宇(yǔ)宙是“人为制造”的？为(wèi)何会存在科学无法解(jiě)释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人类为了寻找暗(àn)物质存(cún)在的证据，科学家们在过去的几十年(nián)当中进行了(le)超过50次(cì)的长期实验，但是却(què)没有发现任(rèn)何的(de)有(yǒu)效证(zhèng)据。除了一个地方(fānig)，在1687年出版的自然哲学(xué)数学原理一书中(zhōng)，埃(āi)萨克牛顿发表(biǎo)了万有(yǒu)引力(lì)定(dìng)律(lǜ)，它揭示了宇宙(zhòu)中天体(tǐ)运(yùn)动的(de)规律。往后(hòu)的几(jǐ)百(bǎi)年(nián)来，当(dāng)天文学家们(men)发现某些天(tiān)体运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万有(yǒu)引(yǐn)力定(dìng)律的时候(hòu)，他们就(jiù)会知道，周围一定有未知(zhī)的(de)天体通过引(yǐn)力在(zài)摄动它(tā)的轨(guǐ)道。比如在1846年，奥本勒维耶就通过天王星运行轨道的异常，推算并且发现了海(hǎi)王星的存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发现都是(shì)应用万有引力定律所取得重大(dà)天文(wén)成(chéng)就(jiù)的例子。但是(shì)这些发现都是在恒星系统的尺度当(dāng)中，可当(dāng)我(wǒ)们(men)上升到(dào)星系或者是星团的尺度(dù)，事情就开始(shǐ)变得诡异了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威基正在研究和测量后(hòu)发星(xīng)系团的质量。这是一个由数(shù)千个星系(xì)所组(zǔ)成的巨大星系团，这些(xiē)星系被引(yǐn)力束缚在(zài)一(yī)起。测量星系团(tuán)的质量(liàng)一般会使用到两种方法(fǎ)，当两种方(fāng)法结果一致，就可(kě)以确定其质(zhì)量的范围。

第一种是获得其"光度学(xué)的质(zhì)量"，需要(yào)的数据是测量各(gè)个星(xīng)系的(de)光度。

第二(èr)种是动(dòng)力(lì)学质(zhì)量的计(jì)算，是利用光谱红(hóng)移测量星系团中的(de)各个星系相对于星系团的运动(dòng)速度。当测量结(jié)果出来(lái)之后，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力(lì)学(xué)质量”竟然是(shì)“光度学质量”的400倍。这(zhè)意味着，后发座星系团有(yǒu)99%的质量消失了，或者说这99%的质量并不以(yǐ)可(kě)见光的(de)形式所存在，我们(men)无法(fǎ)看(kàn)到。最诡异的是(shì)，在测量速(sù)度(dù)的(de)过程中，兹威(wēi)基(jī)发现星系团中(zhōng)很(hěn)多星系的速(sù)度比(bǐ)理论(lùn)上要(yào)快得(dé)多(duō)，按照(zhào)牛顿的运动学定(dìng)律，仅靠这些可见星系(xì)的(de)质量所产生的引力是(shì)无(wú)法将它们(men)束缚在星(xīng)系团内的，它(tā)们早(zǎo)就应该被抛(pāo)出星系团(tuán)之外了，除(chú)非有一种神秘的力量在起作(zuò)用，这种力量(liàng)来源于某种隐形(xíng)的物质。

据此，兹维基提(tí)出了这样部分不可见的暗质，它不发散(sàn)光、吸光、反射(shè)光，但(dàn)是它们(men)却占据着宇宙中绝大部分的质量(liàng)。只(zhǐ)是当时的(de)人们对这样的一种说(shuō)法不屑(xiè)一顾。

