宇宙是“人为制造”的(de)？为何(hé)会存在科学无法(fǎ)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)存在的证据，科(kē)学家们在(zài)过去的几十年当中进行了超过50次的(de)长期实验，但是(shì)却没有(yǒu)发(fā)现任何的(de)有效证(zhèng)据。除(chú)了一个地方，在1687年出版的(de)自然哲学数学原理一书中(zhōng)，埃萨克牛(niú)顿发表了(le)万有引(yǐn)力定律，它揭示了(le)宇宙中天体运动的规律。往后的几百(bǎi)年(nián)来(lái)，当天文学家们发现(xiàn)某(mǒu)些天(tiān)体(tǐ)运行(xíng)轨道(dào)出现异(yì)常(cháng)，不符(fú)合万有引力定律的(de)时候(hòu)，他们就(jiù)会(huì)知道，周围一(yī)定有(yǒu)未知的天体通过(guò)引力在摄动它的轨道。比如在1846年，奥本勒维耶就通(tōng)过天王星(xīng)运行(xíng)轨(guǐ)道的异常，推算并且(qiě)发现了(le)海王星的存在(zài)。另外(wài)，哈雷(léi)彗星、冥王星(xīng)的发现(xiàn)都是应用万(wàn)有引力定(dìng)律(lǜ)所取得重大天文(wén)成就的(de)例子。但(dàn)是这些发现(xiàn)都是在恒星系统的尺(chǐ)度当中，可(kě)当我(wǒ)们上(shàng)升(shēng)到星系或者是星团的尺度，事情(qíng)就开始变得(dé)诡(guǐ)异了。

1933年(nián)，瑞士(shì)的物理学家弗(fú)里茨兹威基(jī)正在研(yán)究和(hé)测量后发星系团(tuán)的(de)质(zhì)量。这(zhè)是一个由数千个星系(xì)所组成的巨大(dà)星系团，这些星系被引力束缚在一起。测量星系(xì)团的质量一般会使(shǐ)用到两种方法，当两种方法(fǎ)结(jié)果一(yī)致，就可以确定其质(zhì)量的范(fàn)围。

第一种是获得其"光(guāng)度学(xué)的质量"，需要的数据是测量(liàng)各个(gè)星系(xì)的(de)光度(dù)。

第二种(zhǒng)是动力学质(zhì)量的计(jì)算(suàn)，是利用光(guāng)谱红移(yí)测(cè)量星系团(tuán)中的(de)各个(gè)星系相对于(yú)星系(xì)团的运动速度(dù)。当测量结果出来之后，兹威基彻底(dǐ)懵了(le)，“动力学质量(liàng)”竟然是“光度学质量”的400倍。这意味着，后(hòu)发座星(xīng)系(xì)团有99%的质(zhì)量(liàng)消失了，或者说这99%的质量并不以可见光(guāng)的(de)形式所(suǒ)存在，我们无(wú)法看(kàn)到。最诡异的是，在测量速(sù)度的过程(chéng)中(zhōng)，兹(zī)威(wēi)基发现星系团中很多星系的速度(dù)比(bǐ)理论上要快得多，按照牛顿的运动学定律，仅靠这些(xiē)可见(jiàn)星系(xì)的质量所产生的引力是(shì)无法将它(tā)们束缚(fù)在星系(xì)团内的，它们(men)早就应该被抛出星系团之外了，除非(fēi)有一种神秘的力量在起作用，这种力量来源于(yú)某(mǒu)种(zhǒng)隐形的物质。

据此，兹维(wéi)基(jī)提出了这样部分(fēn)不可(kě)见(jiàn)的暗(àn)质，它不发散光、吸光(guāng)、反射(shè)光，但是它们却占(zhàn)据着(zhe)宇宙(zhòu)中绝大部(bù)分的(de)质量。只是当时的人们(men)对这样的一种说(shuō)法不(bù)屑一顾。

