宇宙是(shì)“人(rén)为制造”的？为何会存在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究(jiū)竟是什么？人类为了(le)寻找(zhǎo)暗(àn)物质存在(zài)的证(zhèng)据(jù)，科学家们在(zài)过去的几十年(nián)当中进行了(le)超(chāo)过50次的长(zhǎng)期实(shí)验(yàn)，但是却(què)没有发现任何的(de)有效证据。除了一个地方(fāng)，在1687年出版的自然哲学数学原理一(yī)书中，埃萨克牛顿发表(biǎo)了(le)万有引力定律，它(tā)揭(jiē)示了宇宙中天体运动(dòng)的规律。往后的几百(bǎi)年来，当天文学家们发(fā)现某(mǒu)些(xiē)天体运行轨道出现异常，不符合(hé)万有引力定(dìng)律(lǜ)的时候，他们就会知道(dào)，周(zhōu)围(wéi)一定有未知的天体通(tōng)过引力在摄动它的轨道(dào)。比如在1846年，奥本勒维耶就通过天王星运行(xíng)轨道的(de)异常，推算并且发现了海王星的存在。另外，哈雷彗(huì)星、冥(míng)王星的发现都是(shì)应用万有引力定律所取得重大天文成就的例子。但是这些发现都是在恒星系统的尺(chǐ)度当中(zhōng)，可当我(wǒ)们上升到(dào)星(xīng)系或(huò)者是星团的尺度，事情(qíng)就开始变得诡(guǐ)异了。

1933年(nián)，瑞士的物理(lǐ)学家弗(fú)里茨兹威基正在研究和(hé)测量后发星系团(tuán)的质(zhì)量。这(zhè)是(shì)一个由数千(qiān)个星系所组成的巨(jù)大星系团，这些星系被引力束缚在一起。测量星系团(tuán)的质(zhì)量一般会使(shǐ)用到两种方法，当两种方(fāng)法(fǎ)结果一致(zhì)，就可以确定其(qí)质量(liàng)的范围(wéi)。

第(dì)一种是获(huò)得其"光度学的质量"，需要(yào)的数(shù)据是测量(liàng)各个星系的(de)光度。

第二种是动力学质量的(de)计算，是利用光谱(pǔ)红(hóng)移(yí)测量星系团中的各个星(xīng)系相对于星(xīng)系团(tuán)的运动速度。当测量结果出来之后，兹(zī)威(wēi)基彻底(dǐ)懵(měng)了，“动力学质(zhì)量”竟(jìng)然是“光度(dù)学(xué)质量”的400倍。这意味着，后发座星(xīng)系团有99%的质量消失了，或者说(shuō)这(zhè)99%的(de)质量并不以(yǐ)可见光的形式(shì)所存在，我们无法(fǎ)看到。最诡异的是，在测量速(sù)度的过程(chéng)中(zhōng)，兹威基发现星系团(tuán)中很多星系的(de)速度(dù)比理论上(shàng)要快得多，按照牛顿的运动学定律(lǜ)，仅靠这些(xiē)可(kě)见星系的(de)质量(liàng)所产生(shēng)的引(yǐn)力(lì)是无法将它们束缚在(zài)星系团内的(de)，它们早就应该被(bèi)抛(pāo)出星系(xì)团之外了，除(chú)非有一种神秘的力量在起作(zuò)用(yòng)，这种力量来源于某(mǒu)种隐形的物(wù)质。

据此(cǐ)，兹(zī)维基提出了(le)这(zhè)样部分不可(kě)见的暗质，它不发散(sàn)光、吸光(guāng)、反射光，但是(shì)它(tā)们(men)却占据着宇(yǔ)宙中绝大部分的质量。只是当时的人们对(duì)这样(yàng)的一种(zhǒng)说(shuō)法不屑一顾。

