宇(yǔ)宙是“人为(wèi)制造(zào)”的？为何会存在科学无法(fǎ)解释的“暗物质”？暗物(wù)质又究竟是什么？人类为了寻找暗物质存(cún)在的证据，科学家们在(zài)过去的几十年当中进行了超过50次的长期实(shí)验，但是(shì)却没有发现任何的有效证据。除了一个地(dì)方，在1687年出版的自然哲学数学原(yuán)理一书中，埃萨克牛顿(dùn)发表了万有(yǒu)引力定律，它揭示了宇宙中天体运动的规律。往(wǎng)后的几百年来(lái)，当天文学家(jiā)们发现某些(xiē)天体(tǐ)运行轨道出现异常，不符(fú)合(hé)万(wàn)有引(yǐn)力(lì)定律的(de)时候，他们就会知道，周围一(yī)定有未知的天体通过引力在摄(shè)动它的轨道。比(bǐ)如在1846年，奥(ào)本勒维耶就通过天王星运行(xíng)轨道的(de)异(yì)常，推(tuī)算并(bìng)且(qiě)发(fā)现(xiàn)了(le)海王星的(de)存(cún)在。另外，哈雷彗星(xīng)、冥王星(xīng)的(de)发现都是(shì)应用万有(yǒu)引力定律所取得(dé)重大天文成(chéng)就的(de)例子。但是这些发现都是(shì)在恒星(xīng)系统的尺度当(dāng)中(zhōng)，可当(dāng)我们上升到(dào)星(xīng)系或者是星(xīng)团的尺度，事情就开始变得诡异了。

1933年，瑞(ruì)士(shì)的物理学家弗里茨兹(zī)威基正在研究和(hé)测量(liàng)后发星(xīng)系团的(de)质量。这是一个由(yóu)数千个星(xīng)系所组成的巨大星系团，这些星系被引力束缚在一起。测量星系团的质量(liàng)一般会(huì)使用(yòng)到两种方法，当两种方法(fǎ)结果(guǒ)一致，就可(kě)以确定其(qí)质量的范围。

第一种是获得其"光度学的质量"，需(xū)要的数据是测量各个星系的光度。

第二种是动力(lì)学质量的计算，是利用光谱红移(yí)测量星系团中的各个(gè)星系相对(duì)于星系团的运动速度(dù)。当测量结果出来之(zhī)后，兹威基(jī)彻(chè)底懵了，“动力学质(zhì)量(liàng)”竟然是“光度(dù)学质量”的400倍。这意味着，后(hòu)发(fā)座星系团有99%的质(zhì)量消失了，或者说这99%的质量并不以可(kě)见光的形式所存在(zài)，我(wǒ)们无法看到。最诡异的是(shì)，在(zài)测量速度的过(guò)程中，兹威(wēi)基发(fā)现星系团中(zhōng)很(hěn)多(duō)星系的速度比理论上要快得多，按照(zhào)牛顿的运(yùn)动学定律，仅靠这些(xiē)可见星系的质量所产生的引力是无法(fǎ)将它们(men)束(shù)缚在星系团内的，它们(men)早就应(yīng)该被抛出星系(xì)团(tuán)之外了，除非有一种神秘的力量在起(qǐ)作用，这种力量来源于某种(zhǒng)隐形的物质(zhì)。

据此，兹维基提出(chū)了这样部分不可见(jiàn)的暗质，它不发(fā)散(sàn)光、吸(xī)光、反射光，但是它们却(què)占据着宇宙(zhòu)中绝大(dà)部分的质量。只是当时的人们对这样(yàng)的(de)一种(zhǒng)说法不屑一顾。

直到40年(nián)之后(hòu)，“暗物质”这个(gè)词才(cái)再(zài)一次镇关西是谁，镇关西是谁打死的出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾和肯特福特(tè)在(zài)观测仙女座星系中的恒星运动。理论上来说，距离中心越远的恒星在其轨道上的运行速(sù)度就会越慢(màn)。但是(shì)他(tā)们(men)观测(cè)的结(jié)果却让人感(gǎn)到不可思议。

