宇宙(zhòu)是“人为制(zhì)造(zào)”的(de)？为何会存在科学无法(fǎ)解(jiě)释的“暗(àn)物(wù)质”？暗物质又(yòu)究竟是什么？人类为了寻找暗物质存在的证(zhèng)据，科学家们(men)在过去的几十年当中进行了超过50次的长期实验(yàn)，但是却(què)没有发现任何的有效证据(jù)。除了一个(gè)地方，在1687年(nián)出(chū)版的(de)自然哲学数学原理一书中，埃萨克牛顿发表(biǎo)了(le)万有引力定律，它揭(jiē)示(shì)了(le)宇宙中天体运(yùn)动的规律。往后的几百年来，当天文学家(jiā)们(men)发现某些天(tiān)体运行(xíng)轨道出(chū)现异常(cháng)，不符合万有引力定(dìng)律(lǜ)的时候，他们(men)就会知道(dào)，周围一定有未知的天体通过引力在摄动(dòng)它的轨道(dào)。比如在1846年，奥本(běn)勒维耶就(jiù)通过天(tiān)王星运行(xíng)轨道的异常，推(tuī)算并且发(fā)现了海王(wáng)星(xīng)的存在。另外，哈(hā)雷彗星、冥王星的发现(xiàn)都是应(yīng)用万有引力定律(lǜ)所取得重(zhòng)大(dà)天文成(chéng)就的例子。但是这些发现都是在(zài)恒星系(xì)统的尺度(dù)当中，可当我们上升到星系或者是星团(tuán)的尺度，事情就(jiù)开始(shǐ)变得(dé)诡(guǐ)异了(le)。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威基正在研究和(hé)测量后发星(xīng)系团的质量(liàng)。这是一个由数千(qiān)个星(xīng)系所组成的巨大(dà)星系(xì)团，这些星系被引力束缚在一(yī)起。测(cè)量星(xīng)系团的质量一般会使用到两(liǎng)种方法，当两种方法结(jié)果一(yī)致，就可以确定其(qí)质量的范围。

第一种是获得(dé)其"光度学的(de)质量"，需要的数据是测量各个(gè)星系(xì)的光度。

第二(èr)种(zhǒng)是动力(lì)学质量的计算，是利用光谱红移(yí)测量星系团(tuán)中的各个(gè)星(xīng)系(xì)相(xiāng)对(duì)于星系团的运动速(sù)度。当测(cè)量结果出来之后(hòu)，兹威基(jī)彻(chè)底(dǐ)懵了，“动力学质量”竟然(rán)是“光度学(xué)质量(liàng)”的400倍。这意味着(zhe)，后发座星系团有(yǒu)99%的质量(liàng)消(xiāo)失了，或者说(shuō)这99%的质量(liàng)并不以可见光的(de)形式所(suǒ)存在，我们无法看到。最(zuì)诡异(yì)的(de)是，在测(cè)量速度(dù)的过程中，兹威基(jī)发现星系团中很多星系的速(sù)度比(bǐ)理论上要快得多，按照牛顿的运(yùn)动学(xué)定律，仅(jǐn)靠这些可见星系(xì)的质量所产生的(de)引力是无法将它们束缚(fù)在(zài)星系团(tuán)内的，它们早就应该被(bèi)抛出星系团之外(wài)了，除非有一种神秘的(de)力量(liàng)在(zài)起作用，这种力(lì)量来源于某种隐形的物(wù)质。

据(jù)此(cǐ)，兹维基提出(chū)了这样部(bù)分(fēn)不可见的暗(àn)质，它不发(fā)散光、吸(xī)光、反射光，但是它们(men)却占据着宇宙中(zhōng)绝大部(bù)分的质量。只是当时(shí)的人(rén)们对这样的一种说法不(bù)屑(xiè)一顾。