直到40年之后，“暗(àn)物(wù)质”这个词(cí)才再一次出(chū)现。天(tiān)文学家维拉鲁宾和肯特福特在观测仙女座星系(xì)中的(de)恒星运动(dòng)。理论上来(lái)说，距离(lí)中心(xīn)越(yuè)远的恒星在其轨道上的(de)运行速度就会(huì)越慢。但是他们观测的结果却(què)让人感到不可思议。

随着(zhe)与中心距离的(de)增加，恒星的(de)旋(xuán)转速度几乎保(bǎo)持不(bù)变(biàn)。可是根(gēn)据牛顿的万有引(yǐn)力定律，在星系当中如果没有(yǒu)足够大的质量来吸引它们，这些外围的恒星(xīng)早就被甩到(dào)宇(yǔ)宙当中(zhōng)了。基于这种现象，科学家(jiā)们会(huì)使用一(yī)种(zhǒng)相对标准的方法来(lái)解释暗(àn)物质的存在，这种方法就(jiù)是测量星系当中(zhōng)气体(tǐ)在(zài)X轴上距离星系(xì)中心的距离，以及在(zài)Y轴上气体的旋转速度。如果出现异常(cháng)的(de)结果，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是科学家们通过射(shè)电望远镜测(cè)量了(le)距离(lí)星系(xì)中心(xīn)更远距离的氢元素，发(fā)现它们(men)的旋转速度并不符合牛顿的力学定(dìng)律。我们的太阳系也不例外，太阳系(xì)位于银(yín)河(hé)系的第三悬臂(bì)之(zhī)上(shàng)，距离银河(hé)系中(zhōng)心2.6万光年，根据万有引力(lì)定律进行计(jì)算，太阳系的运行速度应(yīng)该是(shì)160千米(mǐ)/秒，但(dàn)实际上，太阳(yáng)系正在以220千米/秒的速度围绕(rào)银河系旋转，这(zhè)个实际(jì)速度(dù)远远大于理论(lùn)速(sù)度，那么(me)产生以上这种向(xiàng)心加速度的原因很可能就是存在(zài)着一种我们看不到(dào)的物质，是这(zhè)些暗物质的引力效应将(jiāng)星系聚集在了一起。

也是(shì)从这时开(kāi)始，越来越多的研究人员开始相信暗物质的存在。科学家根(gēn)据星系外恒星轨道的速度，估算(suàn)在星系当中暗物质的质量占整个星(xīng)系(xì)质量的85%。但是，暗物质并不是(shì)唯一可以解释这个(gè)现象的原(yuán)因。在一项新的(de)研究当中，科学家们发现，几乎没有引力(lì)效应的遥远恒(héng)星之间(jiān)，也会(huì)出现速度上的(de)微小差异(yì)。另外，天(tiān)文(wén)学家还发现了(le)一(yī)个(gè)反常的星系(xì)，叫做Agc114905。这个星(xīng)系距(jù)离(lí)地(dì)球大约2.5亿光年(nián)，大(dà)小和银河系不多，但(dàn)是星系(xì)当(dāng)中存(cún)在的(de)恒星数量却只有银河系的千分(fēn)之一。