随着与(yǔ)中心距离的(de)增加(jiā)，恒星的旋转速度几乎保持不变。可是根据(jù)牛(niú)顿的(de)万有引力(lì)定律，在(zài)星系当中如果没(méi)有足够大(dà)的(de)质量(liàng)来吸(xī)引它(tā)们(men)，这些外围的恒星早(zǎo)就被(bèi)甩到宇宙当(dāng)中了(le)。基于这种(zhǒng)现象(xiàng)，科(kē)学(xué)家(jiā)们会(huì)使(shǐ)用一种相对标准的方法来解释暗物质的存在，这种方(fāng)法就(jiù)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(jù)离，以及(jí)在Y轴上气体(tǐ)的旋转速度。如果出现异常的结果(guǒ)，就认(rèn)为是由暗物质的力(lì)量进(jìn)入其中(zhōng)。

于是科学(xué)家们通过射电望远(yuǎn)镜测量(liàng)了距离星系中心更远(yuǎn)距离的(de)氢(qīng)元(yuán)素(sù)，发现它们的旋转速度(dù)并不符合牛顿的(de)力学定律。我们的太阳系也不(bù)例外(wài)，太阳系位于银河系的第三悬臂之上，距离银(yín)河系中(zhōng)心2.6万光年，根(gēn)据万有(yǒu)引力(lì)定律(lǜ)进(jìn)行计算，太阳系的运行速度应(yīng)该是160千米/秒，但实(shí)际(jì)上，太阳系正在以220千米/秒(miǎo)的速(sù)度围绕银河系(xì)旋转，这个实际速度(dù)远远大于(yú)理论速度，那么产生以(yǐ)上这种(zhǒng)向心加速度的原因很(hěn)可(kě)能就是存(cún)在着(zhe)一种(zhǒng)我们看(kàn)不到的物质，是(shì)这些(xiē)暗物质的引力效应(yīng)将星系聚(jù)集在(zài)了一(yī)起(qǐ)。

也是从(cóng)这时开始，越来越多(duō)的研究人员(yuán)开始相信暗物质的存在(zài)。科(kē镇关西是谁，镇关西是谁打死的)学家根据星(xīng)系外恒星轨道(dào)的速度，估算在(zài)星系当中暗物质(zhì)的质量占整个星系(xì)质量的85%。但是，暗(àn)物质并(bìng)不是唯一可以解释这个现象的原(yuán)因。在一项新的研究当中，科(kē)学(xué)家们发(fā)现，几乎没有引力(lì)效应的遥远恒星(xīng)之(zhī)间，也(yě)会出现速度上的微小差异。另外，天文(wén)学家还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个(gè)星系(xì)距离(lí)地球大约(yuē)2.5亿光年，大(dà)小和(hé)银河(hé)系不(bù)多，但(dàn)是星系当中存在的恒星数量却只有银(yín)河系(xì)的千(qiān)分之一(yī)。