直到(dào)40年之(zhī)后，“暗物(wù)质”这个词才再一次出(chū)现。天文学家(jiā)维拉鲁宾和肯特(tè)福特在观(guān)测仙女座(zuò)星系中的恒(héng)星(xīng)运动。理论上(shàng)来说，距(jù)离中心(xīn)越(yuè)远的恒星在其轨道上的(de)运行速度就(jiù)会越慢。但是(shì)他们(men)观(guān)测的结(jié)果却让(ràng)人(rén)感到不可思议。

随着(zhe)与(yǔ)中心距离(lí)的增加，恒星的旋转速度几乎保持(chí)不变。可是根据牛顿(dùn)的万有(yǒu)引力定律(lǜ)，在星系当中如(rú)果没有足够大的质量来(lái)吸(xī)引(yǐn)它们，这(zhè)些外围的恒星早就被甩到宇(yǔ)宙当中了。基于这种现象(xiàng)，科学(xué)家们会使用(yòng)一(yī)种相对标准的(de)方法来解释(shì)暗物(wù)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(xīng)系(xì)中(zhōng)心的距离，以及在Y轴上气体的旋转速度。如果出现异常的(de)结果，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是科学家(jiā)们通过射电(diàn)望远镜测量了(le)距离星系中(zhōng)心更(gèng)远(yuǎn)距离的氢元素，发现它们的旋转速度并不符合(hé)牛顿的力学定(dìng)律。我(wǒ)们的太(tài)阳系也不例外，太阳系(xì)位于银河系(xì)的第(dì)三悬臂(bì)之上，距(jù)离银河系中心(xīn)2.6万光年，根(gēn)据万有引力定律进行计算，太阳系的(de)运行(xíng)速度应该是160千米/秒，但实际上，太阳系正(zhèng)在以220千米/秒(miǎo)的速(sù)度围绕银(yín)河(hé)系旋转，这个实际速(sù)度远远大于理(lǐ)论速度，那么产生以上这(zhè)种向(xiàng)心加速度的原因很可能就(jiù)是(shì)存在(zài)着(zhe)一种我们看不到的(de)物质，是这些暗物质的(de)引(yǐn)力效应将星系聚集在了一起。

也是从这时开始，越(yuè)来越多的(de)研究(jiū)人员开始相信(xìn)暗物质的(de)存在。科学家(jiā)根据星系(xì)外恒(héng)星轨(guǐ)道的(de)速度，估算在星系当(dāng)中暗物(wù)质的质(zhì)量(liàng)占整个(gè)星系质(zhì)量的85%。但是，暗物质并(bìng)不是唯(wéi)一可以解释这(zhè)个现象的原因(yīn)。在一项(xiàng)新的研究当(dāng)中，科学家们发现(xiàn)，几(jǐ)乎(hū)没(méi)有引力效(xiào)应的遥远恒星之间，也会(huì)出现(xiàn)速度上的微小差异。另外，天文学(xué)家还发现了一(yī)个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系距离地球大约2.5亿光年，大(dà)小和(hé)银河系不多，但是星系(xì)当中存(cún)在的恒(héng)星数(shù)量却只有银河系(xì)的千分之一。