直到40年之后(hòu)，“暗物质”这个词才再一次(cì)出现。天文学家(jiā)维拉鲁宾和肯特(tè)福(fú)特在观测仙女(nǚ)座星(xīng)系中的恒星运动。理论(lùn)上来说(shuō)，距离(lí)中心(xīn)越龙有几个爪 龙有两个根吗远的恒(héng)星在其轨(guǐ)道(dào)上的运行(xíng)速度就(jiù)会越慢(màn)。但是(shì)他们(men)观测的(de)结(jié)果却让人感到不可思议(yì)。

随着(zhe)与中心距(jù)离的增加，恒星的旋转速度几乎保持不变。可是(shì)根(gēn)据牛顿的万(wàn)有引力定律，在星系当(dāng)中如果没有足够大的质量来吸(xī)引(yǐn)它们，这些外围的(de)恒星早就被甩到宇宙(zhòu)当中了。基于这种现象，科学(xué)家们会使用一(yī)种相对标准的方法来(lái)解释暗物质的存在，这种方法就是测量星(xīng)系当中气体在X轴上距离星系中心的距离，以及(jí)在Y轴上气体的旋转速度。如果出现异(yì)常的结果，就认(rèn)为是由暗物质(zhì)的力量进入其中。

于(yú)是科(kē)学(xué)家们通过(guò)射电望远镜测量(liàng)了距(jù)离星(xīng)系中(zhōng)心(xīn)更远距离的氢元素，发现它们(men)的旋转速度并不符(fú)合牛顿的力学定律。我们的太阳(yáng)系也(yě)不例外(wài)，太(tài)阳(yáng)系(xì)位(wèi)于银河系的第三悬臂(bì)之上，距离银(yín)河系(xì)中心2.6万光年，根据万有引(yǐn)力(lì)定律进行(xíng)计算，太阳系的运行(xíng)速度应(yīng)该是160千米(mǐ)/秒，但实际上，太阳系(xì)正(zhèng)在以220千米/秒的速度围绕银(yín)河(hé)系(xì)旋转，这(zhè)个(gè)实际(jì)速度远远(yuǎn)大于理论速(sù)度(dù)，那么产生以上这种向心加速(sù)度的(de)原因很(hěn)可能就(jiù)是存在着一种我们(men)看不到的物质，是这些(xiē)暗物质的引(yǐn)力效应将(jiāng)星系聚(jù)集(jí)在(zài)了一(yī)起(qǐ)。

也(yě)是从这时开始，越来越多的研究人(rén)员开始(shǐ)相(xiāng)信(xìn)暗物质的存在。科(kē)学家(jiā)根据星(xīng)系外恒(héng)星轨(guǐ)道的速度，估算在星系当中(zhōng)暗物质的质(zhì)量占整个星系质量(liàng)的85%。但是，暗物质并不是唯一可(kě)以解释(shì)这(zhè)个现象的原因。在一(yī)项(xiàng)新的研究当中，科学家(jiā)们发现，几(jǐ)乎没有引力效(xiào)应的遥远恒星之(zhī)间，也会出现(xiàn)速(sù)度(dù)上的微(wēi)小差异。另外，天文(wén)学(xué)家还发现了一个(gè)反常的星系，叫做(zuò)Agc114905。这个星(xīng)系距离地球大约(yuē)2.5亿(yì)光年，大小和银河系(xì)不多，但是(shì)星系当中(zhōng)存(cún)在的恒星数量却只有银(yín)河系的(de)千分之一。

