宇宙是(shì)“人(rén)为(wèi)制造”的？为何(hé)会存在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人(rén)类为了寻(xún)找(zhǎo)暗物质存在(zài)的证据，科学家们(men)在过去的(de)几十年(nián)当(dāng)中(zhōng)进行了(le)超过50次的长期实验(yàn)，但是(shì)却(què)没有发现任何的有效证据。除了一个地方(fāng)，在1687年(nián)出(chū)版的自(zì)然哲学数学(xué)原理一书中(zhōng)，埃萨(sà)克牛(niú)顿(dùn)发表了万有(yǒu)引力定律，它揭(jiē)示了宇(yǔ)宙中天体(tǐ)运动的规(guī)律(lǜ)。往后(hòu)的几百年来，当天(tiān)文学家们发(fā)现某些天体运行轨道(dào)出现异常(cháng)，不符合万(wàn)有引(yǐn)力定律的时候，他(tā)们(men)就会知道，周围一定(dìng)有未知的天体通(tōng)过引力在摄动它的轨道。比如在(zài)1846年(nián)，奥本勒(lēi)维耶(yé)就通过天王星运行轨道的异(yì)常，推算并且发现了(le)海王星的存在。另(lìng)外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发现(xiàn)都是(shì)应(yīng)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(héng)星系统的尺度当中，可当(dāng)我(wǒ)们上升到星系(xì)或者是星团的尺度，事情就开(kāi)始变得诡异了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威基正(zhèng)在研究和测(cè)量后发(fā)星系团的质(zhì)量。这是一个由(yóu)数(shù)千个(gè)星(xīng)系所组成(chéng)的巨大(dà)星(xīng)系(xì)团，这些星系被(bèi)引力(lì)束缚在(zài)一起。测量(liàng)星系团的质量一(yī)般会使用到两种方法，当两种方法结果一致，就可以确定(dìng)其质量的范围(wéi)。

第(dì)一种(zhǒng)是获(huò)得(dé)其"光度学的质量"，需(xū)要的数据是测(cè)量各(gè)个星(xīng)系的(de)光度。

第二(èr)种(zhǒng)是动力(lì)学(xué)质量的计(jì)算，是利(lì)用光谱红移测量星(xīng)系团中的(de)各个星系相(xiāng)对于星系团(tuán)的运动速(sù)度。当测量(liàng)结果出(chū)来之(zhī)后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光(guāng)度学(xué)质量”的400倍。这意味着，后发座星系团有99%的质(zhì)量消失了(le)，或(huò)者说(shuō)这99%的质量并不以可见(jiàn)光的形式所存在，我们无法看到。最诡异的是，在测(cè)量速度的过程中，兹威基发现星系团中很多星系的速度比理论上要(yào)快得多(duō)，按照(zhào)牛顿的运动学定律，仅靠这些可见星系的质(zhì)量所产生的(de)引力是无法将它们束缚在星系团内(nèi)的，它们早就应(yīng)该被抛出星系团(tuán)之外了，除非有一(yī)种(zhǒng)神秘的力(lì)量在(zài)起(qǐ)作用，这(zhè)种力量来(lái)源于(yú)某种隐形的(de)物质。

据此，兹维基提(tí)出了这样(yàng)部分不可(kě)见的暗质，它不发(fā)散光、吸光、反射光，但是它们却(què)占据(jù)着宇宙(zhòu)中绝大(dà)部分(fēn)的质量。只(zhǐ)是当(dāng)时的人们(men)对(duì)这样的一种说法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词才再一次出(chū)现。天文学家维拉鲁宾(bīn)和肯特(tè)福特(tè)在观(guān)测仙女座星系(xì)中的恒星运动。理论上来说，距离中心(xīn)越远的恒星(xīng)在其轨道上的运行速度就(jiù)会越(yuè)慢。但是他们观测的结(jié)果却让人感(gǎn)到不可思议。

