宇宙是“人(rén)为制造”的？为何会存在科学无法解(jiě)释的(de)“暗(àn)物(wù)质”？暗(àn)物(wù)质(zhì)又究(jiū)竟是什(shén)么(me)？人类为了寻(xún)找暗物质(zhì)存在的证据，科学家(jiā)们在过去的几十年当中进行了超过50次(cì)的长期实验，但是却没有(yǒu)发现任何(hé)的(de)有效证(zhèng)据。除了(le)一个地方，在1687年出版的自然哲学数学原理(lǐ)一书中(zhōng)，埃萨克牛(niú)顿发(fā)表了万有引力定律，它揭示(shì)了宇宙中(zhōng)天体运动的规律。往后的几百年来，当天文学家们发现某些(xiē)天(tiān)体运行轨道出(chū)现异常(cháng)，不(bù)符合(hé)万有引(yǐn)力(lì)定律的(de)时候(hòu)，他(tā)们就会知道，周围一(yī)定(dìng)有未知的天体通过引(yǐn)力在摄动它的轨(guǐ)道。比(bǐ)如在1846年，奥本勒维耶就通过(guò)天王(wáng)星(xīng)运行轨(guǐ)道的(de)异常，推算并且(qiě)发现了海王星的存在(zài)。另外，哈雷彗星、冥王(wáng)星的发现(xiàn)都是应用(yòng)万有引力定律所取得重大天文成就(jiù)的(de)例子(zi)。但(dàn)是这些发现(xiàn)都是在(zài)恒(héng)星系统的尺度当(dāng)中，可当我们上升到(dào)星系或者(zhě)是星团的尺度，事情就(jiù)开始变(biàn)得诡异了。

1933年(nián)，瑞(ruì)士的物理学家弗里茨兹威(wēi)基正在研究和测(cè)量后发(fā)星系团的质量。这(zhè)是(shì)一个由数千个(gè)星系所组成(chéng)的巨大星(xīng)系团，这些星(xīng)系被引力束缚在一(yī)起。测量星系团的质量(liàng)一般会使用到两种方法，当两(liǎng)种方法结果一致，就可以确定其质量的范围(wéi)。

第一(yī)种是获得(dé)其"光度(dù)学(xué)的质量"，需要的数据(jù)是(shì)测量各个(gè)星(xīng)系的光度。

第二种是动力(lì)学(xué)质量的计算，是利用光谱红移测量(liàng)星系团中(zhōng)的各个(gè)星系相对于星系团的运动(dòng)速度。当(dāng)测量结果出来之后，兹威基彻(chè)底懵了(le)，“动力(lì)学质量(liàng)”竟然是“光度(dù)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，或者说这99%的质(zhì)量并(bìng)不(bù)以可见光的形式所存在，我们无法看(kàn)到。最诡异的是，在测量速度的过程(chéng)中，兹威基发现(xiàn)星系团中很多星系的(de)速度比理论上要快得多，按(àn)照牛顿的运(yùn)动学定律，仅靠这些可见星系的质(zhì)量所产生(shēng)的引力是无法将它(tā)们束缚(fù)在星系团内的，它们(men)早就(jiù)应(yīng)该被(bèi)抛出星系团之外了(le)，除(chú)非(fēi)有(yǒu)一种神(shén)秘的(de)力量在起作(zuò)用，这种力量(liàng)来(lái)源于某种隐形的物质。

据此，兹维基提出了这样部分不(bù)可见(jiàn)的暗(àn)质(zhì)，它(tā)不发(fā)散光、吸光、反射光，但是它(tā)们却占据着宇宙中绝大部(bù)分的质量。只是当时的(de)人们对这样的一种(zhǒng)说法不屑一顾。

直到(dào)40年之后(hòu)，“暗(àn)物质”这个词才再一次出(chū)现。天文学家维(wéi)拉鲁宾和肯特福特在观(guān)测仙女座(zuò)星系(xì)中的恒星运动(dòng)。理论上来说，距离中心越(yuè)远的恒星在其轨(guǐ)道上的运(yùn)行速度就会越慢(màn)。但是他(tā)们观测的结果却让人(rén)感到不可思议。

随(suí)着与中心距离的增加，恒星的旋转速度几乎保持不变(biàn)。可是根据(jù)牛顿的万有引力定律，在(zài)星系当中如果没有足够(gòu)大(dà)的质量来(lái)吸引它们，这些外(wài)围(wéi)的恒星早(zǎo)就被甩到宇宙(zhòu)当中了。基于这种现(xiàn)象，科学家们会(huì)使用(yòng)一种相(xiāng)对标(biāo)准的方法来(lái)解释暗(àn)物质的存在，这种方法就是测量(liàng)星(xīng)系当中气体(tǐ)在(zài)X轴上距离星系中心的距离，以及(jí)在Y轴上气(qì)体的旋(xuán)转速度(dù)。如果出(chū)现异常的(de)结果，就认(rèn)为是由暗物质的力量进入其中。

