宇(yǔ)宙是“人为制造(zào)”的(de)？为何会存在科学无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质(zhì)又究竟是(shì)什么？人类为了(le)寻找暗物(wù)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次的长期实验，但(dàn)是却没有发现(xiàn)任(rèn)何的有效(xiào)证据。除了一(yī)个地(dì)方，在1687年出版的自然哲学数学原理一书中，埃萨克牛顿发表(biǎo)了万有引力定律，它揭示了宇宙中天体运动的规律。往(wǎng)后的几百(bǎi)年来，当天(tiān)文学家们发(fā)现某(mǒu)些天体运行轨道出(chū)现(xiàn)异常，不符合万有引(yǐn)力定律的时候(hòu)，他们就(jiù)会知道，周(zhōu)围一定有未知的(de)天体通过引(yǐn)力在摄动它的(de)轨(guǐ)道(dào)。比如在1846年，奥(ào)本(běn)勒(lēi)维耶就通过(guò)天王星(xīng)运行轨道的(de)异常，推(tuī)算并且发(fā)现(xiàn)了海王星(xīng)的存在。另外，哈雷彗星(xīng)、冥王(wáng)星的发现都是应用万(wàn)有引力(lì)定律所(suǒ)取(qǔ)得重大天文成就的例子。但是这些发现都是在恒星系统的尺度当(dāng)中，可当我们上升到(dào)星系或者是星团的尺度，事情就开(kāi)始变得诡(guǐ)异(yì)了。

1933年，瑞士的物理学家(jiā)弗里茨兹威(wēi)基正在研究(jiū)和测(cè)量后发星系团的质量。这(zhè)是一(yī)个(gè)由数千个星系所组(zǔ)成的巨(jù)大星系团，这些星系(xì)被引力束(shù)缚在一起。测量星系(xì)团的(de)质量一般会(huì)使用到两种方法(fǎ)，当(dāng)两种(zhǒng)方法结果(guǒ)一致，就可以确(què)定其质量的范(fàn)围。

第一种是获得(dé)其"光度学的质量"，需要(yào)的(de)数据是测量各个星系(xì)的光度。

第二种是动力学质量的计算，是利用光(guāng)谱红移测量星(xīng)系团中(zhōng)的(de)各个星系相(xiāng)对于星系团的运动速(sù)度。当测量结果出来之后，兹威基彻底懵(měng)了，“动力(lì)学(xué)质(zhì)量”竟然是“光(guāng)度(dù)学质量”的(de)400倍。这意(yì)味着，后发座星系(xì)团有99%的质(zhì)量消(xiāo)失(shī)了，或(huò)者(zhě)说这99%的质量(liàng)并不以可见光的形式所(suǒ)存在，我(wǒ)们无(wú)法(fǎ)看(kàn)到。最(zuì)诡异的是，在测量速(sù)度(dù)的过(guò)程中，兹威(wēi)基发现(xiàn)星系团中很多星(xīng)系的速度比理论上要(yào)快得多，按照牛顿的(de)运(yùn)动学定律(lǜ)，仅(jǐn)靠这些可见星(xīng)系的质量所产生的引力是无法(fǎ)将它们束缚在星系团内的，它们早(zǎo)就(jiù)应该被抛(pāo)出(chū)星系团之外了(le)，除非有一种神秘(mì)的(de)力量在(zài)起作用(yòng)，这种力量来源于某种(zhǒng)隐形的(de)物(wù)质。

据此(cǐ)，兹(zī)维基提出了(le)这(zhè)样部分(fēn)不可见的(de)暗质(zhì)，它不发(fā)散(sàn)光、吸光、反(fǎn)射光(guāng)，但是(shì)它们却占据着宇宙中(zhōng)绝大部分(fēn)的质量。只(zhǐ)是(shì)当时的人们对这样的一种说法不屑一顾。