所以(yǐ)在理论上，该星(xīng)系(xì)必须存在暗物质(zhì)，否(fǒu)则就会分崩离析。但是科学家们使用最先进的望远镜(jìng)对其进行了40个(gè)小时(shí)的详(xiáng)细测量之后，发现星系中的恒星(xīng)运动是(shì)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(gāi)星系(xì)的暗物质，已(yǐ)经(jīng)被附近的另(lìng)一个大星系剥离了(le)。奇怪的是，它的附近没有任何星系存在。造成这些(xiē)现象的除了暗物质的假说之外，另一种可能就(jiù)是(shì)人(rén)类对引力的(de)理解还不够全面，引力很可能在(zài)不(bù)同尺度(dù)空间中的工(gōng)作方式是不同的，这意味着在(zài)行星系尺度中的(de)天体会(huì)沿着(zhe)它们的轨(guǐ)道(dào)，按照我们(men)所理解的方式(shì)运(yùn)动(dòng)。但是上升到星系和星团的尺(chǐ)度(dù)，引力之间的(de)相互作用(yòng)则是(shì)不(bù)同的方式。对(duì)于在星系团之间的相互作用，科学家还(hái)引入了外(wài)部(bù)场(chǎng)效应(yīng)的概念，指(zhǐ)的是在(zài)数百万光年(nián)的(de)规(guī)模上，巨大的质量(liàng)之间会产生对彼此特殊的效果，这个(gè)理论叫做(zuò)MOND蒙德理(lǐ)论。如果MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成立，这(zhè)意(yì)味(wèi)着我们需要(yào)对现在的物(wù)理定律进行修(xiū)正，这些发(fā)现也让(ràng)很(hěn)多人认(rèn)为暗物质假(jiǎ)说理论就此终结。但是在宇宙(zhòu)当(dāng)中还有(yǒu)关(guān)于暗物质存在的其他的(de)理论证(zhèng)据，这些理论证据(jù)是蒙德理论所没法(fǎ)解释的“引力(lì)透(tòu)镜”。

径(jìng)向距离为(wèi)37亿光年的子弹星(xīng)系(xì)团，由两个(gè)碰撞的星系团所组成，类似这样的星团(tuán)，它们大部分(fēn)的普(pǔ)通(tōng)质(zhì)量都在星系的气体(tǐ)当中。当星团(tuán)以(yǐ)1000万公里/小(xiǎo)时发(fā)生(shēng)碰撞的时候，星际气体的(de)相(xiāng)互(hù)作用就会(huì)导致温(wēn)度的急剧升高(gāo)，速度大(dà)幅降低。所以(yǐ)在(zài)理论上，在碰撞之后(hòu)，子(zi)弹(dàn)星系团大部(bù)分的质(zhì)量将(jiāng)位于所有这(zhè)些气体所在(zài)的中间(jiān)区域(yù)。那么我(wǒ)们通过(guò)什(shén)么来验证(zhèng)它的质量(liàng)区(qū)域到底是不是集中(zhōng)在(zài)中间(jiān)呢？前不久，詹姆(mǔ)斯韦(wéi)伯太空(kōng)望远镜(jìng)传回(huí)了(le)宇宙当(dāng)中第一张全彩的(de)高清照片，在(zài)照片(piàn)中我们可(kě)以明显地看到(dào)很(hěn)多星(xīng)系似乎被拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其(qí)实这些星系本身并不是真的被扭曲了(le)，也(yě)不是韦(wéi)伯(bó)望远镜出了什么问题，而(ér)是(shì)这样极遥远的天体(tǐ)和我们地球上的(de)观(guān)测者之间(jiān)。被一个(gè)质量超(chāo)级(jí)巨大的天(tiān)体遮挡(dǎng)，这个超大质量的东西(xī)的引(yǐn)力，会使身后更遥远(yuǎn)星(xīng)系的(de)光都发(fā)生了扭曲(qū)。这个现象就(jiù)是引力透镜效应。这个巨(jù)大的天体(tǐ)可能是(shì)超大质量的黑(hēi)洞(dòng)或(huò)者是(shì)暗物(wù)质(zhì)。

所(suǒ)以当人们(men)对子弹星系团(tuán)观测的时(shí)候，发现它的大质(zhì)量区域并不是在中间(jiān)，而(ér)是在两(liǎng)侧。所以(yǐ)最好的(de)解释(shì)方(fāng)法就是(shì)当星团发生全部的碰撞时，可(kě)被观测到(dào)的质(zhì)量气体被卡在了中(zhōng)间(jiān)，暗物质则直接(jiē)通过了这个区域，并在两边形(xíng)成了引(yǐn)力透(tòu)镜。对子(zi)弹星(xīng)系团的引力透镜研(yán)究也被认(rèn)为(wèi)是暗物质存(cún)在的迄今为止最好的理论证据。