随着与中心(xīn)距(jù)离的增加，恒星的旋转速度(dù)几乎保持不变。可是根据牛顿的万有引力定律，在星系当中如果(guǒ)没有(yǒu)足够大的(de)质量来吸(xī)引它(tā)们，这(zhè)些外围(wéi)的(de)恒星早(zǎo)就(jiù)被甩(shuǎi)到(dào)宇宙当中(zhōng)了。基于(yú)这种现象，科学家们会(huì)使用(yòng)一种相对(duì)标准的方法来解(jiě)释暗物质的存在，这种(zhǒng)方法(fǎ)就是测量(liàng)星系当中(zhōng)气体在(zài)X轴上距离星(xīng)系中心的(de)距(jù)离，以及(jí)在Y轴上气(qì)体(tǐ)的旋转速度。如果(guǒ)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。

于是科学家们通过射电望远镜(jìng)测(cè)量了距离(lí)星系中心更远(yuǎn)距(jù)离的氢元素，发现它们的旋转速度并不符合牛(niú)顿的力学定律。我们的太阳系也不例(lì)外，太阳(yáng)系(xì)位(wèi)于银(yín)河系的第三(sān)悬(xuán)臂之上，距离银河(hé)系中心(xīn)2.6万光年，根(gēn)据万有引力定律进行计算，太阳系的运行速度应该是160千米/秒，但(dàn)实(shí)际上，太(tài)阳系正(zhèng)在以220千米/秒的速度(dù)围绕银河系旋(xuán)转，这个实(shí)际速度远远大于理论速度，那么产生以上(shàng)这种向心(xīn)加(jiā)速度的原因很可能(néng)就(jiù)是存在(zài)着一(yī)种我们看不到的(de)物质(zhì)，是(shì)这些暗物质的(de)引力效应将星系聚集在了一起。

也是从(cóng)这时开始，越来越多的研究人(rén)员开(kāi)始相信暗(àn)物质的(de)存在。科(kē)学家根据星(xīng)系(xì)外恒星轨(guǐ)道(dào)的(de)速度，估(gū)算在星系当中(zhōng)暗(àn)物质的质量(liàng)占整个星系质量的85%。但是(shì)，暗物(wù)质并不是唯一可以解(jiě)释这个(gè)现象的原因。在一项(xiàng)新(xīn)的研究当中，科学家(jiā)们(men)发(fā)现，几乎(hū)没有引力效应的遥远恒星之间，也会出现(xiàn)速度(dù)上的(de)微小差异。另外(wài)，天文学家还发(fā)现了一个反常的(de)星(xīng)系，叫做(zuò)Agc114905。这个(gè)星系距离地球大(dà)约(yuē)2.5亿光年(nián)，大小和银河系不多(duō)，但(dàn)是星系当中存在的恒(héng)星数量(liàng)却只有银河(hé)系的千分之一。

