宇宙是(shì)“人为制造”的？为(wèi)何会存在科学无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又究(jiū)竟是(shì)什么？人类为了(le)寻找暗物质存在(zài)的证据，科学家们在过(guò)去的(de)几十年(nián)当中进行了超(chāo)过(guò)50次的长(zhǎng)期实验，但是却(què)没有发(fā)现(xiàn)任何的有效证据(jù)。除(chú)了(le)一(yī)个(gè)地方，在1687年(nián)出版(bǎn)的自(zì)然哲(zhé)学数学原理(lǐ)一书中，埃萨克牛顿发(fā)表了万(wàn)有引力定律，它(tā)揭示(shì)了宇宙中天体运动的规律。往后(hòu)的几(jǐ)百年来，当天文(wén)学(xué)家们发现某些(xiē)天体运行(xíng)轨道出现异常，不符合万有(yǒu)引力(lì)定律(lǜ)的(de)时候，他们就会知(zhī)道(dào)，周围一定有(yǒu)未知的(de)天体通过引力在摄动它的轨道。比如(rú)在1846年，奥本勒维耶(yé)就通过(guò)天王星运(yùn)行轨道的异(yì)常，推算并且(qiě)发现了海王(wáng)星的存(cún)在。另(lìng)外，哈雷彗星、冥王星的发现都是(shì)应用(yòng)万(wàn)有(yǒu)引力定律所取得重(zhòng)大天文成就的例子。但(dàn)是这(zhè)些发(fā)现都是在恒星系(xì)统的尺度(dù)当中(zhōng)，可当(dāng)我们(men)上升(shēng)到星系或(huò)者是(shì)星(xīng)团的尺度(dù)，事(shì)情就开始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞士的物理学(xué)家弗里茨兹威基正在研(yán)究和测量后发(fā)星系团的(de)质量(liàng)。这是一个由数千个星系所组成的巨大星系团，这些星系被引力束(shù)缚在一起。测量星系团的质量一(yī)般会(huì)使用(yòng)到两种(zhǒng)方(fāng)法，当两种方法结果(guǒ)一致，就可以确定其质量(liàng)的范围。

第一种是获得(dé)其"光度学的(de)质量(liàng)"，需要(yào)的数(shù)据是(shì)测(cè)量各个星系的光(guāng)度。

第二(èr)种是(shì)动力学质量的计算，是利用光谱(pǔ)红(hóng)移测量星系团中的各个星系(xì)相对于(yú)星系(xì)团的运(yùn)动速度。当测量结果出来之(zhī)后，兹威(wēi)基(jī)彻底(dǐ)懵了，“动(dòng)力(lì)学(xué)质量”竟(jìng)然是“光度学(xué)质量”的400倍(bèi)。这意味着，后发座星系(xì)团有99%的质(zhì)量消失(shī)了(le)，或者说这(zhè)99%的质量并(bìng)不以可(kě)见光的形式所存在(zài)，我们(men)无(wú)法(fǎ)看到。最(zuì)诡异的(de)是，在测量速度(dù)的过(guò)程(chéng)中，兹威基发现(xiàn)星系团中很(hěn)多星系的速(sù)度比(bǐ)理(lǐ)论(lùn)上要快得多，按照牛(niú)顿的运动学(xué)定律，仅靠这些可(kě)见星(xīng)系(xì)的质量所(suǒ)产生(shēng)的引力是(shì)无法将它们束缚(fù)在(zài)星系团内的(de)，它(tā)们早就应(yīng)该(gāi)被抛出星系团之外(wài)了，除非有(yǒu)一种神秘的力量在起作用，这种力量来源于某(mǒu)种隐形(xíng)的物质。

据此，兹维基提出元电荷e等于多少？了这样部分不可见的暗质，它不(bù)发散光(guāng)、吸(xī)光、反射(shè)光，但是它们却(què)占据(jù)着宇宙中绝大部分的质(zhì)量。只是当(dāng)时的人们对这(zhè)样的(de)一种说法不屑(xiè)一顾。