所(suǒ)以在理(lǐ)论上，该星系必须存(cún)在暗物质，否(fǒu)则(zé)就(jiù)会分崩离析。但是科学家们使用最先进的(de)望(wàng)远镜对其进行(xíng)了40个小时的(de)详细测量(liàng)之后，发现(xiàn)星系中(zhōng)的(de)恒星运动是可以用正常的物质和(hé)力学定律来解释的。那(nà)么(me)又有人提出，也许该星系的暗物质(zhì)，已经被附近的另一个大星系(xì)剥离了(le)。奇(qí)怪的是(shì)，它的(de)附近(jìn)没有任何星(xīng)系存在。造成这些(xiē)现象(xiàng)的(de)除了暗物质的假说之外，另一种可能就是人类对引力的理(lǐ)解还(hái)不够全面，引力很(hěn)可能(néng)在不同(tóng)尺度空间中(zhōng)的工(gōng)作方式是不同的，这意味着在行星系尺度中(zhōng)的(de)天体会(huì)沿着它们的轨(guǐ)道(dào)，按照我(wǒ)们所理解的方式运动。但(dàn)是(shì)上升到星系和星(xīng)团的(de)尺度，引(yǐn)力之间的相互作用则是(shì)不同的方式。对于在星(xīng)系团之间的相互作用，科学家还(hái)引入了外(wài)部场效应的概念，指的(de)是在数百万光年的规模(mó)上，巨大(dà)的质量之间会产生对彼(bǐ)此特殊(shū)的(de)效果，这个理论叫(jiào)做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理(lǐ)论成立，这意味着(zhe)我们需要(yào)对现在的物理定律(lǜ)进(jìn)行(xíng)修正，这(zhè)些发现(xiàn)也让很多人认为暗物质假(jiǎ)说理论就此终(zhōng)结。但是(shì)在宇(yǔ)宙(zhòu)当中还有关(guān)于暗物质存在(zài)的其(qí)他的理论证据，这些理论证据是蒙德理论所(suǒ)没法解释的“引力透镜”。

径向距离为(wèi)37亿(yì)光年(nián)的子弹星系团，由两(liǎng)个碰撞的星系团所组(zǔ)成(chéng)，类似这样(yàng)的星团，它(tā)们大(dà)部(bù)分的普(pǔ)通质量都在(zài)星系的气体当中。当星团以(yǐ)1000万公里/小时发生碰撞的(de)时候，星际气体的相互(hù)作用就会(huì)导致温度的急剧升高，速度大(dà)幅降低。所以(yǐ)在理论上，在碰撞(zhuàng)之后，子弹星(xīng)系团大(dà)部分的质量将位于所有这(zhè)些气体所(suǒ)在的(de)中间区域。那么我们通过(guò)什么来验证它的质(zhì)量区域到底是(shì)不是集中(zhōng)在中间呢？前不久，詹姆(mǔ)斯韦伯太空望(wàng)远镜传回了宇宙当中(zhōng)第(dì)一张(zhāng)全彩(cǎi)的(de)高清照片，在照(zhào)片中我们可以明显(xiǎn)地看到很多(duō)星系似乎被拉伸(shēn)产生了巨大的形变。其实这些星(xīng)系本(běn)身并不是(shì)真的被扭(niǔ)曲(qū)了，也不(bù)是韦伯望远镜出了什么问题，而是这样极遥远的(de)天体和我们地球上的(de)观测(cè)者(zhě)之间(jiān)。被一个质量(liàng)超级(jí)巨大的天体遮挡，这个(gè)超(chāo)大质(zhì)量的东西的引力，会使身(shēn)后(hòu)更(gèng)遥远星系的光都(dōu)发(fā)生了(le)扭(niǔ)曲。这个(gè)现象就是(shì)引力透(tòu)镜效应。这个巨大的天体可能是超(chāo)大质(zhì)量(liàng)的黑洞或者是暗物质。

所以当人(rén)们对子弹星系(xì)团观测(cè)的时(shí)候，发现它的大质(zhì)量(liàng)区域并(bìng)不是在中间，而(ér)是在两侧。所以最好(hǎo)的解释方(fāng)法就是当(dāng)星团发生全部的碰撞(zhuàng)时，可被观(guān)测到的质(zhì)量气体被卡(kǎ)在(zài)了中间，暗物质则直接通过(guò)了(le)这(zhè)个区域，并(bìng)在两(liǎng)边(biān)形成了引力透镜。对子弹星系团(tuán)的引(yǐn)力透(tòu)镜(jìng)研究也(yě)被认(rèn)为是暗物质(zhì)存在的迄(qì)今为止最(zuì)好的理论(lùn)证据。