所(suǒ)以在理论上，该星系(xì)必须存在暗物质，否则就会分(fēn)崩(bēng)离(lí)析。但是科学家们使用最先(xiān)进的望远镜对其(qí)进行了(le)40个(gè)小时的详细测(cè)量(liàng)之后，发现(xiàn)星系中的恒星运动是(shì)可以用正(zhèng)常(cháng)的物质和力学定(dìng)律来(lái)解(jiě)释的。那(nà)么又(yòu)有人提出，也许该星系的暗物质，已经(jīng)被(bèi)附近(jìn)的(de)另一个大星(xīng)系剥离了。奇怪的(de)是(shì)，它的(de)附近没有任何星(xīng)系存在。造(zào)成这(zhè)些(xiē)现象的除了暗物质(zhì)的假(jiǎ)说之外，另一种可能就是(shì)人类对引(yǐn)力的(de)理解(jiě)还不够(gòu)全(quán)面(miàn)，引力很可能在不(bù)同尺度空间中的工(gōng)作方式(shì)是不同(tóng)的(de)，这意味着在行星系尺度(dù)中的天(tiān)体会沿着它(tā)们(men)的轨道，按照(zhào)我(wǒ)们所理解的(de)方式(shì)运(yùn)动。但(dàn)是上升到星(xīng)系和星团的尺度，引力之间的相(xiāng)互作用则(zé)是不同(tóng)的方(fāng)式。对(duì)于在星(xīng)系团(tuán)之间(jiān)的相互作用10的负3次方等于多少 10的负3次方平方厘米等于多少平方米，科学家还(hái)引入了外部场效应的概念，指的是在(zài)数百万光年的规模上，巨(jù)大的质量之间会产生对(duì)彼(bǐ)此特殊的效(xiào)果，这个理论叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙(méng)德(dé)理(lǐ)论成立(lì)，这意味(wèi)着我们需要对现在的物理定律进行修正(zhèng)，这些发(fā)现也让很多(duō)人认为(wèi)暗(àn)物质(zhì)假说理论就此(cǐ)终结(jié)。但是在(zài)宇宙(zhòu)当中还(hái)有(yǒu)关于暗物(wù)质(zhì)存在的其他的理论证据，这些理(lǐ)论证据是蒙(méng)德(dé)理(lǐ)论所没法解(jiě)释的“引力透(tòu)镜”。

径(jìng)向距离(lí)为37亿光年的(de)子弹星系团(tuán)，由(yóu)两个碰撞(zhuàng)的星系团(tuán)所组成，类似这(zhè)样的(de)星团，它们大部分的普通质量都(dōu)在(zài)星系(xì)的气体当(dāng)中(zhōng)。当星团以1000万(wàn)公里/小时发生(shēng)碰撞的时候，星际气(qì)体的(de)相(xiāng)互作(zuò)用就会导致温度的急(jí)剧升高(gāo)，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之后，子(zi)弹星系团大部分的质(zhì)量将(jiāng)位于所有(yǒu)这些(xiē)气体所在的中间区域。那么我(wǒ)们通过什么来(lái)验证它(tā)的质量区(qū)域到底是(shì)不是集中在中间呢？前不久，詹姆斯(sī)韦伯太(tài)空望远镜传回(huí)了(le)宇宙当(dāng)中第一张全(quán)彩的高清照片，在照(zhào)片中我们可(kě)以明显地看到很多星系似(shì)乎被拉伸产生了(le)巨大的(de)形变。其实这些星系本身并(bìng)不是真的(de)被扭曲了，也不(bù)是韦伯望远镜出了什么(me)问题，而是这样极遥远的天体和(hé)我们地球上(shàng)的观(guān)测者(zhě)之间。被(bèi)一(yī)个质(zhì)量(liàng)超(chāo)级巨大的天(tiān)体(tǐ)遮挡，这个超(chāo)大质(zhì)量的东西(xī)的引力，会使身后更遥(yáo)远星系的光都发生(shēng)了扭曲。这(zhè)个现象就是引力(lì)透镜效应(yīng)。这(zhè)个(gè)巨大的天体可能是超大质量(liàng)的黑洞或者是暗物质。

所以(yǐ)当人们对子弹星系团观测的时候(hòu)，发现它的大质量区域并(bìng)不(bù)是在中间，而是在两侧。所以最好的(de)解释方法就是当星团发(fā)生全部的碰(pèng)撞时(shí)，可被观测(cè)到的质(zhì)量气(qì)体(tǐ)被卡在了中间(jiān)，暗物质则(zé)直接通过了这个(gè)区域，并在(zài)两边形成了引力透镜。对(duì)子弹星系(xì)团的(de)引力透镜研究也(yě)被认为是暗物质存在的迄今为(wèi)止最好的(de)理论证据。