直到(dào)40年之(zhī)后(hòu)，“暗物(wù)质”这个词才再(zài)一次出现。天文学家维拉鲁宾和肯特福特在观测(cè)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(héng)星在其轨道上(shàng)的运行速度就会越(yuè)慢(màn)。但(dàn)是他们观测的结果(guǒ)却(què)让人感到不可思议。

随着与中心距离(lí)的(de)增加(jiā)，恒星的旋(xuán)转速度(dù)几乎(hū)保持不变。可是根(gēn)据牛顿的万有(yǒu)引力定律，在星系(xì)当(dāng)中如果没有足够大(dà)的质量来吸引(yǐn)它们，这些外围的恒星早就被甩到宇(yǔ)宙当中了(le)。基(jī)于这种现(xiàn)象，科学(xué)家们会使用一(yī)种(zhǒng)相对标准的(de)方(fāng)法(fǎ)来解(jiě)释暗物质的存在(zài)，这(zhè)种方(fāng)法就是测量(liàng)星系当中(zhōng)气体(tǐ)在X轴(zhóu)上距离星系中心的距(jù)离，以(yǐ)及在(zài)Y轴上气体的旋转(zhuǎn)速(sù)度。如果出现(xiàn)异常的结果，就认为是由暗物(wù)质的(de)力量(liàng)进入其中。

于是(shì)科学家(jiā)们(men)通过射(shè)电望(wàng)远(yuǎn)镜测量了距离星系中心更远距(jù)离的氢元素，发现它们的(de)旋转速度并(bìng)不符(fú)合(hé)牛顿的力学(xué)定律(lǜ)。我(wǒ)们的太阳系也不例外(wài)，太(tài)阳系位于银河系(xì)的第(dì)三悬臂(bì)之(zhī)上(shàng)，距离银河(hé)系(xì)中心2.6万光年，根(gēn)据万有引力(lì)定律进行计算(suàn)，太阳系(xì)的运行速度应该是(shì)160千(qiān)米/秒(miǎo)，但(dàn)实(shí)际上，太阳系正在(zài)以220千米/秒的速(sù)度围绕(rào)银(yín)河系旋(xuán)转，这个(gè)实际速度远远大于理论速度，那(nà)么产生以上(shàng)这种向心加速(sù)度的原因很可能就(jiù)是存在(zài)着一种我们看不到的(de)物质，是这些(xiē)暗物(wù)质的引力(lì)效应将星系(xì)聚(jù)集在了一起。

也是从这时开(kāi)始，越(yuè)来(lái)越多(duō)的(de)研究(jiū)人员(yuán)开(kāi)始相信暗(àn)物(wù)质(zhì)的存在。科学家(jiā)根据星系(xì)外(wài)恒星轨道(dào)的速度，估(gū)算在(zài)星系当中暗物(wù)质的质量占整(zhěng)个星(xīng)系质量的85%。但是，暗物质并不(bù)是(shì)唯(wéi)一可以解释这(zhè)个现(xiàn)象的原因(yīn)。在一项新的研究(jiū)当(dāng)中，科学(xué)家们发现，几乎没有引力效(xiào)应的遥远恒星之间，也会出现速度上的微小差异。另(lìng)外(wài)，天文学(xué)家还发现了(le)一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系距(jù)离地(dì)球大约2.5亿光(guāng)年，大小和银(yín)河系不多，但是星(xīng)系当中(zhōng)存在的恒星数量却只有银(yín)河系(xì)的千分之一。