所以在理论(lùn)上(shàng)，该星系必须存在暗物质，否则就会分崩离析。但是科学家们使用最先进的望远镜对其进(jìn)行了40个(gè)小时的详细测(cè)量之后，发(fā)现星系(xì)中的恒星运动是可(kě)以用(yòng)正常(cháng)的物质和力学定律来解释的。那么(me)又有人提(tí)出，也许该(gāi)星系的(de)暗(àn)物质，已(yǐ)经(jīng)被附(fù)近的另一(yī)个大星(xīng)系剥(bō)离(lí)了。奇怪的是，它的附近没有任何星系存在(zài)。造成这(zhè)些现象的除(chú)了暗物质的假说之(zhī)外，另一种可能就是人类对引力的理解还不够(gòu)全(quán)面，引(yǐn)力很可能(néng)在不同尺度空间中的(de)工(gōng)作方(fāng)式是不同的，这意味着在行星(xīng)系尺度中(zhōng)的天体会沿(yán)着它们的轨道(dào)，按照我们(men)所理解的方式运动(dòng)。但(dàn)是上升到星系和(hé)星(xīng)团的尺度，引力之间的相互作用则是不同(tóng)的(de)方式。对于(yú)在星系团之间的相互作用，科学家还引入了外部场效(xiào)应的概念(niàn)，指的是在(zài)数百万光年的规(guī)模(mó)上，巨大的质(zhì)量(liàng)之间会产生对彼(bǐ)此特殊的效果，这个(gè)理论(lùn)叫做(zuò)MOND蒙(méng)德(dé)理论(lùn)。如(rú)果MOND蒙德理(lǐ)论(lùn)成立，这意味着我们需要对现在的物(wù)理定(dìng)律进行(xíng)修(xiū)正(zhèng)，这(zhè)些(xiē)发现也让很多(duō)人认为暗物(wù)质假说理论就此终结。但是(shì)在宇宙(zhòu)当中还有关于(yú)暗物(wù)质存在的(de)其(qí)他的(de)理论证据，这些理(lǐ)论证据是蒙德理(lǐ)论所没法解释的“引力(lì)透镜”。

径(jìng)向距离为37亿光年的子弹星(xīng)系(xì)团，由两(liǎng)个碰撞的星系团所组(zǔ)成(chéng)，类似这(zhè)样的星团，它们大部分的普通质量都在(zài)星系的气体当中。当星团以1000万(wàn)公里(lǐ)/小时发生碰撞的时候，星际气体的相互作用就会导致(zhì)温度的急(jí)剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之(zhī)后，子弹星系团大部分的(de)质量将位于所有(yǒu)这(zhè)些气体所在(zài)的(de)中间区域。那么我(wǒ)们通过什么来验证它的质(zhì)量区域到底(dǐ)是不是集中在(zài)中(zhōng)间呢？前不(bù)久，詹姆斯韦伯(bó)太空(kōng)望远镜传回了宇宙当中第一张全彩(cǎi)的高清照(zhào)片，在照(zhào)片中我们可以明(míng)显(xiǎn)地看(kàn)到很(hěn)多(duō)星系似乎被拉伸产生了(le)巨大(dà)的形变。其实(shí)这(zhè)些星(xīng)系(xì)本身并不是真(zhēn)的(de)被扭曲了，也(yě)不是韦伯望远镜(jìng)出了(le)什(shén)么问题，而是这样极遥远的(de)天(tiān)体和我们地球上的观测者(zhě)之间。被一(yī)个(gè)质量超级巨大(dà)的天(tiān)体遮挡，这个超大质(zhì)量(liàng)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。这个现(xiàn)象(xiàng)就是引力透镜效应(yīng)。这个(gè)巨大的(de)天(tiān)体可能(néng)是超大(dà)质量的黑(hēi)洞(dòng)或者是暗物质。

所(suǒ)以当人们对子弹星系团观(guān)测的(de)时候，发现(xiàn)它的大质量区域并不(bù)是在(zài)中间，而是在两侧。所以最好的解释(shì)方法就是当(dāng)星团发生全(quán)部的碰撞时，可(kě)被观测到的质量气(qì)体被卡在(zài)了中(zhōng)间，暗物质则直接通过了(le)这(zhè)个区(qū)域，并在两边形成(chéng)了引力透(tòu)镜。对子(zi)弹星系团(tuán)的引力透镜研究也(yě)被认(rèn)为是(shì)暗物质存在的迄(qì)今为(wèi)止最好(hǎo)的(de)理论(lùn)证据。