直到40年之(zhī)后，“暗物(wù)质”这个词才再一次出现。天文学家(jiā)维(wéi)拉鲁宾(bīn)和肯(kěn)特(tè)福特在观测仙女(nǚ)座(zuò)星系中的(de)恒星运(yùn)动。理论上(shàng)来说，距离(lí)中心越远的恒(héng)星在(zài)其(qí)轨道上的运行(xíng)速度就会越慢。但是他们观测的(de)结(jié)果却让人感到不可思(sī)议。

随着与中心距离(lí)的(de)增(zēng)加(jiā)，恒星的旋转速度几乎保持不(bù)变。可是根据牛(niú)顿(dùn)的万有引力定律，在星系(xì)当中如果(guǒ)没有足够(gòu)大(dà)的质量来(lái)吸引它(tā)们(men)，这(zhè)些(xiē)外围(wéi)的恒星早就被甩到宇宙当中了(le)。基于这种现(xiàn)象，科(kē)学家们会使用一种相对(duì)标准的方法来(lái)解(jiě)释暗物(wù)质的存(cún)在，这种方(fāng)法就是测(cè)量(liàng)星(xīng)系当中气体在(zài)X轴上距离星系中(zhōng)心(xīn)的(de)距离，以(yǐ)及(jí)在(zài)Y轴上气体的旋(xuán)转速(sù)度。如果(guǒ)出现异常的结(jié)果，就认(rèn)为是(shì)由暗物(wù)质的力量进(jìn)入(rù)其中。

于是科学家们通过射电(diàn)望远镜测量了距离星系中心更远距离的(de)氢(qīng)元素，发现它们的旋转速度并不符合牛顿(dùn)的力学定律。我们的太阳系也(yě)不例外，太(tài)阳系位(wèi)于银河(hé)系的第三悬臂之上，距离银(yín)河(hé)系中(zhōng)心(xīn)2.6万(wàn)光年(nián)，根(gēn)据万有引力定(dìng)律进行计算(suàn)，太阳系的运行速(sù)度应该是160千米(mǐ)/秒，但实际上，太阳(yáng)系正在以220千(qiān)米/秒(miǎo)的速度围(wéi)绕银河系旋转，这(zhè)个实际(jì)速度远远大(dà)于理论速(sù)度，那么产生以上这种向(xiàng)心加速度(dù)的(de)原因很(hěn)可(kě)能就是存(cún)在着(zhe)一种我们看(kàn)不到的(de)物(wù)质(zhì)，是这些暗物质的引力效(xiào)应将(jiāng)星系聚集在了(le)一(yī)起。

也是(shì)从这时开始，越来越多的研究人员开始(shǐ)相(xiāng)信暗物(wù)质的存在。科学(xué)家根据星系(xì)外恒(héng)星轨道的速度(dù)，估(gū)算在星系当中暗(àn)物质的质量(liàng)占(zhàn)整(zhěng)个星系质量的85%。但是，暗物质并不是唯一(yī)可以解释这个现象的原(yuán)因(yīn)。在一(yī)项新(xīn)的(de)研究当中，科学家们发现(xiàn)，几乎没(méi)有(yǒu)引力效应的遥远恒星之间，也会出现速度上的微小差异。另外，天(tiān)文学家还(hái)发现了一个(gè)反(fǎn)常的星系(xì)，叫做Agc114905。这个(gè)星系距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大小和(hé)银河系不多，但是星系当中存在的恒(héng)星数(shù)量却只有银河系的(de)千分之一。