所以(yǐ)在理论上，该星系必须存在暗物质，否则就会分崩离(lí)析。但是科学家们(men)使用最先进(jìn)的望(wàng)远(yuǎn)镜对其(qí)进行(xíng)了40个小时的详(xiáng)细(xì)测量(liàng)之后，发现(xiàn)星(xīng)系(xì)中的恒星运动是可以用正常的物(wù)质和力(lì)学定(dìng)律来解释的(de)。那(nà)么(me)又有人提出，也许该星系的(de)暗物质，已(yǐ)经被附近的另(lìng)一个(gè)大星系剥离了。奇怪(guài)的是(shì)，它的附近没(méi)有任何星(xīng)系存在。造成这些现象的除了暗物质的假(jiǎ)说之外，另一种可能就(jiù)是人类对引力的理解还不(bù)够全面，引(yǐn)力(lì)很(hěn)可(kě)能在不同尺度空间中的(de)工作方式是不(bù)同的，这(zhè)意味着在行星系(xì)尺度中的天体会沿(yán)着它们的轨道，按照我们所理(lǐ)解的方式运动。但是上升到星系和星团的尺度(dù)，引(yǐn)力之间的(de)相互作用则是(shì)不同的方式(shì)。对于在星(xīng)系团之间(jiān)的相互作用(yòng)，科学家还引(yǐn)入了外部场效应的(de)概念，指(zhǐ)的是(shì)在数百万(wàn)光年的规(guī)模上，巨(jù)大的质量之间会产生对彼(bǐ)此特殊(shū)的(de)效果，这(zhè)个理论叫做MOND蒙德理论(lùn)。如果MOND蒙德理论成立，这(zhè)意味着我们需要对现在的物理定律进行(xíng)修正，这(zhè)些发现也让很多人认(rèn)为暗(àn)物质假说理(lǐ)论就此终结。但(dàn)是在宇(yǔ)宙当中还有关于暗物质存在的(de)其他(tā)的理论证据，这些(xiē)理论证据是(shì)蒙德理(lǐ)论所(suǒ)没法解(jiě)释的“引力透镜”。

径向距离为37亿光年的(de)子弹(dàn)星系(xì)团，由两个碰撞的星(xīng)系团(tuán)所组成，类似这(zhè)样的星团，它们大部分(fēn)的普通质量都在星系的气体当中(zhōng)。当星团以1000万(wàn)公里/小(xiǎo)时发生(shēng)碰(pèng)撞的(de)时候，星际气体的相互作用(yòng)就(jiù)会(huì)导致温度的(de)急剧(jù)升(shēng)高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之后，子弹星系(xì)团大部分(fēn)的质量(liàng)将位(wèi)于(yú)所有这些气体所在的中间(jiān)区域。那么我们通过什么来验证它的质(zhì)量区(qū)域(yù)到底是(shì)不(bù)是集中在中间呢？前不久，詹姆斯(sī)韦伯太空望远镜(jìng)传回了(le)宇宙(zhòu)当中第一(yī)张全彩的高(gāo)清照片，在(zài)照片中我(wǒ)们可以明显地看到很多星系似乎(hū)被拉伸产(chǎn)生了巨大的形变。其(qí)实(shí)这些(xiē)星系本(běn)身(shēn)并不是真的被扭曲了，也不是(shì)韦伯望远镜出(chū)了(le)什么问题，而是这样极遥远的天体和我们(men)地(dì)球上的观测者之间。被一个质量超级巨大的天体遮挡(dǎng)，这个(gè)超大质(zhì)量的(de)东西(xī)的(de)引力，会使身后更遥远星(xīng)系(xì)的光都(dōu)发(fā)生了扭曲。这(zhè)个现象就是引力透镜(jìng)效应。这(zhè)个巨大的天体可(kě)能是(shì)超大质量的黑洞或者是暗物质。

所以当人们对子(zi)弹星(xīng)系团观测的(de)时(shí)候，发现它的(de)大质量区域(yù)并(bìng)不(bù)是在中间，而是(shì)在两(liǎng)侧。所以最好的解(jiě)释方(fāng)法就是(shì)当星(xīng)团发生全部的碰撞时，可被(bèi)观测到的质量(liàng)气(qì)体被卡在了(le)中间，暗物质则直(zhí)接通(tōng)过了这个(gè)区域，并在两边形(xíng)成了(le)引力透镜。对子弹星系团(tuán)的引力透(tòu)镜研究(jiū)也被认为是暗物(wù)质存(cún)在的迄今为(wèi)止最(zuì)好的理论证据。