除此之外，还有来(lái)自宇宙当(dāng)中最古(gǔ)老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后(hòu)，可见光终于可(kě)以畅通无(wú)阻地穿越在宇宙当(dāng)中(zhōng)了。经过(guò)了130多(duō)亿年之后，这(zhè)些光在宇宙空(kōng)间背景上留下了各相同性的微(wēi)波(bō)辐射。其(qí)中红色的(de)部分(fēn)表示温度(dù)较高的区(qū)域，蓝色则(zé)表(biǎo)示相对较冷(lěng)的区域，但实际(jì)上它们(men)之(zhī)间的温差只有万分之一。

科学家们通过对前景背景分(fēn)离后的二(èr)值图像进行(xíng)连通域(yù)提(tí)取(qǔ)和标(biāo)记之后发(fā)现，如果(guǒ)宇(yǔ)宙当中没有暗物质(zhì)，图(tú)形看起(qǐ)来不应该是这样的，而随着暗物质的增加，一些峰值的幅度(dù)会减小，才变得看起来(lái)“和谐(xié)”。为了匹配宇(yǔ)宙微(wēi)波背(bèi)景辐(fú)射的测量值，我们(men)需要的暗物质大约是普通物(wù)质的(de)5倍(bèi)。这个数字(zì)与解释星系当中恒(héng)星运动所需要的暗物(wù)质比例是一致的。这就意(yì)味着。

用了一个简(jiǎn)单(dān)的理论框架(jià)，就(jiù)很好地(dì)解释了很(hěn)多(duō)不同的(de)观(guān)测结果(guǒ)。而暗物质的本(běn)质就是宇宙当(dāng)中存在着某种类型(xíng)的粒子，它(tā)们不参与任何其他的(de)电磁作用，只通过引力来(lái)相互作用(yòng)。所以如果能够找到这种粒子的存在(zài)，就相当(dāng)于找到了暗物(wù)质存在的(de)实(shí)际证据(jù)。这种粒子到(dào)底是什么？科学家们(men)已经提(tí)出了数(shù)十(shí)种的假想(xiǎng)目标(biāo)，而要(yào)寻找这(zhè)些(xiē)不同的(de)目标粒子(zi)所需要的(de)实验方式也不相(xiāng)同。在(zài)过去的(de)几十(shí)年当(dāng)中，人类为了寻(xún)找这些(xiē)看不(bù)见、摸不到，几乎不会与常规物质(zhì)相互作用的“暗物质(zhì)”，科学家们已经进(jìn)行(xíng)了(le)超过50次的实验，却没(méi)有任何实质性的(de)发现，除了一个地(dì)方，意(yì)大利的格兰(lán)萨索山，隶(lì)属(shǔ)于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着(zhe)地球上最(zuì)大的地学实验(yàn)室，这(zhè)个(gè)实验室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的(de)探测器，一(yī)直致力于寻找暗物质粒子(zi)的周期性震荡。

自1997年(nián)以来，这里(lǐ)的科学家(jiā)声称观测到了(le)某种(zhǒng)信号。经(jīng)过了20多年的数据收集，人们发现了一个有(yǒu)趣的事情(qíng)。探测率会在每年的6月份达到峰值，然(rán)后在(zài)11月降到(dào)最低，而且(qiě)在20年当中每年都是一(yī)样。一(yī)些科学家(jiā)认(rèn)为(wèi)这可能(néng)是人类发现暗物质的(de)第一(yī)个直接证据。

但(dàn)是为什么(me)暗物质会产(chǎn)生周期性(xìng)的年度(dù)信号(hào)呢？刚才我们讲了太阳(yáng)系正在(zài)以(yǐ)220公(gōng)里/秒的速度围绕着银河系进行移动，那(nà)么(me)如果暗物质存在(zài)宇宙(zhòu)当中，这意味着我们(men)也在以这样(yàng)的速(sù)度在(zài)穿越着暗物质流(liú)，这个过程中会产生(shēng)相应的振荡(dàng)，同时地球又以30公里/秒(miǎo)的(de)速度围绕(rào)太阳进行旋转。所以有(yǒu)半年的时间，地球围绕太(tài)阳的方向与(yǔ)太阳环绕银河系的方向是一致(zhì)的，而另(lìng)外半年则与之相反。