所以在理论上，该星系必须存(cún)在暗物质，否则就会(huì)分崩离析。但是(shì)科学家们使用最先进的望远镜对其进行了40个小时(shí)的详细测量之后，发(fā)现星(xīng)系(xì)中(zhōng)的(de)恒星(xīng)运动是可以用正常(cháng)的物质和力(lì)学(xué)定律来解释(shì)的。那么又有人提出，也许(xǔ)该星系(xì)的暗物(wù)质，已(yǐ)经被附近的(de)另(lìng)一个大星系剥离了。奇(qí)怪的是，它的附近没有任何星系存在。造成这些现象的除了(le)暗物(wù)质的(de)假(jiǎ)说之(zhī)外，另一种可能就是人类(lèi)对引力的理解还(hái)不(bù)够全(quán)面，引(yǐn)力很可能在(zài)不同(tóng)尺度空间中(zhōng)的工作方(fāng)式是不(bù)同(tóng)的，这意味着(zhe)在行星系尺(chǐ)度中的(de)天体会沿着它们的轨道，按照我们所理解的方式运动。但(dàn)是上升到星系(xì)和星(xīng)团的(de)尺度，引(yǐn)力之(zhī)间的相互作(zuò)用(yòng)则是不同的方式。对于在星系团(tuán)之间的相互作(zuò)用，科学(xué)家还引入了外部(bù)场效应的概(gài)念(niàn)，指的(de)是在数(shù)百万光(guāng)年的规模(mó)上，巨大的(de)质(zhì)量之间会(huì)产生(shēng)对彼此(cǐ)特殊的效果，这个(gè)理论叫做MOND蒙(méng)德理论。如果(guǒ)MOND蒙(méng)德理论成立，这意味着我(wǒ)们需(xū)要(yào)对(duì)现在(zài)的物理定律进行修正，这些发(fā)现也让很多人认(rèn)为暗物质假(jiǎ)说理论(lùn)就此终结。但是在宇宙当中还有关于暗物(wù)质存(cún)在的其他的理论(lùn)证据，这些(xiē)理论证(zhèng)据是蒙(méng)德(dé)理(lǐ)论所(suǒ)没(méi)法解(jiě)释的“引力透(tòu)镜”。

径向距(jù)离为37亿光年的(de)子弹星(xīng)系团，由两个碰(pèng)撞(zhuàng)的星系团(tuán)所组成，类似这(zhè)样的星(xīng)团，它们大部分的普通质量都在星(xīng)系的气体当中(zhōng)。当星(xīng)团以1000万公里/小时发(fā)生碰撞的时候(hòu)，星际气(qì)体的(de)相(xiāng)互(hù)作用就会导致温度(dù)的(de)急剧升高，速度大幅降低。所以(yǐ)在理(lǐ)论上，在(zài)碰撞(zhuàng)之(zhī)后，子弹星系团(tuán)大部分的(de)质量将(jiāng)位于(yú)所有这(zhè)些气体所在的(de)中间(jiān)区(qū)域。那么我们(men)通(tōng)过什么(me)来验证(zhèng)它(tā)的质(zhì)量(liàng)区域到底是不是集(jí)中在中间呢(ne)？前不久(jiǔ)，詹姆(mǔ)斯韦伯(bó)太空望远镜传回(huí)了宇宙(zhòu)当中(zhōng)第一张全彩(cǎi)的高清照片，在照片中我们(men)可以明显地看到很多星(xīng)系(xì)似(shì)乎被(bèi)拉伸产生了巨大的(de)形变。其实这些星系本身并不是真的被扭曲了，也(yě)不是韦伯(bó)望(wàng)远镜出了什么问(wèn)题，而是这(zhè)样极遥远(yuǎn)的天体和我们地球上的观测(cè)者之间。被一个质量超级巨(jù)大的天体遮挡，这个超大质量的东西的引力，会使(shǐ)身后更遥远星系的光(guāng)都发生了扭曲。这个(gè)现(xiàn)象(xiàng)就是(shì)引力(lì)透镜效应(yīng)。这个巨大(dà)的(de)天体可能是超大质量的(de)黑(hēi)洞或(huò)者(zhě)是暗物质。

所以当(dāng)人们对子弹星(xīng)系团(tuán)观(guān)测的时候，发现它的大质量(liàng)区域并不是在中间，而是在两侧。所以最好的解释(shì)方法就(jiù)是当星团发生全部的(de)碰撞时，可被(bèi)观测到的质量(liàng)气体(tǐ)被卡在了(le)中间，暗物质则直接(jiē)通(tōng)过(guò)了(le)这个区域，并在两边(biān)形成了(le)引力透(tòu)镜。对子弹星系团的引(yǐn)力透镜研(yán)究(jiū)也被(bèi)认为是(shì)暗物质(zhì)存(cún)在的迄今(jīn)为止(zhǐ)最(zuì)好(hǎo)的理论证据(jù)。