于是科(kē)学家们(men)通(tōng)过射电望远(yuǎn)镜测量了距离星系中心(xīn)更(gèng)远(yuǎn)距离(lí)的氢元(yuán)素，发现(xiàn)它们的旋转速度并不符合牛顿的力学(xué)定(dìng)律。我(wǒ)们的太(tài)阳(yáng)系也不例外，太阳系(xì)位于银河系的(de)第(dì)三悬臂之上(shàng)，距离银(yín)河系中心2.6万光年，根据万有引力定律进行计算，太阳系(xì)的运行速度应该是160千米/秒，但铅笔芯真的含铅且有毒吗 铅笔芯导电吗(dàn)实(shí)际(jì)上，太阳系正在以220千米/秒的速(sù)度(dù)围绕银河系旋转，这个(gè)实际速度远远大于理(lǐ)论速度，那(nà)么产(chǎn)生(shēng)以上这种向心加速度(dù)的(de)原因很可能(néng)就(jiù)是存在着(zhe)一种(zhǒng)我们(men)看(kàn)不到的物质(zhì)，是这些暗物(wù)质的引力(lì)效应将星系聚集在了一起。

也是从这时开始，越来越(yuè)多的研究人员开始相信暗物质的存在。科学家根据星(xīng)系外恒(héng)星轨道的速(sù)度，估算在星系当(dāng)中暗物质的质(zhì)量占整个星系质量的85%。但是(shì)，暗物质并不是唯一可以解释这个(gè)现象的原(yuán)因(yīn)。在一项新(xīn)的(de)研究当中，科学家们发现，几乎没(méi)有(yǒu)引力效应的遥远恒(héng)星之间，也会出现速度(dù)上的微小差异。另外，天文(wén)学(xué)家还(hái)发现了(le)一个反(fǎn)常的星系(xì)，叫做Agc114905。这个星系距离(lí)地(dì)球(qiú)大约(yuē)2.5亿光(guāng)年，大小和银(yín)河系不多，但是星系当(dāng)中存在(zài)的(de)恒星(xīng)数量却只有银河(hé)系的(de)千分(fēn)之一。

所以在(zài)理(lǐ)论上，该星系必须存在暗物质，否则就会(huì)分(fēn)崩离析。但是(shì)科学家们使用最先进的望远镜(jìng)对其进行(xíng)了40个(gè)小时(shí)的详细测量之后，发现星系中的恒星运动是可以用正(zhèng)常(cháng)的物质和力学定律来解释的。那么又有人提出，也许该星系的暗物(wù)质，已经被附(fù)近的另一个(gè)大星(xīng)系剥离了。奇怪的是，它的(de)附近没有任何星(xīng)系(xì)存在。造成这些(xiē)现象(xiàng)的除(chú)了暗(àn)物质(zhì)的(de)假说之外，另一种可能(néng)就是人类对引力(lì)的(de)理解还不够全面，引力很可能在(zài)不同(tóng)尺度空间中的工(gōng)作方(fāng)式是不同的(de)，这意味着在行星系尺度中的天体(tǐ)会沿着(zhe)它们的轨道，按照(zhào)我们(men)所(suǒ)理解(jiě)的方式运动。但是上升(shēng)到星系和(hé)星团的尺度，引力之间的相互作(zuò)用则是不(bù)同的方式(shì)。对(duì)于在星系团(tuán)之间的相互作用，科(kē)学(xué)家还引入了外部场效应的概念(niàn)，指的是在数百(bǎi)万光年的规模上，巨大的(de)质(zhì)量之间会产生对彼(bǐ)此特(tè)殊的效果，这个理论叫做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理论(lùn)成立，这(zhè)意味着我们需要对(duì)现在的物理定律进行修正(zhèng)，这些发现也(yě)让(ràng)很多人(rén)认为暗物质(zhì)假说理论(lùn)就(jiù)此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还有(yǒu)关(guān)于暗物质存在的其他(tā)的理论证据，这(zhè)些(xiē)理论证(zhèng)据是蒙德理论(lùn)所没法解释的(de)“引力透(tòu)镜”。

