宇宙是(shì)“人为制造”的？为(wèi)何会存(cún)在科学(xué)无(wú)法(fǎ)解(jiě)释的(de)“暗物质”？暗物(wù)质又究竟是(shì)什么(me)？人类(lèi)为了寻找暗物质存在的证据，科学家们在过去的几十年当中进行了超过50次的(de)长期实验，但是却没有发现任何的有效证据。除了(le)一个地方，在1687年出版的自然哲(zhé)学数(shù)学原理(lǐ)一书(shū)中，埃萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭(jiē)示(shì)了宇宙中天体运动的规律。往后(hòu)的几百(bǎi)年来(lái)，当天文学家们发现(xiàn)某些天体运行(xíng)轨道(dào)出现异(yì)常，不符合万有引力定律的(de)时候，他们就会知(zhī)道，周围一定有未知的天体通过(guò)引力在(zài)摄动它的轨道(dào)。比如在(zài)1846年(nián)，奥本勒维耶就通过天王星(xīng)运行轨(guǐ)道的异常(cháng)，推算(suàn)并(bìng)且发现了海王(wáng)星的(de)存在。另外，哈雷彗星、冥王星的发现(xiàn)都是(shì)应用(yòng)万(wàn)有引力定律所取得重大(dà)天文成(chéng)就的例子(zi)。但是这些发现(xiàn)都是(shì)在恒(héng)星系(xì)统的尺度当中(zhōng)，可当我(wǒ)们上升到星(xīng)系或者是星团的尺度，事情就开始(shǐ)变得(dé)诡(guǐ)异(yì)了。

1933年，瑞士(shì)的(de)物理(lǐ)学家弗里茨兹(zī)威基正在(zài)研(yán)究和(hé)测量后(hòu)发星系团的质量。这是一个由数千个星系所组成(chéng)的巨大星系团，这些星(xīng)系(xì)被引力束缚在一起。测量星(xīng)系(xì)团的(de)质量一般会使(shǐ)用到两种(zhǒng)方法，当两种方法结果一致，就可(kě)以确定(dìng)其质量(liàng)的范围。

第一(yī)种是获得(dé)其"光度学的质量(liàng)"，需要的(de)数据是测量各(gè)个(gè)星系的光度。

第二种是动力学质量的计(jì)算，是利用光谱红移测量星系(xì)团(tuán)中的各(gè)个星系相对(duì)于(yú)星系团的运(yùn)动速(sù)度(dù)。当测量结果(guǒ)出来之(zhī)后，兹(zī)威基彻底懵了，“动(dòng)力(lì)学(xué)质(zhì)量”竟然是(shì)“光度学质量(liàng)”的400倍。这意味着，后发座星系团有99%的质量消(xiāo)失了(le)，或者说这99%的质量并不以可(kě)见光(guāng)的形式所存在，我们无法(fǎ)看到(dào)。最诡异的是，在测量(liàng)速(sù)度的过(guò)程中，兹威基发现(xiàn)星系(xì)团中很多星系的(de)速度比理论上要快(kuài)得(dé)多(duō)，按照牛顿的运动学定(dìng)律(lǜ)，仅(jǐn)靠这些可见星系的质量所产生的引(yǐn)力是无法将它们束(shù)缚在(zài)星系(xì)团内的，它们早就(jiù)应该被抛出星系团之外了(le)，除非有(yǒu)一种神(shén)秘(mì)的力量在(zài)起作用，这种力量来(lái)源于(yú)某种隐(yǐn)形(xíng)的物质。

据此，兹(zī)维基提出了这样部分不可见(jiàn)的暗质(zhì)，它不发散光、吸光、反射光，但(dàn)是它们却占据着(zhe)宇宙中绝大部分的(de)质(zhì)量。只是当时的人(rén)们对这(zhè)样的(de)一种说法不屑一顾。

直到40年(nián)之后，“暗物质”这个词才(cái)再一次出现。天文(wén)学(xué)家(jiā)维(wéi)拉鲁宾和肯特(tè)福特在观测(cè)仙女座星(xīng)系(xì)中的(de)恒星运(yùn)动(dòng)。理论上来说，距离中心越远的恒星在其(qí)轨道上的(de)运行速度(dù)就会越慢。但是他们(men)观测(cè)的结果却让(ràng)人感(gǎn)到(dào)不(bù)可思议。

随着与中心距(jù)离的增(zēng)加，恒星(xīng)的(de)旋转速(sù)度几(jǐ)乎保持(chí)不变。可是根据牛(niú)顿的万有引力定律，在星系当(dāng)中(zhōng)如果没有足够大的质量来吸引它们(men)，这些外围的恒星早(zǎo)就被甩到宇宙当中了(le)。基于(yú)这(zhè)种现象，科学家们(men)会使用一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(zài)X轴上距离星系中心的距离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速度。如果(guǒ)出现异常的结果(guǒ)，就认为是由暗物质的力(lì)量进入其中。