除此之外，还有(yǒu)来自宇宙当中最古老的光(guāng)。从宇宙大爆炸(zhà)开(kāi)始(shǐ)，38万年之后，可见光终于可(kě)以畅通无(wú)阻地穿(chuān)越在宇宙当中了。经(jīng)过了130多亿年之后，这些光在宇宙(zhòu)空间背景上留下了各相同性的微波辐射。其中红(hóng)色(sè)的(de)部分表(biǎo)示温度较高的区域，蓝色则表示(shì)相对较(jiào)冷的区(qū)域，但实际上(shàng)它们(men)之间的温差只有万分之一。

科学家们通过对(duì)前景背景分离(lí)后的二值(zhí)图像进(jìn)行连通域提取和标记之(zhī)后(hòu)发现，如(rú)果宇宙当中没(méi)有暗物质，图形看起(qǐ)来(lái)不应(yīng)该是(shì)这样的，而(ér)随着暗物质的增加，一(yī)些峰值的幅度(dù)会减小，才变得看起来“和谐”。为(wèi)了(le)匹配(pèi)宇(yǔ)宙微波背景(jǐng)辐射(shè)的测量值，我们需要的暗(àn)物(wù)质大约是(shì)普通物质的5倍。这个数字与解释(shì)星系当(dāng)中恒星运动所需要的暗(àn)物质比(bǐ)例是一(yī)致的(de)。这就意味(wèi)着。

用(yòng)了(le)一(yī)个(gè)简单的理论框(kuāng)架，就(jiù)很(hěn)好地解释了(le)很多不(bù)同(tóng)的观测结果。而暗物质(zhì)的本质(zhì)就是宇宙当中(zhōng)存(cún)在着某种类型的粒子(zi)，它们不(bù)参与(yǔ)任何其他的电磁作(zuò)用，只(zhǐ)通过引力来(lái)相(xiāng)互(hù)作用。所以如果能够找到(dào)这种粒子的存在，就相(xiāng)当于找到(dào)了暗物质存在(zài)的实际证据。这种(zhǒng)粒子到底(dǐ)是什么(me)？科学(xué)家们已经提出了数十种(zhǒng)的(de)假(jiǎ)想目(mù)标，而要寻找这(zhè)些不同的目标(biāo)粒子所需要(yào)的实验方式也不相同。在过去的几十年当中，人类为了(le)寻(xún)找这些看不见、摸(mō)不到(dào)，几乎不(bù)会与常规物质相互作用的“暗物质(zhì)”，科学家们(men)已经进行了超过50次的实验(yàn)，却没有任何实(shí)质(zhì)性的发(fā)现(xiàn)，除了(le)一(yī)个地方(fāng)，意大利(lì)的(de)格兰萨索(suǒ)山，隶(lì)属于阿尔卑(bēi)斯山脉。

在山下1400米处(chù)的地下矿井当中，藏着地(dì)球上(shàng)最大的地学(xué)实(shí)验室，这个实验室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有一个三(sān)层楼高的(de)探(tàn)测(cè)器，一直致力于寻找暗物质粒子的周(zhōu)期性(xìng)震荡(dàng)。

自1997年以来(lái)，这里的科学家声称(chēng)观测到了某种(zhǒng)信号。经(jīng)过了20多年的数据(jù)收集，人(rén)们发(fā)现了(le)一个有趣(qù)的事情。探测率会在每年的6月(yuè)份(fèn)达到峰值，然(rán)后在11月降到最低，而(ér)且在20年当(dāng)中每年都是一(yī)样。一(yī)些(xiē)科学家认为这(zhè)可能是(shì)人类(lèi)发现暗(àn)物质的第一个(gè)直(zhí)接证据。

