着(zhe)我们需要对(duì)现在的物理定(dìng)律进行修正，这些发现也让很多(duō)人认为暗(àn)物质(zhì)假说理论就此终结。但(dàn)是在宇宙当中还有关于暗物质存(cún)在的其他(tā)的理(lǐ)论证据，这些理论证据是蒙德理(lǐ)论所(suǒ)没法(fǎ)解释的“引力透镜”。

径(jìng)向(xiàng)距离为37亿光(guāng)年的子弹星系团(tuán)，由两(liǎng)个(gè)碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样的星(xīng)团，它们大部分的普通质量(liàng)都在星系的气体当中(zhōng)。当星团(tuán)以1000万公里/小时(shí)发生(shēng)碰撞的时候，星际气体的相互作用(yòng)就会导致(zhì)温度的急剧升高(gāo)，速度大幅降低。所以在理(lǐ)论上，在(zài)碰(pèng)撞之(zhī)后，子(zi)弹(dàn)星系团大部分的质量将(jiāng)位(wèi)于(yú)所有这些气体所在(zài)的(de)中间区(qū)域。那(nà)么我们(men)通过什(shén)么来验证它(tā)的质量区(qū)域(yù)到底是不(bù)是集中在中间呢？前不(bù)久(jiǔ)，詹姆斯韦伯太空望(wàng)远镜传回了宇宙当中第一张全彩的高清照片，在照片中我们(men)可以明显地看到很(hěn)多星系似乎(hū)被(bèi)拉伸产生了(le)巨大(dà)的形变。其实这些(xiē)星系本身并不是真的被扭(niǔ)曲了，也不是韦伯望远镜出了(le)什么问题(tí)，而是这样极遥远的天(tiān)体和我们地(dì)球上的观测者之(zhī)间。被一个质量超级巨大的天体遮(zhē)挡，这个超大质(zhì)量的东西(xī)的引力，会使(shǐ)身后更(gèng)遥远(yuǎn)星系(xì)的光都发生了扭曲。这(zhè)个(gè)现象就(jiù)是引力透镜效应。这个(gè)巨大(dà)的天体可能是(shì)超大质量(liàng)的黑(hēi)洞或者是暗物质(zhì)。

所以当(dāng)人们对(duì)子弹(dàn)星(xīng)系团(tuán)观测的(de)时候，发现它的大(dà)质量区域(yù)并不是(shì)在中(zhōng)间(jiān)，而(ér)是在两(liǎng)侧。所以(yǐ)最(zuì)好的解释方法就(jiù)是当星团(tuán)发(fā)生全(quán)部(bù)的碰撞(zhuàng)时(shí)，可被观测到的质量气体被卡在了中间(jiān)，暗(àn)物质则直接通(tōng)过了这个区域，并(bìng)在两边形成了引(yǐn)力(lì)透镜。对子弹(dàn)星系团的引(yǐn)力透镜(jìng)研究也(yě)被认为是暗物质存在的迄今为止最好的理论证据。

除(chú)此之(zhī)外，还有来自宇宙当中最古老的光(guāng)。从宇宙大(dà)爆炸开始，38万年(nián)之后，可(kě)见光(guāng)终(zhōng)于可以(yǐ)畅通无阻(zǔ)地穿越在(zài)宇宙当中了(le)。经过了130多(duō)亿(yì)年(nián)之后(hòu)，这些光(guāng)在宇(yǔ)宙空间背景上留下(xià)了各相同性的微(wēi)波辐射。其中红色的(de)部分表示温度较高的(de)区域，蓝色则表(biǎo)示(shì)相对较冷的区域，但实际上它们之(zhī)间的温差只有万分之一。

科学家们通过对前景(jǐng)背景分离后的二值(zhí)图像(xiàng)进行连通(tōng)域(yù)提(tí)取和(hé)标记之后发现，如果宇宙当中(zhōng)没有暗物质，图形看(kàn)起来不(bù)应该是这样(yàng)的，而随(suí)着暗物(wù)质的(de)增加，一些(xiē)峰值(zhí)的(de)幅(fú)度会减小(xiǎo)，才(cái)变(biàn)得(dé)看起(qǐ)来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇(yǔ)宙微(wēi)波(bō)背景(jǐng)辐(fú)射的测量值，我们需(xū)要(yào)的暗物质大约是(shì)普通物质的5倍。这个数(shù)字与解释星系(xì)当中(zhōng)恒星运(yùn)动所需要的暗物质比例(lì)是一致的。这就意味着。

用了一个(gè)简单的理论框(kuāng)架，就(jiù)很好(hǎo)地(dì)解释(shì)了很多不(bù)同的观测结(jié)果。而(ér)暗物质的本质(zhì)就是宇宙当中存在着某种类型(xíng)的粒子，它们(men)不参(cān)与(yǔ)任何(hé)其他(tā)的(de)电磁(cí)作(zuò)用，只通过引力来相互作用。所(suǒ)以(yǐ)如果能够找到这种粒子(zi)的存在，就相当(dāng)于找到了(le)暗物质存在(zài)的实际证据。这(zhè)种粒子到(dào)底(dǐ)是什么？科学家们已经(jīng)提(tí)出了(le)数十种的假想(xiǎng)目标，而要寻找这些不同的目标粒子所需(xū)要(yào)的实验方式也不相同。在(zài)过去的几十年当中，人类为了寻找这些看不见(jiàn)、摸不到(dào)，几乎不会与常规物(wù)质(zhì)相互(hù)作用的“暗物(wù)质”，科(kē)学家们已(yǐ)经进行了(le)超过50次的实验(yàn)，却没有任何实(shí)质性的(de)发(fā)现，除了一(yī)个地方(fāng)，意大利的格兰萨索山，隶属于阿(ā)尔卑斯山脉。