除此之(zhī)外，还(hái)有来自宇宙当(dāng)中最古(gǔ)老的光(guāng)。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之(zhī)后，可见光终于可以畅(chàng)通(tōng)无阻地穿越在宇宙当中了(le)。经(jīng)过(guò)了130多亿年之后，这些光(guāng)在宇宙(zhòu)空间背景(jǐng)上(shàng)留(liú)下了各相同(tóng)性的(de)微波(bō)辐射。其中红色的部分表(biǎo)示温度较高的(de)区域(yù)，蓝色则表示相对较(jiào)冷的区域，但(dàn)实际上它们之(zhī)间的温(wēn)差(chà)只有万分(fēn)之一。

科(kē)学家们通过对前景背(bèi)景分离后的(de)二值图(tú)像进行(xíng)连通域提取和标记之(zhī)后发现，如果宇宙当中(zhōng)没有暗物质，图形看(kàn)起来不(bù)应(yīng)该是(shì)这(zhè)样的，而(ér)随着(zhe)暗物质的增(zēng)加，一些(xiē)峰值的幅度(dù)会减小，才变(biàn)得看起来“和(hé)谐”。为了匹配宇(yǔ)宙(zhòu)微波(bō)背景辐(fú)射的测量(liàng)值，我(wǒ)们(men)需要的暗物质(zhì)大约是普(pǔ)通物质的5倍(bèi)。这(zhè)个数字与(yǔ)解释(shì)星系当中恒星运动(dòng)所需要(yào)的暗物质比(bǐ)例是一致的。这就意味着。

用(yòng)了(le)一(yī)个简(jiǎn)单(dān)的理论(lùn)框架，就很好地解释了很多不同的观测(cè)结(jié)果。而暗物质的本质就是宇(yǔ)宙当(dāng)中存在着某种类(lèi)型的粒子，它(tā)们(men)不(bù)参与任(rèn)何其他的电(diàn)磁作(zuò)用，只通过引力来相互作用。所以如果能够(gòu)找到这种粒子的(de)存在，就相(xiāng)当于找(zhǎo)到(dào)了暗物(wù)质存在的(de)实际证据。这(zhè)种粒(lì)子到(dào)底是(shì)什(shén)么？科学家们已经提出了(le)数(shù)十种的(de)假想(xiǎng)目标，而要寻(xún)找这(zhè)些不同的目标粒子(zi)所(suǒ)需要的实验方式也不相同。在过去的(de)几十年当中，人类为了寻找这些看不见(jiàn)、摸不到，几乎不会与常(cháng)规物质相互作用(yòng)的“暗物质”，科学家们(men)已经进行(xíng)了(le)超过(guò)50次的(de)实验(yàn)，却没(méi)有(yǒu)任何实质性的发(fā)现，除了一(yī)个(gè)地(dì)方(fāng)，意大利的格兰萨索山，隶属(shǔ)于(yú)阿尔(ěr)卑斯(sī)山脉。

在山下(xià)1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着地球上最(zuì)大的(de)地学实验室(shì)，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三(sān)层楼(lóu)高的探测器，一(yī)直致力于寻找暗(àn)物质粒子的周(zhōu)期(qī)性震荡(dàng)。

自1997年以来，这里的科学家(jiā)声称观测到(dào)了某(mǒu)种信号。经过了20多年的数(shù)据收(shōu)集，人们发现了(le)一个(gè)有趣的事情(qíng)。探测率会在每年(nián)的(de)6月(yuè)份纸张是16k大还是32k大 16k纸和32k纸有什么区别达到峰值，然后在(zài)11月降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年(nián)都是一样。一些(xiē)科学家(jiā)认为这(zhè)可(kě)能是人类发现暗物(wù)质的第一(yī)个(gè)直接证据。