除此之外，还(hái)有来自(zì)宇宙当中(zhōng)最古老的光。从宇宙(zhòu)大爆(bào)炸开始，38万年之后，可(kě)见光终于可以畅通(tōng)无阻地(dì)穿(chuān)越在宇(yǔ)宙当中了。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙(zhòu)空间(jiān)背景(jǐng)上留(liú)下了各相同性(xìng)的微波(bō)辐射(shè)。其中红色的部(bù)分表示温(wēn)度较高的区域，蓝(lán)色则表示相对较冷(lěng)的区域，但实际上它(tā)们之间的温差只(zhǐ)有万分之一。

科学家们(men)通过对前景背景分离后的二值图像(xiàng)进行连(lián)通域提(tí)取和标记(jì)之后发(fā)现，如果(guǒ)宇宙(zhòu)当(dāng)中没有(yǒu)暗物(wù)质，图形看起来不应该是这(zhè)样的，而随着暗物质的增加，一些峰值的(de)幅度会(huì)减小，才(cái)变得(dé)看起来“和谐”。为了(le)匹配宇宙微波背景辐(fú)射(shè)的测量(liàng)值，我(wǒ)们需要的暗(àn)物质大约是普通物质的5倍。这个(gè)数字(zì)与解释(shì)星(xīng)系(xì)当中恒(héng)星运动所需要的暗物质(zhì)比例是一致的。这就意(yì)味(wèi)着。

用了一个简单的理论框架，就(jiù)很好地解释了很多(duō)不同(tóng)的观测结果。而暗(àn)物质的本质(zhì)就(jiù)是宇(yǔ)宙(zhòu)当中(zhōng)存在着某种(zhǒng)类型的粒子(zi)，它们不(bù)参与任何其(qí)他的电(diàn)磁作用，只通过(guò)引力来相(xiāng)互作用。所(suǒ)以(yǐ)如果能够找到这种粒(lì)子的存在，就相当(dāng)于找到了暗物质存在的(de)实(shí)际证(zhèng)据(jù)。这种粒子到底(dǐ)是什么？科学家(jiā)们已经(jīng)提出了数十(shí)种的假(jiǎ)想(xiǎng)目标，而要寻找这(zhè)些不同的目标粒子所需(xū)要(yào)的实验(yàn)方式也不相(xiāng)同。在(zài)过去的几十年当中，人(rén)类为了寻找(zhǎo)这些看(kàn)不见(jiàn)、摸不到，几乎(hū)不会(huì)与常规物质相(xiāng)互作用的“暗物质”，科(kē)学家们已经进行(xíng)了超过50次的(de)实验(yàn)，却(què)没有任(rèn)何实(shí)质性的(de)发(fā)现，除(chú)了一个(gè)地方(fāng)，意(yì)大利的格兰萨索山(shān)，隶属于阿尔卑斯山(shān)脉。

在山下(xià)1400米处的(de)地下(xià)矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏着地球上(shàng)最大的地学实(shí)验室，这个实(shí)验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个三层楼高的探测器，一直致力(lì)于寻找暗物质粒子的周期性震(zhèn)荡。

自1997年以来(lái)，这里(lǐ)的科(kē)学(xué)家声称(chēng)观测到了某种信(xìn)号。经过(guò)了20多年的数据收集，人们发(fā)现了(le)一(yī)个有趣(qù)的事情。探测率会(huì)在每年(nián)的(de)6月份达到峰值，然后在11月降(jiàng)到最低(dī)，而且(qiě)在20年当中每年都是(shì)一样。一些科(kē)学家认为这可能是人类发现(xiàn)暗(àn)物质的第一个直接证据。