直(zhí)到40年(nián)之(zhī)后，“暗(àn)物质”这(zhè)个词才(cái)再一次出(chū)现。天(tiān)文(wén)学(xué)家(jiā)维拉鲁宾和(hé)肯特福特在(zài)观(guān)测仙女座(zuò)星系中的(de)恒星运动。理论上来说(shuō)，距(jù)离中心(xīn)越(yuè)远(yuǎn)的恒星在(zài)其轨道(dào)上(shàng)的运(yùn)行速(sù)度就会越慢。但是他(tā)们观(guān)测的(de)结(jié)果却让(ràng)人感到(dào)不(bù)可思议。

随着(zhe)与中(zhōng)心距(jù)离的增加(jiā)，恒星的旋转速(sù)度几乎保持不变。可是根(gēn)据牛顿的万(wàn)有引力定律(lǜ)，在星系当中如果(guǒ)没有(yǒu)足(zú)够(gòu)大(dà)的质量来吸引它们，这些外(wài)围的(de)恒星早就被甩(shuǎi)到宇(yǔ)宙当中了。基(jī)于这种现象，科学家们会使用一(yī)种(zhǒng)相(xiāng)对标准的(de)方法来解释暗物质(zhì)的存在，这种方法(fǎ)就是测(cè)量星系当中气体在X轴上距离星(xīng)系中心的距离，以及在Y轴上气(qì)体的旋转速度。如果出现异常的结果，就(jiù)认为是由暗物质的(de)力量进入其中。

于(yú)是科(kē)学家们通过射(shè)电望远(yuǎn)镜测量了距离星系中心更(gèng)远距离的氢元素，发(fā)现它们的旋转速(sù)度并不符合牛顿(dùn)的力(lì)学定律。我们的太(tài)阳系也不例(lì)外，太(tài)阳系位于银河系的第三(sān)悬臂之上，距离银河系中心2.6万光年，根据万有引(yǐn)力定律进行计算，太阳系(xì)的运行速度(dù)应该是(shì)160千米/秒，但实际上，太(tài)阳系(xì)正在以220千米/秒(miǎo)的速度围绕银河系旋转，这个实际速度远远大(dà)于理论速(sù)度，那么产生以上这(zhè)种向心(xīn)加(jiā)速(sù)度的原因很可能(néng)就是存在着一种我们(men)看不到的物质(zhì)，是这些暗物质(zhì)的引(yǐn)力(lì)效应将星系聚集在了一起。

也是从这时开始，越来越多的研究人员开始(shǐ)相信暗物质的(de)存在。科学家根(gēn)据星系外恒星轨道的速度，估算在星系当中暗物质的质(zhì)量占整个星(xīng)系质量的85%。但是，暗(àn)物(wù)质并不是唯一可(kě)以解释这个现(xiàn)象的原因。在(zài)一(yī)项新的(de)研究当中，科学家们发现，几乎没(méi)有引力(lì)效应的遥远恒星(xīng)之间，也会出现速度(dù)上(shàng)的(de)微小(xiǎo)差(chà)异(yì)。另外，天文学家还发(fā)现了一个反(fǎn)常的(de)星系(xì)，叫(jiào)做Agc114905。这个星系距离地(dì)球大约2.5亿光年，大小和银河系不多，但(dàn)是星系当中存在的(de)恒星数(shù)量却(què)只有(yǒu)银河系的千分之(zhī)一。