除此之外，还有来自宇宙当中最古(gǔ)老的光(guāng)。从宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万(wàn)年之后，可见光终于可以畅通无阻地(dì)穿(chuān)越在(zài)宇宙当(dāng)中了(le)。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙空间背景上(shàng)留下了(le)各(gè)相同性的微波辐射。其中红(hóng)色的部分表示温度较高(gāo)的(de)区域，蓝色则表示相对较冷的(de)区域，但实际(jì)上(shàng)它们之间的温差(chà)只有万分之一(yī)。

科学家们通过对前景背景分离后(hòu)的二值图像进(jìn)行(xíng)连通(tōng)域(yù)提取(qǔ)和标记(jì)之后发(fā)现，如果宇(yǔ)宙(zhòu)当中没有暗物质(zhì)，图(tú)形看(kàn)起来不应(yīng)该是(shì)这(zhè)样的，而(ér)随着暗物质的增加，一些峰值的幅度会减小，才变得看起来“和谐”。为了匹配宇宙(zhòu)微(wēi)波(bō)背景辐(fú)射的测量值，我们需要的暗物(wù)质大约是普通(tōng)物(wù)质(zhì)的5倍。这个数字与(yǔ)解释星(xīng)系当中恒星运动(dòng)所需要(yào)的暗物质(zhì)比(bǐ)例是一致的。这就(jiù)意味着。

用了一个简单的理论框架，就很好地解(jiě)释了很多不同的(de)观测(cè)结果。而(ér)暗物(wù)质的本质(zhì)就(jiù)是(shì)宇(yǔ)宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)存在着某(mǒu)种类(lèi)型(xíng)的粒子，它们不参与任何(hé)其他的(de)电磁(cí)作用，只(zhǐ)通过引力来相(xiāng)互作用。所(suǒ)以如果能够找到(dào)这种粒子的存在，就相当于找到了暗(àn)物质存在(zài)的实际证据。这种粒子(zi)到底是什(shén)么？科学家(jiā)们已经提出了(le)数十种的假想(xiǎng)目(mù)标，而要寻找这(zhè)些不同的(de)目标(biāo)粒子(zi)所需要的实验方式也不相同。在(zài)过(guò)去的几(jǐ)十年当中，人类为了寻找这些看(kàn)不见、摸不到，几(jǐ)乎不会与常规物质(zhì)相互作用(yòng)的(de)“暗物质”，科学家们(men)已(yǐ)经(jīng)进(jìn)行了超过(guò)50次的实验，却没有任(rèn)何实质性的发现(xiàn)，除了(le)一个地方(fāng)，意大利的格兰萨(sà)索(suǒ)山，隶(lì)属于阿尔卑斯山脉(mài)。

在山下1400米处的地下矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏(cáng)着地(dì)球上(shàng)最(zuì)大的地学实验室，这个实验室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三(sān)层楼(lóu)高的(de)探测器(qì)，一直致力于寻找暗物质粒子的周期性(xìng)震荡。

自(zì)1997年以来，这里的科学家声称观测到了某种(zhǒng)信号(hào)。经(jīng)过了(le)20多(duō)年的数(shù)据收集，人们发现了一个有趣(qù)的事情。探测率会在每年的(de)6月(yuè)份达(dá)到峰值(zhí)，然后在11月降(jiàng)到最低，而且在20年当中每年都是一样。一些科学(xué)家(jiā)认为这可(kě)能是人类发(fā)现暗物质(zhì)的(de)第一个直(zhí)接(jiē)证据。