但(dàn)是为什么暗物质会产(chǎn)生周期(qī)性的年度信号呢？刚才我们讲(jiǎng)了太阳(yáng)系正在以220公里(lǐ)/秒(miǎo)的速度(dù)围(wéi)绕着银河系(xì)进行(xíng)移动，那(nà)么如(rú)果暗物质存在宇宙当(dāng)中，这意(yì)味着我们(men)也在以这样的速度(dù)在(zài)穿(chuān)越着暗物(wù)质流，这个过程中(zhōng)会产生相应的振(zhèn)荡，同时地球又以30公里/秒的速度围绕(rào)太阳进行(xíng)旋(xuán)转(zhuǎn)。所以有(yǒu)半年的时间，地(dì)球围绕太阳(yáng)的(de)方(fāng)向与太(tài)阳环(huán)绕(rào)银(yín)河系的方(fāng)向是(shì)一致(zhì)的，而另外半(bàn)年则(zé)与之(zhī)相反。

而在6月(yuè)份的时候，地球与(yǔ)太阳(yáng)的方向(xiàng)正好达(dá)到完全(quán)一致，这是理论上(shàng)地球穿越(yuè)暗物质(zhì)流最快的时(shí)段。而在11月份，又恰好达(dá)到(dào)了最(zuì)慢(màn)值(zhí)。尽管(guǎn)在实际的(de)情况中，太阳系相对银河系的平面呈现(xiàn)了60度的倾斜，但是这并不影(yǐng)响这个理论(lùn)的有效性。

因此科学家认(rèn)为这可以用来解释，研(yán)究人(rén)员们(men)所观测到(dào)的(de)周期性信(xìn)号(hào)。当然也可能有(yǒu)其他(tā)的情况，造成(chéng)这种年(nián)度周期信号(hào)的差异也(yě)可能是温度、湿度、土壤中的水分、高(gāo)山上(shàng)的积雪，甚至连意大利游客(kè)的数量(liàng)也符合这个周期的规律。

所以，科学家们又在南半(bàn)球建立了一(yī)个(gè)几乎(hū)相同(tóng)的实验室(shì)，这里的季节与之前的实(shí)验室(shì)正好(hǎo)相反，而在这(zhè)里，地球穿过暗物质流的运动特(tè)征和第一个实验室是一样的(de)。

因此，如果在(zài)这里可(kě)以(yǐ)得到(dào)相(xiāng)同的信号(hào)，就可以成为暗物质所(suǒ)存(cún)在的非常有(yǒu)力的证据了。但是由于这个实验室刚刚建成不久，所以截(jié)至目前还无法(fǎ)提供相应的(de)数据支持。另(lìng)外，在2025年(nián)，NASA将会发射一(yī)台(tái)新的(de)望远镜，这(zhè)台太空(kōng)望(wàng)远镜叫做“南希格(gé)雷斯罗曼”，它的(de)主(zhǔ)镜大小跟哈勃望(wàng)远镜相同(tóng)，但它(tā)的宽视场仪器提供的视野是哈勃红(hóng)外仪器的(de)100倍(bèi)。南希格雷斯罗(luó)曼太空望远镜其中一个关键的用(yòng)途就(jiù)是探索暗(àn)物质背后的奥(ào)秘，对于探测的(de)结果，我(wǒ)们(men)只能拭(shì)目以待了。费米(mǐ)实验室粒子天(tiān)体物理中心的科学家丹(dān)琥珀(pò)和贾(jiǎ)森斯特芬研究发现，如果暗物质存在，它(tā)们极有可(kě)能拥(yōng)有另一种神秘的效应，这种(zhǒng)暗物质(zhì)效(xiào)应，会支持(chí)宇宙当中生(shēng)命的诞生，或者说是生命进化的一个(gè)重要因素(sù)。

如果这一理论得到进一步的证实(shí)，那么遍布宇宙当中的(de)暗物质会不会意味着人类(lèi)并不孤单呢？或许在宇宙当中某个(gè)角落的行星上，暗物(wù)质正(zhèng)在(zài)通过这样的效应创造生命(mìng)。当然(rán)，这些(xiē)推论的大前提是要(yào)先找到(dào)暗(àn)物质存在的实(shí)际(jì)证据。那么(me)小伙伴们，你们觉得暗物质到(dào)底(dǐ)存不存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是我更新(xīn)的动力！

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