除此(cǐ)之外，还有来自宇(yǔ)宙当(dāng)中最古老(lǎo)的光。从宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年之(zhī)后，可(kě)见光终于可以畅通无(wú)阻地穿越在宇宙当(dāng)中了。经过了130多亿年之后(hòu)，这(zhè)些光在宇宙空间背(bèi)景上留下了各相同性(xìng)的(de)微波辐射。其中(zhōng)红(hóng)色的部分表示温度较高的区域，蓝色则表示相对较冷的区域，但(dàn)实(shí)际上它(tā)们(men)之(zhī)间的温差只(zhǐ)有万分(fēn)之一。

科学(xué)家(jiā)们(men)通过对前景背景(jǐng)分离后(hòu)的二值图像进(jìn)行连(lián)通域提取和标(biāo)记(jì)之后(hòu)发现(xiàn)，如果(guǒ)宇宙当中没有(yǒu)暗物质，图形看起(qǐ)来(lái)不应该是这(zhè)样的，而随着暗物质的增加，一些峰值的幅度会减(jiǎn)小，才变(biàn)得(dé)看起(qǐ)来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇宙微波背景辐射的测量值，我们(men)需要的暗物(wù)质大约是普通(tōng)物(wù)质的5倍。这个数字与解释星系当中(zhōng)恒星运动所需要(yào)的暗物质比例是一(yī)致的。这(zhè)就意味(wèi)着。

用(yòng)了一个简单(dān)的理论框架，就很好地解释了(le)很多不同的(de)观测结果。而暗(àn)物质的本质就是宇宙当中存在着某(mǒu)种类型的粒子，它们不参与(yǔ)任何(hé)其他的电(diàn)磁作用，只通(tōng)过引力(lì)来相互作(zuò)用。所(suǒ)以如果能够(gòu)找到这(zhè)种粒(lì)子的存在，就相当于(yú)找到(dào)了暗物质存在的实际证据。这种粒子到底是什么(me)？科学(xué)家(jiā)们(men)已经提出(chū)了数(shù)十种的假想目(mù)标(biāo)，而要寻(xún)找这(zhè)些不(bù)同的目标粒子(zi)所需要的实验方(fāng)式也不相同。在过去的几十年当中，人类为了寻找(zhǎo)这些看不见、摸不到，几乎不会与常规物质相互作用的“暗物质”，科学家们已经进行了超过50次的实(shí)验(yàn)，却没有任何(hé)实质(zhì)性的发(fā)现，除了一个(gè)地方，意大利的格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的(de)地下(xià)矿(kuàng)井当中，藏着(zhe)地球上最(zuì)大(dà)的(de)地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个(gè)三层楼(lóu)高的探测器，一直致力于寻找暗物质粒子的周(zhōu)期性震荡。

自1997年以(yǐ)来，这(z10的负3次方等于多少 10的负3次方平方厘米等于多少平方米hè)里(lǐ)的科学家(jiā)声称观测到了某种(zhǒng)信号(hào)。经过(guò)了20多年的数据(jù)收集，人们发现(xiàn)了一(yī)个有趣的(de)事情。探测率会在每年的(de)6月份达(dá)到峰(fēng)值(zhí)，然(rán)后(hòu)在11月降到(dào)最(zuì)低(dī)，而且在20年当中每年都(dōu)是一样。一些科学家(jiā)认为这可能(néng)是人类(lèi)发现暗物质的第一个直接证据。

但是为什么暗(àn)物质会产生周期性的(de)年度信号(hào)呢？刚才我们(men)讲了太阳系正(zhèng)在以220公里/秒的(de)速度围绕着(zhe)银河系进行(xíng)移(yí)动，那么(me)如(rú)果暗(àn)物质(zhì)存在(zài)宇宙当中，这意味着我们也在(zài)以这(zhè)样的速度在穿越(yuè)着(zhe)暗物(wù)质流(liú)，这个过程中会产生相应的振荡(dàng)，同时地(dì)球(qiú)又以30公里/秒的速度(dù)围(wéi)绕太阳进行旋转(zhuǎn)。所以有半年(nián)的时间，地球(qiú)围绕太(tài)阳的方向与太阳环(huán)绕银河(hé)系的方向(xiàng)是一致的，而另外半年则与之相反。