于是科学家们通(tōng)过射电望远镜(jìng)测量(liàng)了(le)距(jù)离星系(xì)中心更远距(jù)离的氢元素，发(fā)现(xiàn)它们的(de)旋(xuán)转速度并不符(fú)合牛(niú)顿的力学定(dìng)律。我(wǒ)们的(de)太阳系也不(bù)例外，太(tài)阳系位于银(yín)河系(xì)的第(dì)三悬(xuán)臂之上，距离(lí)银(yín)河(hé)系中心2.6万(wàn)光年，根据万有引力定律进行(xíng)计算，太阳系的运(yùn)行速度(dù)应该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但实际上，太阳系(xì)正在以(yǐ)220千米/秒(miǎo)的速度围绕银(yín)河系旋转，这个实际速度远远大(dà)于理(lǐ)论速度，那么产生以上这(zhè)种向(xiàng)心加(jiā)速度的原因很可能(néng)就是存在着(zhe)一种我们看不到的物质，是这些暗物(wù)质的引(yǐn)力效应(yīng)将星系(xì)聚集在了一(yī)起。

也是从这时开始，越来越多的研究人员开(kāi)始相信暗物质(zhì)的存在。科(kē)学家根据星系外恒星轨道的速度，估算在星系当中(zhōng)暗物质的质量占整(zhěng)个星系(xì)质量的85%。但(dàn)是，暗物质并不是唯一可(kě)以解释这(zhè)个现象的原因。在一项新的研究当中，科学家(jiā)们发(fā)现，几乎没有引力效应的(de)遥(yáo)远恒(héng)星之间，也(yě)会出(chū)现速度上的微小(xiǎo)差异。另(lìng)外(wài)，天(tiān)文学(xué)家(jiā)还发现了一个反常的星(xīng)系，叫做Agc114905。这个星系距(jù)离地(dì)球大约2.5亿光年，大小和银河系不多(duō)，但是星系当中存在的恒(héng)星(xīng)数量却只有(yǒu)银河(hé)系的(de)千分之一。

所以(yǐ)在理论上(shàng)，该星系必须存在暗物质(zhì)，否则就会分崩离(lí)析(xī)。但是科学(xué)家们使(shǐ)用最先(xiān)进的(de)望远镜对其(qí)进行了40个(gè)小时的详(xiáng)细测量之(zhī)后，发现星系中的恒星运动是可以用正常的(de)物质和力学定律来解释的。那么又有人提(tí)出(chū)，也许该星系的暗(àn)物质(zhì)，已经被(bèi)附近的另一个大星系(xì)剥离了。奇怪的是，它的附近没有任何(hé)星系存在。造成这些现象(xiàng)的除了暗物质(zhì)的假说之外(wài)，另一种(zhǒng)可能就是(shì)人类对引力的理解还(hái)不够全(quán)面，引力很可能在不同尺度空间中的工作(zuò)方式是不同(tóng)的，这意味(wèi)着在行星系(xì)尺度中的天体会沿着它们的轨道，按照我们所理解的方式运(yùn)动。但是上升到星系和星(xīng)团的(de)尺度，引力之间(jiān)的相(xiāng)互作用则是不(bù)同的(de)方式。对(duì)于在星(xīng)系(xì)团之间的相(xiāng)互(hù)作用，科学家还引入了外部场(chǎng)效应的概(gài)念，指的(de)是在(zài)数百万光(guāng)年(nián)的规模上，巨(jù)大的质量之间会(huì)产生(shēng)对彼此(cǐ)特殊的效果，这个理(lǐ)论(lùn)叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理(lǐ)论成立，这意味着我(wǒ)们需要对现在的物理定(dìng)律进(jìn)行修正，这些发现也让很多人认(rèn)为暗物质假(jiǎ)说理论(lùn)就此终结。但是在(zài)宇宙当中还(hái)有关于暗(àn)物质存在(zài)的(de)其他的理论证据，这些理论证据是蒙德(dé)理论所没法解(jiě)释的“引(yǐn)力透镜”。