但是为什(shén)么暗物质(zhì)会(huì)产生周期(qī)性的(de)年度信号呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正在以220公里(lǐ)/秒的(de)速(sù)度围绕着银河系进(jìn)行移动(dòng)，那么如果暗物质存在宇宙当(dāng)中，这意味(wèi)着我们也在以这(zhè)样的速度(dù)在穿越着暗物(wù)质(zhì)流，这(zhè)个(gè)过(guò)程中(zhōng)会产(chǎn)生相(xiāng)应的(de)振荡，同时地球又以30公里/秒(miǎo)的速度围(wéi)绕(rào)太阳进行(xíng)旋转。所(suǒ)以有半年的时间，地(dì)球围绕(rào)太阳的方(fāng)向与太阳(yáng)环(huán)绕银河系的方(fāng)向是一致的，而(ér)另(lìng)外(wài)半年(nián)则与之相(xiāng)反。

而在6月(yuè)份的时候，地球与(yǔ)太阳的方(fāng)向正好(hǎo)达到完全一致，这是(shì)理(lǐ)论上地球穿越(yuè)暗(àn)物质流最快的时段。而在11月份，又恰好达(dá)到了(le)最慢值。尽管在实际的情况中，太阳系相对银河系(xì)的(de)平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但(dàn)是这并不(bù)影(yǐng)响这(zhè)个理论的有效性。

因(yīn)此科学家认(rèn)为这(zhè)可以用来(lái)解释(shì)，研究人员们(men)所(suǒ)观测到(dào)的周期性信(xìn)号。当然(rán)也可能(néng)有其他的情况，造(zào)成这种年度周期信号的差异也可(kě)能是温度、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪，甚至(zhìi)连意大利游客的数量也(yě)符合这个(gè)周期的规律。

所以，科(kē)学家(jiā)们又在南半球建立了一个几乎相同(tóng)的实验室，这里(lǐ)的季节与之前的实验室正(zhèng)好相反，而在这里，地球穿过暗物(wù)质流的运动特征和(hé)第一个实验室是(shì)一样的。

因此(cǐ)，如果(guǒ)在(zài)这里可以(yǐ)得到相(xiāng)同的信号，就可以成为(wèi)暗物质(zhì)所(suǒ)存在(zài)的非常有力(lì)的(de)证据了。但是由于这个(gè)实验(yàn)室刚刚建成不久，所以(yǐ)截至(zhì)目前(qián)还(hái)无法提(tí)供相应的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太空(kōng)望远镜(jìng)叫做“南希格雷斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈(hā)勃望远(yuǎn)镜相同，但它(tā)的(de)宽视场仪(yí)器提供(gōng)的视野(yě)是哈勃红外仪器的(de)100倍。南希格雷斯(sī)罗曼太空(kōng)望远镜其(qí)中一个(gè)关键的用途就是探(tàn)索暗物(wù)质(zhì)背后的奥秘(mì)，对于探测(cè)的(de)结(jié)果，我们只能拭目以待(dài)了。费米(mǐ)实验室(shì)粒子天(tiān)体物理(lǐ)中心的科学家丹琥珀和贾森斯(sī)特芬研究发现，如果暗物质存(cún)在，它们(men)极(jí)有可能(néng)拥有另一种神秘的(de)效应，这种暗物质(zhì)效(xiào)应，会(huì)支(zhī)持宇宙当中生命的诞生，或(huò)者(zhě)说是(shì)生命(mìng)进化的一个重要因素。

如(rú)果这一(yī)理论得(dé)到进一步的(de)证(zhèng)实，那么遍(biàn)布宇(yǔ)宙(zhòu)当中(zhōng)的暗物质会不会意味着人类并不孤(gū)单(dān)呢？或许在宇宙(zhòu)当中某个(gè)角落的(de)行星上，暗物(wù)质正在通过(guò)这样的效应创造生命。当然(rán)，这(zhè)些推论的(de)大前(qián)提是要先找到暗物质存(cún)在的实际证据。那(nà)么小伙伴们(men)，你们觉得(dé)暗(àn)物质(zhì)到底(dǐ)存不存在(zài)呢(ne)？喜欢请点赞，你的(de)支持是我(wǒ)更新(xīn)的(de)动力(lì)！

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