而在6月份的时候，地(dì)球与(yǔ)太阳的方(fāng)向正好达到完全(quán)一致，这是理论(lùn)上地球(qiú)穿越暗物质流最快的时段(duàn)。而在11月(yuè)份，又(yòu)恰(qià)好达到了最慢(màn)值。尽管在实际的(de)情况中(zhōng)，太阳系相对(duì)银河(hé)系的平(píng)面(miàn)呈(chéng)现了60度(dù)的倾斜(xié)，但是这并不影响这个(gè)理论的有效性。

因(yīn)此科(kē)学家(jiā)认为这可(kě)以用来解(jiě)释，研(yán)究人员们所观测到的周期性(xìng)信号。当然也可能有其他的(de)情况，造成这种年(nián)度周期(qī)信(xìn)号的差(chà)异也可能是温度、湿度、土壤中的水(shuǐ)分、高山上(shàng)的积雪，甚至(zhì)连意大利游客的数量也(yě)符合这(zhè)个周(zhōu)期(qī)的规(guī)律。

所以，科(kē)学家们(men)又(yòu)在南半球建立了(le)一个几乎相同的(de)实(shí)验(yàn)室，这里的季(jì)节与之前(qián)的实验室(shì)正(zhèng)好相(xiāng)反，而在(zài)这里，地球穿过暗物质流的运动特(tè)征和(hé)第一(yī)个实(shí)验(yàn)室(shì)是一样(yàng)的。

因此，如果(guǒ)在这(zhè)里可以得到相(xiāng)同的信号，就可以成为(wèi)暗物(wù)质(zhì)所存在的非常(cháng)有力的证据了(le)。但是由于这个实验室刚刚(gāng)建成不久，所以截至目前还无法提供相(xiāng)应的数据支(zhī)持。另外，在(zài)2025年(nián)，NASA将会发射一台(tái)新的(de)望远镜，这(zhè)台太(tài)空望远镜叫(jiào)做“南希格(gé)雷斯罗曼”，它的主镜大小跟(gēn)哈(hā)勃望(wàng)远镜相同，但它的宽视(shì)场(chǎng)仪(yí)器提供的视(shì)野是哈勃红外仪器的(de)100倍(bèi)。南希格雷(léi)斯罗曼(màn)太空望远镜(jìng)其中一个关键的用途就(jiù)是探(tàn)索暗物质背后的奥秘，对于探(tàn)测的结果，我们只能拭(shì)目(mù)以待了。费(fèi)米实验室粒子天体物理(lǐ)中(zhōng)心的科学家丹琥珀和贾(jiǎ)森斯特芬研究发(fā)现，如(rú)果暗物质存(cún)在，它们极(jí)有可能拥有另一种神秘的(de)效应，这种暗物质效(xiào)应，会支(zhī)持宇(yǔ)宙当(dāng)中生命的诞生，或(huò)者(zhě)说是生命进(jìn)化的一个重要因素。

如果这一理论(lùn)得到进一步(bù)的证实，那(nà)么遍布(bù)宇宙当中的暗物质会不(bù)会意(yì)味着人(rén)类并不孤单(dān)呢？或(huò)许(xǔ)在宇宙当中某(mǒu)个(gè)角落的行星上(shàng)，暗物(wù)质正在(zài)通过这样的效应创(chuàng)造(zào)生命。当然，这些推论的大前提是要先找(zhǎo)到暗物质(zhì)存在的实际证据。那么小伙伴们，你们觉得暗物质到底(dǐ)存不存在呢？喜欢(huān)请点赞，你的支(zhī)持是我更(gèng)新(xīn)的动力！

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