所以在理论上，该星系必(bì)须存在(zài)暗物质(zhì)，否(fǒu)则就会分崩离析。但是科学家(jiā)们(men)使(shǐ)用最先进的望远镜对其进行了40个小时的详(xiáng)细测量之后，发现星系中的恒(héng)星(xīng)运动是可以用正常(cháng)的物质和力学定律来解释(shì)的。那(nà)么又有(yǒu)人提出，也(yě)许该(gāi)星系的暗物质，已经被(bèi)附近的另一(yī)个(gè)大星系剥离(lí)了(le)。奇怪的(de)是，它的附近没有(yǒu)任何星系存在。造成这些(xiē)现象的除(chú)了暗物质的假说之外(wài)，另一(yī)种可(kě)能(néng)就是人类对引力的理解(jiě)还不够(gòu)全面，引(yǐn)力很可能在不同尺度空间(jiān)中的工作(zuò)方(fāng)式是不(bù)同的，这意味着在行星系尺度中的天体(tǐ)会沿着它们的轨道，按照我们所(suǒ)理(lǐ)解的(de)方(fāng)式(shì)运动。但是(shì)上升到星系和(hé)星团(tuán)的(de)尺度，引(yǐn)力之(zhī)间(jiān)的相互作用则是不同的(de)方(fāng)式。对于在星系(xì)团之(zhī)间的相(xiāng)互(hù)作用，科学家(jiā)还引入了外部(bù)场(chǎng)效应的概念，指的(de)是在数(shù)百万光年的规(guī)模上，巨大(dà)的质量之间会(huì)产生对彼此特(tè)殊的效果，这(zhè)个理论叫做(zuò)MOND蒙德理论。如果MOND蒙(méng)德(dé)理论成立(lì)，这(zhè)意味着我(wǒ)们需要对现在的(de)物理定(dìng)律(lǜ)进行修正(zhèng)，这些发现也让很多人认为(wèi)暗物质假(jiǎ)说理论(lùn)就此终结。但是在宇宙当中(zhōng)还有关于暗物质存在的其他(tā)的(de)理论证(zhèng)据，这(zhè)些理论(lùn)证据(jù)是蒙德理论(lùn)所(suǒ)没法解释的(de)“引力透(tòu)镜”。

径向距(jù)离为37亿(yì)光年(nián)的子弹星系(xì)团，由两(liǎng)个(gè)碰撞的星系团(tuán)所组成，类似这样的星(xīng)团，它们大部分(fēn)的普(pǔ)通质量都在星系的气体(tǐ)当中。当星团以1000万公里/小时发(fā)生碰(pèng)撞的时(shí)候，星际(jì)气体的相互作用就会(huì)导(dǎo)致温度的(de)急剧升高，速(sù)度大幅降(jiàng)低。所(suǒ)以(yǐ)在理论上，在碰撞之后，子弹(dàn)星系团大部分的质量将(jiāng)位于所有(yǒu)这些气体所在的(de)中间(jiān)区域(yù)。那么我(wǒ)们通过什么来验(yàn)证它的(de)质量区域(yù)到底(dǐ)是不是集中(zhōng)在中间(jiān)呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了宇宙当(dāng)中第一张全(quán)彩的高清照片，在照片中我们(men)可以(yǐ)明(míng)显地(dì)看到很多星系似乎(hū)被拉伸产生(shēng)了巨大的形变。其实这些星系本身(shēn)并(bìng)不是真的被扭(niǔ)曲(qū)了，也不是韦伯望远(yuǎn)镜出了什(shén)么(me)问题，而是这(zhè)样(yàng)极遥远(yuǎn)的天体和我(wǒ)们地(dì)球上的观(guān)测者之间。被一个质量(liàng)超级巨大的天(tiān)体(tǐ)遮挡，这个超(chāo)大质(zhì)量的东西的引力，会使身后更遥远星系的光都发生(shēng)了扭曲(qū)。这个现(xiàn)象就是引(yǐn)力透镜效应。这个巨大的(de)天体(tǐ)可能是超大质量的(de)黑洞(dòng)或者(zhě)是(shì)暗物质。

所以当人们对子弹星系团观测(cè)的时候(hòu)，发现它的大质量区域并不是在中间，而是在两侧。所以最好(hǎo)的解释(shì)方法就是当星(xīng)团发生全部的碰撞时(shí)，可被观测(cè)到的(de)质(zhì)量气(qì)体被(bèi)卡在(zài)了中间，暗物质则直接通过了(le)这个区(qū)域(yù)，并在两边形成了引(yǐn)力透(tòu)镜。对(duì)子弹星系(xì)团的引(yǐn)力透镜研(yán)究也被(bèi)认为是(shì)暗物质(zhì)存(cún)在的(de)迄今为止(zhǐ)最好的理论证据。