径向(xiàng)距(jù)离为37亿(yì)光年的子弹星系团，由两个碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样的星团，它们大(dà)部分的普(pǔ)通质量(liàng)都在(zài)星系(xì)的气体当中。当星(xīng)团以1000万公里/小时发生碰撞的时候，星际气(qì)体的相(xiāng)互(hù)作(zuò)用就会导致(zhì)温度的急(jí)剧升高，速度(dù)大幅降低。所以在理论(lùn)上，在碰(pèng)撞之后，子弹(dàn)星(xīng)系团大部分的质量(liàng)将位于所有这(zhè)些气体所在的中(zhōng)间区域(yù)。那么我们通过什么来验证它的质量区域到底(dǐ)是不是集中在中间呢？前不(bù)久，詹姆斯韦伯太空(kōng)望远(yuǎn)镜(jìng)传回了(le)宇宙当中第一张全彩的高清照片，在照片中(zhōng)我(wǒ)们(men)可以明显地(dì)看(kàn)到很多星(xīng)系(xì)似乎(hū)被拉伸产生了巨大的形(xíng)变。其实这些星系(xì)本身(shēn)并不是真的被扭曲了，也不(bù)是韦伯望远(yuǎn)镜出了什么问题，而是这样极遥远的天体和我们地(dì)球上的观测者之(zhī)间。被(bèi)一个质量超(chāo)级巨大(dà)的天体遮挡，这(zhè)个超大质量的东西的引(yǐn)力，会使身后更遥远(yuǎn)星系的光都发生(shēng)了(le)扭曲。这个现象(xiàng)就是引力透镜效应。这(zhè)个巨大的(de)天体可能是超大质量的黑洞或者是(shì)暗物质。

所以(yǐ)当(dāng)人们对子弹星系团观测(cè)的时候，发现它(tā)的(de)大质(zhì)量区域并(bìng)不是在中间，而是在(zài)两侧。所以最(zuì)好的解释(shì)方(fāng)法就(jiù)是当(dāng)星团发生全部的碰撞时(shí)，可被(bèi)观测到(dào)的(de)质(zhì)量气体被卡在了中间，暗(àn)物质则直接通过了这个区域(yù)，并(bìng)在两边(biān)形成了引力透镜。对子(zi)弹星(xīng)系团的引(yǐn)力透镜研究也被认为是暗物质存在的迄今为(wèi)止(zhǐ)最好(hǎo)的理论证据(jù)。

除(chú)此之外，还有来自(zì)宇宙当中最(zuì)古(gǔ)老的光。从宇(yǔ)宙大爆炸开始(shǐ)，38万(wàn)年(nián)之后，可(kě)见光(guāng)终于可(kě)以畅通(tōng)无阻(zǔ)地穿(chuān)越在(zài)宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。经过了130多亿年之后，这些光(guāng)在(zài)宇宙空间背景上(shàng)留下了(le)各相同性的(de)微波辐射(shè)。其(qí)中红(hóng)色(sè)的(de)部分表示温度(dù)较高的区域，蓝色则表示相对较冷的区域(yù)，但实际上它们之(zhī)间的温差只有万分之一。

科(kē)学家(jiā)们通过对前景背景分(fēn)离后的二值图像进行连通域提取和标(biāo)记之(zhī)后发(fā)现，如果宇(yǔ)宙当中没有暗(àn)物质，图形看(kàn)起来不应该是这(zhè)样的，而随着暗物质的增加(jiā)，一(yī)些峰(fēng)值的幅度会减小，才变得看起来“和(hé)谐(xié)”。为了匹配宇宙微(wēi)波(bō)背景辐射的测量值，我们需要的暗物质大(dà)约(yuē)是普通物(wù)质的5倍。这个数字与解(jiě)释星系当中恒星运动(dòng)所(suǒ)需(xū)要的暗物质(zhì)比例(lì)是一致的。这就(jiù)意(yì)味着。

用了一个简单的理论框架，就很好地解释了很多不同的观测结果。而暗物质的本质就(jiù)是宇宙(zhòu)当中(zhōng)存(cún)在着某种类(lèi)型的粒子，它们不参与任何其他的电磁作用，只通过(guò)引力来相互作(zuò)用。所以如(rú)果能够找到这种粒子的(de)存在，就相当于找到(dào)了(le)暗物质存在的实际证据(jù)。这种粒(lì)子到底是什么？科学(xué)家们已经提出(chū)了数十种的假(jiǎ)想目(mù)标(biāo)，而(ér)要寻找这些(xiē)不同的目标粒子所(suǒ)需要的实验(yàn)方式也不相同。在过(guò)去的(de)几十年当中，人类为了寻找这些看不见、摸不到，几乎(hū)不会与常规物质相互作(zuò)用的“暗物质”，科学家(jiā)们已(yǐ)经进(jìn)行了超过50次的实验，却没有任何实(shí)质(zhì)性的(de)发现，除了(le)一个地方(fāng)，意(yì)大利(lì)的格兰萨(sà)索(suǒ)山，隶属(shǔ)于阿尔卑斯山脉。

在(zài)山(shān)下1400米处(chù)的地下矿井(jǐng)当中，藏(cáng)着(zhe)地球(qiú)上最大的地学实(shí)验(yàn)室，这个实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层(céng)楼高的探测器(qì)，一(yī)直致力于(yú)寻找(zhǎo)暗物质粒子(zi)的周期性震荡。