而在(zài)6月份(fèn)的(de)时候，地球(qiú)与太(tài)阳的方向正(zhèng)好(hǎo)达到完(wán)全一致，这是理论上地(dì)球穿(chuān)越暗物质(zhì)流最快(kuài)的时(shí)段。而在(zài)11月份，又(yòu)恰好(hǎo)达到了(le)最(zuì)慢值。尽管在实际(jì)的情况(kuàng)中，太阳系相对银河(hé)系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜(xié)，但是这并不影响这(zhè)个理论的有(yǒu)效性(xìng)。

因此(cǐ)科学家认(rèn)为这可(kě)以用来(lái)解释(shì)，研究人员们所观(guān)测到的周期性信号(hào)。当然也可(kě)能有其他的(de)情况，造成(chéng)这种(zhǒng)年度周期(qī)信号的(de)差异也(yě)可(kě)能是温(wēn)度、湿度、土壤(rǎng)中的水分、高山上的积雪，甚至连意大(dà)利游客的数量也符合(hé)这个周期的规律(lǜ)。

所以(yǐ)，科学(xué)家(jiā)们又在南(nán)半球建立(lì)了一个(gè)几乎相(xiāng)同的实验室，这(zhè)里(lǐ)的(de)季节与之前(qián)的实验室正好相反，而在这里，地(dì)球穿过暗物质(zhì)流(liú)的运动特(tè)征和第一个实验室(shì)是一样的。

因(yīn)此(cǐ)，如果在这(zhè)里可以得(dé)到相同的信号，就可以(yǐ)成为暗(àn)物质所存在(zài)的非常有力的证据(jù)了。但是由于这个实(shí)验室刚刚建成不久(jiǔ)，所(suǒ)以(yǐ)截(jié)至目前(qián)还无法提供相应的数据支持。另外(wài)，在2025年，NASA将会发射一台(tái)新(xīn)的望远(yuǎn)镜，这台太(tài)空望远(yuǎn)镜叫(jiào)做“南(nán)希格(gé)雷斯(sī)罗曼”，它的主镜大小跟哈勃望远镜相同，但它(tā)的(de)宽视场仪(yí)器提供(gōng)的视野是(shì)哈勃红外仪器(qì)的100倍(bèi)。南希格雷斯(sī)罗(luó)曼太空望远(yuǎn)镜其中一个关键的用途就是探索暗物质背(bèi)后的奥秘，对于探测的结果，我们(men)只能拭(shì)目以待了。费米实(shí)验(yàn)室(shì)粒子天体物(wù)理(lǐ)中心的科(kē)学家(jiā)丹琥珀和(hé)贾森斯特芬研究发(fā)现(xiàn)，如果(guǒ)暗物质存(cún)在，它们极有可能拥有另一种神秘的效应，这种暗物质(zhì)效应，会(huì)支持宇宙(zhòu)当中生(shēng)命的诞生，或者说是生命进化的(de)一个重要因素。

如果这(zhè)一理论(lùn)得到进一步的证(zhèng)实，那么遍布宇宙当(dāng)中的(de)暗物质会(huì)不会意(yì)味着人类并(bìng)不(bù)孤单呢(ne)？或许在宇宙当(dāng)中某(mǒu)个角落的行星上，暗(àn)物质正在通过这样的效(xiào)应创造(zào)生命。当然，这些推论(lùn)的大前提是要(yào)先找到暗(àn)物质存在的(de)实际证据。那么小伙伴(bàn)们，你们觉得暗(àn)物质到(dào)底存不存在(zài)呢？喜欢(huān)请点赞，你的支持(chí)是我更新的动力(lì)！

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