除此之(zhī)外，还有(yǒu)来自宇宙当中最(zuì)古老(lǎo)的(de)光。从宇宙大爆(bào)炸开(kāi)始(shǐ)，38万年之(zhī)后，可见(jiàn)光终于(yú)可(kě)以畅(chàng)通无(wú)阻地(dì)穿(chuān)越在宇宙当中了。经过了130多亿年(nián)之后，这些光在(zài)宇宙空间背(bèi)景上留下了(le)各相同性的微波(bō)辐(fú)射。其中红色的部分表示温度(dù)较高的(de)区域，蓝色则表示相(xiāng)对较冷(lěng)的区域，但实际上(shàng)它们之间的温差(chà)只有万分(fēn)之一(yī)。

科(kē)学(xué)家们通(tōng)过对前景(jǐng)背景分离后的(de)二值图像进行连通域提取和(hé)标记之后发现，如果宇宙当中没(méi)有(yǒu)暗物质，图形看(kàn)起来不应(yīng)该是(shì)这样的，而(ér)随着暗物质(zhì)的增加(jiā)，一些峰值的幅度会减小(xiǎo)，才变得(dé)看起(qǐ)来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景辐(fú)射的测量值(zhí)，我们需(xū)要的暗(àn)物质大约是(shì)普(pǔ)通(tōng)物质(zhì)的5倍(bèi)。这个数字与解释星系当中恒星运动所需要(yào)的暗物质(zhì)比例是一致(zhì)的。这就意味着。

用了一个简单的理(lǐ)论框架，就很(hěn)好地(dì)解释了很多不同的观测结果。而暗物质的本质就(jiù)是宇宙当中存在着(zhe)某种类(lèi)型的(de)粒子，它们不(bù)参(cān)与任何(hé)其他(tā)的电磁作(zuò)用，只通过引力来相(xiāng)互作用。所以如果(guǒ)能够找(zhǎo)到这种粒子的存在，就相当于(yú)找到了暗物质存(cún)在的实际证据(jù)。这种粒(lì)子到底(dǐ)是什(shén)么？科学家们(men)已经提出了数十种的假想目(mù)标，而要寻找这些(xiē)不(bù)同的目标粒子所需要的实验方式也不(bù)相同。在过去的(de)几(jǐ)十(shí)年当中，人类为(wèi)了寻找这(zhè)些看(kàn)不见、摸(mō)不到，几乎不会与常规物质相(xiāng)互作用的“暗(àn)物质(zhì)”，科学家们已经进行了(le)超过50次的实验，却没有任何实质性的发(fā)现，除了一个地方，意(yì)大利的(de)格兰(lán)萨索(suǒ)山，隶属于(yú)阿尔卑斯山脉。

在山(shān)下1400米处的地下矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏着地球上(shàng)最1页是一面还是两面啊，1页是一张还是一面大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三层(céng)楼高(gāo)的探测(cè)器，一直致力于寻(xún)找暗物(wù)质粒子的周期性(xìng)震荡。

自(zì)1997年以(yǐ)来(lái)，这里的科学(xué)家声称观测到了某种信号。经过了20多年的数据收(shōu)集(jí)，人们(men)发现了一(yī)个有趣的事(shì)情(qíng)。探(tàn)测(cè)率会在每年(nián)的6月份达(dá)到峰值，然后在11月(yuè)降到(dào)最(zuì)低，而且(qiě)在20年当中每年都是(shì)一(yī)样。一些科学家认为这可(kě)能是人类发现暗物质的第一个直接(jiē)证据。