自1997年(nián)以来，这里(lǐ)的科学家声称(chēng)观(guān)测(cè)到了某(mǒu)种信(xìn)号。经(jīng)过了20多年(nián)的数据(jù)收(shōu)集，人(rén)们发现了一个有趣(qù)的事(shì)情。探测率会在每年的6月份达(dá)到峰值，然后在11月降(jiàng)到最低，而且在20年当中每年都是一样(yàng)。一些科学家认(rèn)为这(zhè)可能是人类发现暗物质的第一个直接证据。

但是为什么(me)暗物质会产生周期性的年度信号呢？刚才我们讲了(le)太阳系正在以220公里/秒的速(sù)度围绕(rào)着银河系进(jìn)行移动，那么(me)如果(guǒ)暗(àn)物(wù)质存在宇宙(zhòu)当中，这意(yì)味(wèi)着我们也在以这样的速度在穿越着暗(àn)物质流(liú)，这个过程中会产生相应(yīng)的振(zhèn)荡，同时地球又以(yǐ)30公(gōng)里/秒(miǎo)的速度(dù)围绕太阳进行旋(xuán)转。所以有半年(nián)的时间，地球(qiú)围(wéi)绕太阳(yáng)的方向与太阳环绕银河系的方向是一(yī)致的，而另(lìng)外半(bàn)年则与之相(xiāng)反。

而在6月份的(de)时候，地球(qiú)与太阳的(de)方向(xiàng)正好(hǎo)达到完全一致，这是理论上地球穿越暗物(wù)质流最快(kuài)的时段。而在11月份，又恰好达到了(le)最慢值(zhí)。尽管在(zài)实(shí)际的情况中(zhōng)，太(tài)阳(yáng)系(xì)相对银河(hé)系的平(píng)面(miàn)呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这并不(bù)影响(xiǎng)这个理(lǐ)论(lùn)的(de)有效性(xìng)。

因此科学家认为这可(kě)以用(yòng)来解释，研究(jiū)人(rén)员(yuán)们所观测到的周期性信号。当然也可(kě)能(néng)有其他的情况，造成这种年度周期信号的差异也可(kě)能是温度、湿(shī)度、土(tǔ)壤中(zhōng)的水分、高(gāo)山上(shàng)的积雪(xuě)，甚至连意大利游客的数量也符合这个周期的规律。

所(suǒ)以，科(kē)学家(jiā)们又(yòu)在南半球建立(lì)了一个(gè)几(jǐ)乎相(xiāng)同(tóng)的实(shí)验室，这里的(de)季节与之(zhī)前的实验室正好相反，而(ér)在这里，地球(qiú)穿过暗物(wù)质流(liú)的运(yùn)动特征和第一个实验室(shì)是一样的。

因此(cǐ)，如果在(zài)这里可(kě)以得(dé)到相同的信号(hào)，就可以成为暗物质(zhì)所存(cún)在的非常有力的证据了。但是由于(yú)这个实(shí)验室刚刚建成不(bù)久(jiǔ)，所(suǒ)以(yǐ)截至目(mù)前(qián)还无法提供(gōng)相应的数据支(zhī)持。另外，在(zài)2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太(tài)空望远镜叫做“南希格雷斯(sī)罗(luó)曼”，它(tā)的主镜大小跟哈勃望远镜相同，但(dàn)它的(de)宽视场仪器提供的视野是哈勃红(hóng)外仪(yí)器(qì)的100倍。南希格雷斯罗曼太空望远(yuǎn)镜其(qí)中(zhōng)一个关键的用(yòng)途就是探(tàn)索暗物(wù)质背后的(de)奥秘(mì)，对于探测的结果(guǒ)，我们只能拭目以待(dài)了(le)。费米实验室粒子(zi)天体(tǐ)物理中(zhōng)心的科学家丹(dān)琥珀和(hé)贾森斯特芬研究(jiū)发现，如果暗物质存在，它们极有(yǒu)可能(néng)拥有另一种神(shén)秘的效应，这种暗物质效应，会支(zhī)持(chí)宇宙当中生(shēng)命的诞生，或者说是生命进化(huà)的(de)一个(gè)重要因素(sù)。

如果这一(yī)理论得(dé)到进一(yī)步的证(zhèng)实(shí)，那么遍布宇宙当中的(de)暗物质会不会意味着人类并不孤单呢？或许在宇(yǔ)宙(zhòu)当中某(mǒu)个角落(luò)的行星上，暗物质正在通过这样(yàng)的效应创造生命。当然，这些推论的大(dà)前提是(shì)要(yào)先找(zhǎo)到暗物质存在(zài)的实(shí)际证据。那(nà)么小伙伴们，你们觉得暗物(wù)质到底存不存(cún)在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是我更(gèng)新的(de)动(dòng)力！

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