但是为什么(me)暗物(wù)质(zhì)会产(chǎn)生周(zhōu)期(qī)性的年度信号(hào)呢(ne)？刚才我们讲了(le)太阳(yáng)系正在以顶到底是一种怎样的体验，顶到宫颈是顶到底什么感觉220公里/秒(miǎo)的速度围绕(rào)着银河系进行移动，那么如果暗物质(zhì)存在(zài)宇宙当中，这意味着我们也(yě)在以(yǐ)这样的速度在穿越着(zhe)暗物质(zhì)流，这(zhè)个(gè)过程(chéng)中会产生相应(yīng)的振(zhèn)荡，同(tóng)时地球又(yòu)以30公里/秒的(de)速度围绕太阳进行旋(xuán)转。所以有半年的时间，地(dì)球围绕太阳的方向与(yǔ)太阳(yáng)环(huán)绕银河系(xì)的(de)方向是一致(zhì)的，而另外半年则(zé)与之相反。

而在(zài)6月份的时候，地(dì)球(qiú)与(yǔ)太阳的方向正(zhèng)好达到(dào)完全一致，这是(shì)理论上地(dì)球穿(chuān)越暗物质(zhì)流(liú)最快的(de)时段。而(ér)在11月份(fèn)，又恰好达(dá)到(dào)了最慢值。尽管在(zài)实际的(de)情况中，太(tài)阳系相对银(yín)河系(xì)的平面(miàn)呈现(xiàn)了(le)60度的倾斜，但(dàn)是这并不影响这个理(lǐ)论(lùn)的有(yǒu)效(xiào)性。

因此(cǐ)科学家认为这可以用来解释，研究(jiū)人员(yuán)们所观测到(dào)的周期性信号。当然也可能有其他的情况(kuàng)，造成这种年度周期信号的(de)差异也可(kě)能是温度、湿度、土壤(rǎng)中的水分、高山上(shàng)的积雪，甚至连意(yì)大利游客的(de)数量也符合(hé)这个周期的(de)规(guī)律。

所以，科学(xué)家们又(yòu)在南半球建(jiàn)立了一个(gè)几(jǐ)乎相同的实验室，这里的(de)季节(jié)与之(zhī)前的实(shí)验(yàn)室正(zhèng)好相(xiāng)反，而在这里，地球穿过(guò)暗(àn)物质(zhì)流的运动特征和第一(yī)个实验(yàn)室是一(yī)样的。

因此，如果(guǒ)在这(zhè)里可以(yǐ)得(dé)到相同的信号(hào)，就可以成为暗物质所存在的(de)非常(cháng)有力的证据(jù)了。但是由于(yú)这(zhè)个实验室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还(hái)无法提供(gōng)相应的(de)数据支持。另外，在2025年，NASA将会(huì)发射(shè)一台新的(de)望远镜(jìng)，这台太(tài)空(kōng)望远镜(jìng)叫做“南希格雷斯罗曼”，它的主镜大小跟哈勃望(wàng)远(yuǎn)镜相(xiāng)同，但它的宽视场仪器(qì)提(tí)供的视(shì)野是哈(hā)勃红(hóng)外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太空(kōng)望远镜其中一(yī)个关键(jiàn)的(de)用途就是(shì)探索暗物(wù)质背后的奥(ào)秘，对于探测的(de)结果，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费米实验室(shì)粒子天(tiān)体(tǐ)物理中心的科(kē)学家(jiā)丹琥(hǔ)珀和贾森斯特芬研究发现，如果(guǒ)暗物(wù)质存在，它们极有可能拥有另一种神秘(mì)的效应，这种暗(àn)物质(zhì)效应(yīng)，会支持宇宙当(dāng)中生命(mìng)的诞生，或(huò)者说是(shì)生命进化的一个重要(yào)因素。

如果这一理(lǐ)论得到进一步的证实，那(nà)么遍布宇宙当中的暗物(wù)质会不会(huì)意味着人类并不(bù)孤单呢？或(huò)许在宇宙当中(zhōng)某个(gè)角落的(de)行(xíng)星上，暗(àn)物质正在(zài)通过这样的效应创造生命。当(dāng)然，这些推论的(de)大前提是(shì)要先找到(dào)暗物质存在的实际证(zhèng)据。那么(me)小伙伴们，你们(men)觉得暗物(wù)质到(dào)底存不(bù)存在呢？喜欢请点赞，你的支持是我更新的(de)动力(lì)！

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