径(jìng)向距离(lí)为37亿光年(nián)的子弹星系(xì)团，由两个碰撞(zhuàng)的星系(xì)团(tuán)所组成(chéng)，类似这样(yàng)的星团，它们大部分(fēn)的(de)普通质量都在星(xīng)系的气(qì)体当中。当星团以1000万公里(lǐ)/小时(shí)发生碰撞的时候，星(xīng)际(jì)气体的相互作(zuò)用(yòng)就会导致温度的(de)急剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰(pèng)撞之后，子弹星系团大部分的质量将位(wèi)于所有这些(xiē)气体所在(zài)的中(zhōng)间区域。那(nà)么我(wǒ)们通过什么来验证它的质量区域到底是(shì)不是集(jí)中(zhōng)在中间(jiān)呢？前不久，詹姆斯(sī)韦伯太空望远(yuǎn)镜传回(huí)了宇宙当中第一张全彩的高清照(zhào)片，在照(zhào)片中我们可以(yǐ)明显地看到很(hěn)多星系似乎被拉伸产生了巨大的形(xíng)变。其实这些星(xīng)系本身(shēn)并不是真的被扭(niǔ)曲了(le)，也不是韦伯(bó)望远(yuǎn)镜(jìng)出了什么问题，而是这(zhè)样(yàng)极遥远(yuǎn)的天(tiān)体和我们地球上的观测者之间。被一个(gè)质量(liàng)超级(jí)巨大的(de)天体遮挡，这个超大质量的东西的引力，会使身后更遥远星系的光都发生了扭曲(qū)。这个现(xiàn)象就是引力透镜效应。这个巨大的天(tiān)体可能是超大质(zhì)量的黑洞或者(zhě)是暗物质。

所以当人们对(duì)子弹(dàn)星(xīng)系团观测的时候，发(fā)现它(tā)的大质(zhì)量区域并(bìng)不是在中间(jiān)，而是(shì)在两侧。所以最(zuì)好的解释(shì)方法就是当星团发(fā)生全(quán)部的碰撞时，可(kě)被观测到的(de)质量(liàng)气体被卡(kǎ)在了中间，暗(àn)物质(zhì)则直接通过了(le)这个区(qū)域，并在两(liǎng)边形(xíng)成(chéng)了引力透镜(jìng)。对子(zi)弹(dàn)星(xīng)系(xì)团的引力(lì)透镜研究也被认为是暗物质存在的迄今(jīn)为止(zhǐ)最好(hǎo)的理(lǐ)论证据。

除此之(zhī)外，还(hái)有(yǒu)来自宇宙当(dāng)中最古老的(de)光。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光终于(yú)可以畅通无阻地(dì)穿(chuān)越(yuè)在宇宙当中(zhōng)了(le)。经过(guò)了(le)130多亿年之(zhī)后，这(zhè)些光(guāng)在宇宙空间背景(jǐng)上留下(xià)了各相同性的微波辐射。其中(zhōng)红(hóng)色的部分表(biǎo)示(shì)温度较高的(de)区域(yù)，蓝色则表示(shì)相对较冷的区域，但实际(jì)上(shàng)它们之间的温差只有万分之一。

科学家们通(tōng)过(guò)对前景背景分离后(hòu)的二值图像(xiàng)进行连通(tōng)域提取和(hé)标记之后发现，如果宇宙(zhòu)当中没有暗物质，图形看起来不应该是这样的，而随着暗物质的增加(jiā)，一些(xiē)峰(fēng)值(zhí)的幅度会(huì)减(jiǎn)小，才(cái)变得看(kàn)起来(lái)“和谐(xié)”。为了匹配宇(yǔ)宙微(wēi)波(bō)背景辐射的测量(liàng)值，我们需要的暗(àn)物质大约(yuē)是(shì)普通物质的5倍。这个数字与解释星系(xì)当中恒星运动所需要的(de)暗物(wù)质比(bǐ)例(lì)是一(yī)致的。这(zhè)就(jiù)意味着(zhe)。

用(yòng)了(le)一个简(jiǎn)单的理论框(kuāng)架，就很(hěn)好地(dì)解释(shì)了很多不同的(de)观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在着某种类型的粒(lì)子，它们不(bù)参与任何其他的电磁(cí)作(zuò)用，只(zhǐ)通(tōng)过(guò)引力来相互作用。所以如果能够找到(dào)这种粒子(zi)的(de)存在，就(jiù)相当于找到了暗物质存在(zài)的实际证据。这种(zhǒng)粒子到底是什么？科学家们已(yǐ)经(jīng)提出了数十种的假想目标，而要寻找这些不(bù)同的(de)目(mù)标粒子所需要的实验(yàn)方式也不相同(tóng)。在过(guò)去的几十年当中，人类为了寻找这些看不(bù)见(jiàn)、摸不(bù)到(dào)，几乎不会与常规物质(zhì)相互作用的“暗物质”，科学家们已经进行了超过50次(cì)的实验，却没(méi)有任何实质(zhì)性的发现，除(chú)了一个地方(fāng)，意大利(lì)的格(gé)兰萨索山，隶(lì)属于(yú)阿(ā)尔卑斯山脉(mài)。

在山下1400米处的(de)地下矿井(jǐng)当中，藏(cáng)着地球(qiú)上最大的地(dì)学实验室，这个实(shí)验室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三层楼高的(de)探(tàn)测(cè)器，一直致力于寻找暗物质(zhì)粒(lì)子的周(zhōu)期性震(zhèn)荡。