但是为什么暗物质会产生周期性(xìng)的年(nián)度信号呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正在以220公里/秒(miǎo)的速度围绕着银河系进行移(yí)动，那(nà)么如果暗物质存在宇宙当中(zhōng)，这意味着(zhe)我们也在以这样的速度在(zài)穿越着(zhe)暗物质流，这个(gè)过程(chéng)中会(huì)产生(shēng)相应的振荡，同时地球又以30公里/秒的速(sù)度围绕太阳进行旋转(zhuǎn)。所以有(yǒu)半年(nián)的时间，地球围绕(rào)太阳的方向(xiàng)与太阳环绕银河系的(de)方向是一致(zhì)的(de)，而另外半年(nián)则(zé)与之相(xiāng)反。

而在6月份的时候，地球(qiú)与太(tài)阳的方向正好达到完(wán)全一(yī)致(zhì)，这(zhè)是理论上地球(qiú)穿越暗(àn)物(wù)质流最(zuì)快的(de)时段(duàn)。而在11月份，又恰(qià)好达到了(le)最慢值。尽(jǐn)管在实际(jì)的情况中(zhōng)，太阳系相对银(yín)河系的(de)平(píng)面呈现了(le)60度的(de)倾斜，但(dàn)是这并不影响这个理论(lùn)的有效性。

因此科学(xué)家认为这可以用来解释，研究人员们所观(guān)测到(dào)的周(zhōu)期性信号。当然(rán)也可(kě)能有其他的(de)情况，造成这种年度周(zhōu)期信(xìn)号的差异(yì)也可能(néng)是(shì)温(wēn)度、湿(shī)度、土壤中的水分、高山上(shàng)的(de)积雪，甚(shèn)至连意大(dà)利(lì)游客的数量也(yě)符合这个周期的规律(lǜ)。

所以，科学(xué)家们又(yòu)在南(nán)半(bàn)球(qiú)建立了(le)一个(gè)几乎相同的(de)实验室，这里的季节与之前(qián)的实验室正好相反，而在这里，地(dì)球(qiú)穿过暗物质流的(de)运动(dòng)特征(zhēng)和第一(yī)个实验室是一样的。

因(yīn)此(cǐ)，如果(guǒ)在这里(lǐ)可(kě)以(yǐ)得到相同的(de)信号，就可(kě)以成为暗物质所存(cún)在的(de)非常有力(lì)的证据(jù)了。但(dàn)是由于这个实验室刚刚建成不久，所以截(jié)至目前还无法提供(gōng)相应(yīng)的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发(fā)射(shè)一台新的望远镜，这台太空望远(yuǎn)镜叫做“南希格雷斯(sī)罗曼(màn)”，它的主镜大(dà)小跟哈勃(bó)望远镜相同，但它的宽视(shì)场仪(yí)器提供的视野是哈勃红外仪(yí)器(qì)的100倍。南希格雷斯(sī)罗(luó)曼太(tài)空望远镜其中一(yī)个关键的用(yòng)途就是探索暗物质背(bèi)后的奥(ào)秘，对于探(tàn)测(cè)的结果，我们只能拭目以待了。费米实验室粒(lì)子天体物理中心的科学家丹琥(hǔ)珀和贾森斯特芬研究(jiū)发现(xiàn)，如果暗物质存(cún)在(zài)，它们(men)极(jí)有可能拥(yōng)有另一种神秘的效应，这种(zhǒng)暗物(wù)质效应，会支持(chí)宇宙当中生命(mìng)的诞(dàn)生，或者(zhě)说是(shì)生命进化的一个重(zhòng)要(yào)因素。

如果这一理论得到(dào)进一(yī)步的证实(shí)，那(nà)么(me)遍布宇宙当中的暗物质(zhì)会不会意味(wèi)着人类(lèi)并(bìng)不孤单呢(ne)？或(huò)许在宇宙当中(zhōng)某个角落的行(xíng)星(xīng)上(shàng)，暗(àn)物(wù)质正在通过这样的效应创(chuàng)造(zào)生命。当然，这些推论的(de)大(dà)前提(tí)是要先找到(dào)暗物质存在(zài)的(de)实际证据。那么小伙伴们(men)，你(nǐ)们觉得暗物质到底存不存在呢？喜欢请点赞，你的(de)支持是我更新(xīn)的动(dòng)力！

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