在山下1400米(mǐ)处的(de)地下矿(kuàng)井当中，藏着地球上(shàng)最大的地(dì)学实验室，这个(gè)实验室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三(sān)层楼高的探测器，一(yī)直致力(lì)于寻找暗(àn)物质(zhì)粒子的周期性震荡(dàng)。

自(zì)1997年(nián)以来(lái)，这(zhè)里的科学家(jiā)声称观测到了某种信号。经过了20多年(nián)的数据收(shōu)集(jí)，人(rén)们(men)发现了一(yī)个(gè)有趣的事情。探测率会(huì)在每年的6月(yuè)份达到峰值，然后(hòu)在11月(yuè)降到最低，而且(qiě)在20年当中每年都是一样。一些科学家(jiā)认为这可能是(shì)人类发现(xiàn)暗(àn)物质(zhì)的第一(yī)个直接证据。

但是为什么暗(àn)物质(zhì)会产(chǎn)生周期性的年度信号呢？刚才我(wǒ)们讲了太阳系正在以220公里/秒的速度围(wéi)绕(rào)着银河系(xì)进行移动，那么如(rú)果暗物质(zhì)存在(zài)宇宙当中，这意味着(zhe)我(wǒ)们也在以这样的速(sù)度(dù)在穿(chuān)越(yuè)着暗物质流(liú)，这个(gè)过程(chéng)中会产(chǎn)生相应的振荡，同(tóng)时地(dì)球又以30公里/秒(miǎo)的速度围(wéi)绕(rào)太(tài)阳进行(xíng)旋转(zhuǎn)。所以(yǐ)有半年的时间(jiān)，地球围绕太阳的方向与太阳环绕银河系的方向是一致的，而另外半年则与(yǔ)之相反。

而在(zài)6月份的时候(hòu)，地球与太阳的(de)方向正好(hǎo)达到完全一致，这是(shì)理论上地(dì)球穿越(yuè)暗物(wù)质流最快的时段。而在11月份，又(yòu)恰好达到了(le)最慢值。尽(jǐn)管(guǎn)在实际的情况中，太阳系相对银河系的平(píng)面(miàn)呈现了60度的倾斜，但是(shì)这并(bìng)不影响这个(gè)理(lǐ)论的(de)有(yǒu)效性。

因此科(kē)学家认(rèn)为这(zhè)可以(yǐ)用来解(jiě)释，研究人员们所观测到的周期性信号。当然也可能有(yǒu)其他的(de)情况，造(zào)成这种年度周期信号(hào)的差异也可能是温度、湿度、土壤中(zhōng)的水分、高(gāo)山(shān)上的(de)积雪(xuě)，甚至连意大利游客(kè)的(de)数量也符合这个周期的(de)规(guī)律。

所(suǒ)以(yǐ)，科学家(jiā)们又在(zài)南半(bàn)球建立了一个(gè)几乎相同的(de)实验(yàn)室(shì)，secx的不定积分推导过程，secx的不定积分推导过程图片这里的季节与之前的实验室正好相反，而在(zài)这里，地球穿(chuān)过暗物质(zhì)流的运动(dòng)特征和(hé)第一(yī)个实验室(shì)是一样的。

因此(cǐ)，如(rú)果在这里可以得到相(xiāng)同的(de)信号，就(jiù)可以(yǐ)成为暗物质所(suǒ)存在的非常有力的证据了。但是由于这个实(shí)验室(shì)刚刚建成不久，所以(yǐ)截至目前还(hái)无法提(tí)供(gōng)相应的(de)数据支持。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一(yī)台(tái)新的望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫(jiào)做“南希格雷斯罗(luó)曼”，它的(de)主镜(jìng)大小跟(gēn)哈勃望远镜相同，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(gé)雷斯罗曼太空望远镜其中一个关键(jiàn)的(de)用途就是探索暗(àn)物质背后的奥秘，对于探测的结果，我们只能拭目以待了(le)。费米实验室粒子天体物理中心的科学家丹琥珀(pò)和(hé)贾森斯(sī)特芬研究发现，如果(guǒ)暗物质存(cún)在，它(tā)们(men)极(jí)有可(kě)能拥有(yǒu)另一种神秘(mì)的效(xiào)应(yīng)，这种暗(àn)物质效应(yīng)，会(huì)支持宇宙当(dāng)中生命的诞生，或(huò)者说是(shì)生命进化(huà)的一个重(zhòng)要因素。

如果这一理论(lùn)得到进一步的(de)证实，那么遍(biàn)布宇宙当中的暗物质(zhì)会不会意(yì)味(wèi)着人类并不孤单呢(ne)？或许(xǔ)在宇宙当中某个角(jiǎo)落的行星上，暗物质(zhì)正(zhèng)在通(tōng)过这样的(de)效应创(chuàng)造(zào)生命。当然，这些推论(lùn)的大前提(tí)是要先找(zhǎo)到暗(àn)物(wù)质存在的实际证(zhèng)据。那么小伙(huǒ)伴(bàn)们，你(nǐ)们觉得暗物(wù)质到底(dǐ)存不存在(zài)呢(ne)？喜欢请点赞，你的支持是我(wǒ)更(gèng)新的(de)动力！

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