自1997年以(yǐ)来，这里的科学家声称观测到了某种(zhǒng)信号。经过了20多(duō)年的数据(jù)收集，人们发现了一个有趣(qù)的事情。探测率会(huì)在每(měi)年的6月份(fèn)达(dá)到(dào)峰值，然(rán)后在11月降到(dào)最低，而且(qiě)在20年当(dāng)中每年都是一样。一些科学家认为这可能(néng)是人类发现暗物质的(de)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(xìn)号呢？刚才(cái)我们讲了太阳系正在(zài)以(yǐ)220公里/秒的速度(dù)围绕(rào)着银河系进行移动(dòng)，那么(me)如果暗物质存在宇(yǔ)宙(zhòu)当中，这(zhè)意(yì)味(wèi)着我们也在以这样的速度在穿越着暗物质流，这(zhè)个过程(chéng)中会产生相应(yīng)的振荡，同时地球又(yòu)以30公里/秒的速度围绕太阳进行旋转。所以(yǐ)有半年的时间(jiān)，地球围(wéi)绕(rào)太阳的方向与太阳(yáng)环绕银河系的(de)方向是一致(zhì)的，而另(lìng)外半年则(zé)与(yǔ)之相(xiāng)反(fǎn)。

而在(zài)6月(yuè)份的时候(hòu)，地球与(yǔ)太阳的方向正好(hǎo)达到完全一致，这是理论上地(dì)球穿越暗(àn)物质流最快的时段。而(ér)在11月份，又恰好达到(dào)了(le)最慢(màn)值。尽管在实际的情(qíng)况中(zhōng)，太阳系相(xiāng)对银河(hé)系的平面(miàn)呈现了60度的(de)倾斜(xié)，但是(shì)这并不影响(xiǎng)这个理论(lùn)的(de)有(yǒu)效(xiào)性。

因此科学家认为(wèi)这可以(yǐ)用来解释，研究人员们所观测到的周(zhōu)期性信号。当然也可能有其他的情况(kuàng)，造(zào)成(chéng)这(zhè)种年度周期(qī)信号的(de)差(chà)异(yì)也可能是温度(dù)、湿度、土(tǔ)壤中的(de)水分、高山上(shàng)的积雪，甚至连意大利游客(kè)的数量也(yě)符合这个周期的规律。

所以，科(kē)学家们又在(zài)南(nán)半球建立了一个几乎相同的实验(yàn)室，这里的季(jì)节与之前的实验(yàn)室正好相反，而在(zài)这里(lǐ)，地球穿(chuān)过暗物(wù)质流的运动特征(zhēng)和第一个实验室是一样的。

因此，如(rú)果在这里可以得到相同(tóng)的(de)信号，就可以成为暗物质(zhì)所存在的(de)非常有力的证据了。但是由(yóu)于这个实验室(shì)刚(gāng)刚建成(chéng)不久，所以截至(zhì)目前(qián)还(hái)无法提供相应的数据支(zhī)持。另(lìng)外(wài)，在2025年，NASA将会(huì)发射一(yī)台(tái)新的望远镜，这(zhè)台(tái)太空望远镜(jìng)叫做“南希格雷斯(sī)罗(luó)曼”，它的主(zhǔ)镜(jìng)大(dà)小跟哈(hā)勃望远镜相同(tóng)，但它(tā)的宽视场仪器提供的视野(yě)是哈勃红(hóng)外(wài)仪器的100倍。南(nán)希(xī)格雷(léi)斯罗曼太空望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)其中一个关键的用途就是探(tàn)索暗物质背后的奥秘，对(duì)于探测(cè)的结果，我们只能拭(shì)目以待了。费米实验室(shì)粒子天体物理中心的科学家丹琥珀和贾森斯特(tè)芬研究发现，如果暗物质(zhì)存(cún)在，它们(men)极有可能(néng)拥(yōng)有另(lìng)一种神秘(mì)的(de)效(xiào)应，这种暗物(wù)质效应，会(huì)支持宇宙当中生(shēng)命(mìng)的诞生，或者说是生(shēng)命进化(huà)的一个重(zhòng)要(yào)因(yīn)素(sù)。

如果这(zhè)一理论得到进一步的证实，那么遍布宇宙当中的暗物质会不会(huì)意味着人类并不孤单呢？或许在宇宙(zhòu)当中某个角落的行星(xīng)上，暗物质正在通(tōng)过这样的效应创(chuàng)造生命。当(dāng)然，这(zhè)些推论的大前提是要先找到暗(àn)物质存(cún)在的实(shí)际证据。那么(me)小伙伴们，你们觉得暗物质到底存不(bù)存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是我(wǒ)更(gèng)新的动(dòng)力！

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