所(suǒ)以在理(lǐ)论(lùn)上，该星系必须存(cún)在暗(àn)物质，否(fǒu)则就会分崩离析。但是科学家们使用最先进的望远镜对其进行了40个小(xiǎo)时(shí)的详细测量之后，发现星系(xì)中的恒星(xīng)运动(dòng)是可以用正常的(de)物(wù)质和力学定律来解释的。那么又有人提出，也许该星系的暗(àn)物质，已(yǐ)经(jīng)被附近的另一个大星系(xì)剥(bō)离了。奇怪的是，它(tā)的附近没有任何(hé)星系存在。造成这(zhè)些现(xiàn)象的除了暗(àn)物质的假说之(zhī)外，另一种可能就是人(rén)类(lèi)对引力的(de)理解还不够全(quán)面，引力很可(kě)能在不同尺度空间中(zhōng)的工(gōng)作方式(shì)是不同(tóng)的，这(zhè)意味着在(zài)行星系尺度中(zhōng)的天体会沿着(zhe)它们的轨道，按照我们所(suǒ)理解的方式(shì)运动。但(dàn)是上升到星系和(hé)星团的尺度，引(yǐn)力(lì)之间的相互作用则(zé)是不同的方式。对于在星系团之(zhī)间(jiān)的相(xiāng)互(hù)作(zuò)用，科(kē)学家还引入了外部场(chǎng)效应的概念，指的是在(zài)数(shù)百万光年的规模上，巨(jù)大(dà)的质量之间会产生对彼此(cǐ)特殊(shū)的(de)效(xiào)果，这个理(lǐ)论(lùn)叫做(zuò)MOND蒙德(dé)理论(lùn)。如果MOND蒙德理论成立，这意(yì)味(wèi)着(zhe)我们需要对现在(zài)的物理定律进行修正(zhèng)，这(zhè)些发(fā)现(xiàn)也让很多人(rén)认为暗物质假说理论就此终结(jié)。但是在(zài)宇宙当中还有关(guān)于暗(àn)物质(zhì)存(cún)在的其他的(de)理(lǐ)论证据(jù)，这(zhè)些理论(lùn)证据(jù)是(shì)蒙(méng)德理论所没法解释的(de)“引力透镜(jìng)”。

径向距离为37亿光年的子弹星系团，由(yóu)两(liǎng)个碰撞的星系团(tuán)所(suǒ)组成，类似(shì)这样的(de)星团，它(tā)们大部分的普(pǔ)通质量都在(zài)星系的气体当(dāng)中。当星团(tuán)以1000万公里/小时发(fā)生碰撞的时候，星际气体的(de)相互作用就会(huì)导致温度的急剧升高，速度(dù)大幅降(jiàng)低。所以在理(lǐ)论(lùn)上，在碰撞之后，子弹星(xīng)系(xì)团大(dà)部分的质量将位于所(suǒ)有这些气体所在的中间区域。那么我们通过(guò)什么来验证它(tā)的质(zhì)量区域到底是(shì)不是集(jí)中在中间呢？前不久，詹姆斯韦伯(bó)太空望(wàng)远镜传(chuán)回(huí)了宇(yǔ)宙当(dāng)中第一(yī)张全彩的高清照片，在照片中我(wǒ)们可以明(míng)显地看到很多星(xīng)系似乎被拉伸(shēn)产生了(le)巨大(dà)的形变(biàn)。其实(shí)这些星系(xì)本身并不是(shì)真的被扭(niǔ)曲了，也不是韦伯望远镜出了什(shén)么(me)问题，而是这样极遥(yáo)远(yuǎn)的天体和我们地球上的观(guān)测(cè)者之间(jiān)。被一个(gè)质量超级巨大的天体遮挡，这个超(chāo)大质量的东(dōng)西的引力，会(huì)使身后更遥远星系的光都发生了扭曲。这(zhè)个现象就是引力透镜效应。这个巨大的(de)天体可能是超(chāo)大质量的黑洞或者是暗(àn)物质。

所(suǒ)以(yǐ)当人们(men)对子弹(dàn)星系团观测的时(shí)候，发现它的大质量区域并不是在中间，而是在两(liǎng)侧。所(suǒ)以(yǐ)最(zuì)好的解(jiě)释方法(fǎ)就是当星团发(fā)生全部的碰撞(zhuàng)时，可(kě)被观测到的质量气(qì)体被卡在了(le)中间，暗物质则(zé)直接(jiē)通过了(le)这个(gè)区域，并在两边形成了引力透(tòu)镜。对子弹星系团的引(yǐn)力透镜(jìng)研(yán)究也(yě)被认为是暗物质存在的迄今为(wèi)止最(zuì)好的理论证(zhèng)据。