但是为什么暗物质(zhì)会产(chǎn)生周(zhōu)期性的(de)年(nián)度信号呢(ne)？刚才我们讲了太阳(yáng)系正在(zài)以220公里/秒的速度围绕着银(yín)河系进行移(yí)动，那么如(rú)果暗物质存在宇宙(zhòu)当中，这意味(wèi)着我们也在以这样的(de)速度在穿越(yuè)着暗物质流，这个(gè)过程中会产生相应的振荡，同(tóng)时地球又以30公里/秒的速度围绕太阳进(jìn)行(xíng)旋转。所以(yǐ)有半(bàn)年的时间，地球围绕太阳(yáng)的方向与太(tài)阳环绕银河(hé)系的方(fāng)向是一致的(de)，而另外(wài)半年则与之(zhī)相反。

而在6月份(fèn)的时(shí)候，地球与太(tài)阳的方(fāng)向正(zhèng)好达(dá)到完全一致，这是理论上地球穿越暗物质流(liú)最快的时(shí)段。而在11月份(fèn)，又恰好达到了(le)最慢值。尽管在(zài)实际的(de)情况中(zhōng)，太阳系相对银河系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这(zhè)并不(bù)影响这个理(lǐ)论的有效(xiào)性。

因此科学(xué)家认为这可以(yǐ)用来解释(shì)，研究(jiū)人(rén)员(yuán)们所观测到的周期(qī)性信号(hào)。当然(rán)也可能有其他的(de)情况(kuàng)，造(zào)成这种年度周期信号的差(chà)异也可(kě)能是温度、湿度、土壤中的水分(fēn)、高(gāo)山上的积雪，甚至连意大(dà)利游客(kè)的数量也(yě)符合这个周(zhōu)期的(de)规律。

所(suǒ)以，科学家们又在南半球(qiú)建(jiàn)立(lì)了(le)一个几乎相(xiāng)同的实验室，这里的季节与之前的实验室正好相反(fǎn)，而在这里，地球(qiú)穿过暗物质流的运(yùn)动特征和第一个实验室(shì)是一样的(de)。

因此，如果(guǒ)在(zài)这里可以得到相同的信号，就可以成为暗(àn)物质(zhì)所存在的(de)非常(cháng)有力的(de)证据了。但(dàn)是由(yóu)于这个(gè)实验室刚刚(gāng)建成不久，所以截至目前(qián)还无法提(tí)供相应的(de)数据支(zhī)持(chí)。另外，在(zài)2025年，NASA将(jiāng)会(huì)发射一台新(xīn)的(de)望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫做“南希格雷斯罗(luó)曼”，它的(de)主镜大小(xiǎo)跟哈勃(bó)望(wàng)远镜相同(tóng)，但(dàn)它的宽视场仪(yí)器(qì)提(tí)供的(de)视野是哈(hā)勃红外(wài)仪器的100倍(bèi)。南希(xī)格(gé)雷斯罗曼太空(kōng)望(wàng)远镜其中一个关(guān)键(jiàn)的用途就是探索暗物质背后的奥秘，对于(yú)探(tàn)测的(de)结果，我们只能拭目以待(dài)了(le)。费米(mǐ)实验室粒子(zi)天(tiān)体(tǐ)物理(lǐ)中心的科学家(jiā)丹(dān)琥珀和贾森斯(sī)特芬(fēn)研究(jiū)发现，如果暗物质存在，它们(men)极有可能拥有另一种神秘的效应，这(zhè)种暗物质效应，会支持宇宙当中生(shēng)命的诞生(shēng)，或者(zhě)说是生命进化的一个重要(yào)因素。

如果这(zhè)一(yī)理(lǐ)论得到进一步的证(zhèng)实，那么(me)遍布宇宙当中(zhōng)的暗物(wù)质会不会意(yì)味着人(rén)类(lèi)并不孤单(dān)呢(ne)？或许在宇宙当中某个角(jiǎo)落的行(xíng)星(xīng)上，暗物(wù)质正在通过这样的效应创造生命。当然，这些推论的(de)大前(qián)提是要先找到暗(àn)物质存在(zài)的实际证据。那么小伙伴们，你们觉(jué)得暗物质(zhì)到底存不存在呢(ne)？喜欢请点赞，你的(de)支持是(shì)我(wǒ)更新(xīn)的动力(lì)！

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