除此之(zhī)外，还有来自宇宙当(dāng)中最古老的(de)光。从(cóng)宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年之(zhī)后，可见光(guāng)终于(yú)可以畅通(tōng)无阻地穿(chuān)越在宇宙当中了。经过了130多亿年(nián)之(zhī)后，这些光在宇宙空间背景上留下(xià)了各相同性的微波(bō)辐(fú)射。其中红色的部分表示温度较高(gāo)的区域，蓝色则表示相对(duì)较冷的区域，但(dàn)实(shí)际上(shàng)它们(men)之间(jiān)的(de)温差只有万分之一。

科学家(jiā)们通(tōng)过对前景背景分离(lí)后的二值图(tú)像进行连通域提取(qǔ)和标记之后发现，如果宇(yǔ)宙当中没有(yǒu)暗物(wù)质(zhì)，图形看起来不应该是这样(yàng)的，而随着暗物质的增加，一些峰值的幅(fú)度会(h龙有几个爪 龙有两个根吗uì)减(jiǎn)小(xiǎo)，才(cái)变得看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景(jǐng)辐(fú)射的测量值，我(wǒ)们需要的暗物(wù)质大约是(shì)普通物质的5倍。这(zhè)个数(shù)字(zì)与解释(shì)星系(xì)当中恒星运动所需(xū)要的暗物质比(bǐ)例是一致的。这就意(yì)味(wèi)着。

用了一个简单的理论(lùn)框架，就很好地解释(shì)了很多不同的观测(cè)结果。而暗物(wù)质的本质就是宇宙当中存在着某种(zhǒng)类型的(de)粒子，它们不(bù)参与任何(hé)其他的(de)电磁作用，只通过引力来(lái)相互(hù)作用。所以如果能够找到这种粒子的(de)存在，就相当于找到了暗物质(zhì)存(cún)在的(de)实际证据。这种(zhǒng)粒子(zi)到底是(shì)什(shén)么(me)？科(kē)学家们已经(jīng)提(tí)出(chū)了数(shù)十种的假(jiǎ)想目标，而要寻找这些不同的目标粒子(zi)所(suǒ)需要的(de)实验方式也不相同(tóng)。在过去的(de)几十(shí)年当中(zhōng)，人类为(wèi)了寻找这些看不见、摸不(bù)到，几乎不会与常(cháng)规物(wù)质相互作用的“暗物质”，科学(xué)家们(men)已经进行了超过50次的(de)实验，却没有任何实质性的发现，除了(le)一个地(dì)方，意大(dà)利(lì)的格兰萨索山，隶属(shǔ)于阿尔卑斯山(shān)脉。

在山下(xià)1400米处(chù)的(de)地下矿井当(dāng)中，藏(cáng)着(zhe)地球上最大(dà)的地学实验室，这个(gè)实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个(gè)三(sān)层楼高的探测器，一直致力于寻(xún)找暗(àn)物质粒子的周期(qī)性震荡。

自1997年以来(lái)，这(zhè)里的科学家声称(chēng)观测到了某(mǒu)种信号(hào)。经(jīng)过了20多(duō)年的数据收(shōu)集(jí)，人(rén)们发现了一个有趣的事情。探测率会在每年的6月(yuè)份达到峰值，然后(hòu)在11月(yuè)降(jiàng)到最低(dī)，而且在20年当中每年都(dōu)是一样。一些科学(xué)家认为这可能是人(rén)类发现(xiàn)暗物质的第一个直接证据。

但是为什么暗物质会产生周期性的(de)年度信(xìn)号呢？刚才我(wǒ)们讲了太阳系正在以220公里/秒的(de)速(sù)度围绕着银河系进行移(yí)动，那(nà)么(me)如果(guǒ)暗物(wù)质存在(zài)宇宙当(dāng)中，这意味着我们也在以这样的速度(dù)在穿越着(zhe)暗物质流(liú)，这个(gè)过程中会(huì)产生(shēng)相应的振荡(dàng)，同时地球又以30公里/秒的(de)速度围绕(rào)太阳(yáng)进(jìn)行(xíng)旋转(zhuǎn)。所以有半年的时间，地球围绕太阳的方(fāng)向与太阳环绕银河系的方向是一致(zhì)的，而(ér)另(lìng)外半(bàn)年则(zé)与之相反。

而在(zài)6月份的时候(hòu)，地球与太阳的方向正好达到完全(quán)一致(zhì)，这是理论上地球穿越暗物质流最(zuì)快的时(shí)段(duàn)。而在11月份，又(yòu)恰好达到了最慢值(zhí)。尽(jǐn)管(guǎn)在实际的情况中(zhōng)，太(tài)阳系相(xiāng)对(duì)银河系的平面呈(chéng)现(xiàn)了60度的倾斜，但是这并不影(yǐng)响这个理(lǐ)论的有效性。

因(yīn)此科学家(jiā)认(rèn)为这可以用来解释，研究人(rén)员们所观测(cè)到的周期性信号。当(dāng)然也(yě)可能有(yǒu)其他(tā)的情况，造成这种(zhǒng)年度(dù)周期(qī)信号的差(chà)异也可能是温度、湿度、土壤中(zhōng)的水分、高山(shān)上的积雪(xuě)，甚至连意大(dà)利游客的(de)数量也(yě)符合这个周(zhōu)期(qī)的(de)规律。

所以，科学家们又在南(nán)半(bàn)球建立(lì)了一个(gè)几乎(hū)相同(tóng)的实验室，这(zhè)里的季节与之(zhī)前的(de)实验室正好(hǎo)相(xiāng)反，而(ér)在这里，地球穿过暗物质流的运动特征和第(dì)一个实验室是一(yī)样的。

因此，如果(guǒ)在这里可以得到相(xiāng)同(tóng)的(de)信号，就可(kě)以(yǐ)成为暗物(wù)质所存在的非常有力的(de)证据了。但是(shì)由于这个实(shí)验室(shì)刚刚(gāng)建(jiàn)成不(bù)久，所以截至目前还(hái)无法提供(gōng)相(xiāng)应(yīng)的数据(jù)支(zhī)持。另外，在2025年，NASA将会(huì)发射(shè)一台新(xīn)的望(wàng)远镜，这台(tái)太空望远镜叫(jiào)做“南希格雷斯罗曼”，它(tā)的(de)主镜(jìng)大小跟哈(hā)勃望远镜相同，但它(tā)的宽视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器的100倍(bèi)。南(nán)希格雷斯罗曼太(tài)空望(wàng)远镜(jìng)其中一个关键的用途就(jiù)是(shì)探索暗(àn)物质背后的奥(ào)秘，对于探(tàn)测的(de)结果，我们只能(néng)拭目(mù)以待(dài)了。费(fèi)米实验室粒子(zi)天(tiān)体物理中(zhōng)心的科学家丹(dān)琥珀和贾森斯特芬研(yán)究发现(xiàn)，如果暗物质存(cún)在，它们极有(yǒu)可能拥有另一种(zhǒng)神(shén)秘的(de)效应，这(zhè)种暗物质效应，会支持宇(yǔ)宙当中生命的诞生，或(huò)者说是生命(mìng)进化的一个重要因素。

如果(guǒ)这一理论(lùn)得(dé)到进(jìn)一(yī)步的证实，那么遍(biàn)布(bù)宇宙当中的暗物质会(huì)不(bù)会意味着(zhe)人(rén)类并不孤单呢？或许在(zài)宇宙当中(zhōng)某个角落的行星上，暗(àn)物质正在通过这样的(de)效应(yīng)创造生命。当然，这些推论的大前提是要先找到暗(àn)物质存(cún)在的实际证(zhèng)据。那么小(xiǎo)伙伴们(men)，你(nǐ)们(men)觉(jué)得暗(àn)物质(zhì)到底存不存在呢？喜欢请点赞，你(nǐ)的支(zhī)持是(shì)我更(gèng)新的动力！

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