宇宙(zhòu)是“人(rén)为制(zhì)造”的？为(wèi)何会存在(zài)科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什(shén)么(me)？人类为了寻找暗物质(zhì)存在的证(zhèng)据，科(kē)学家们在过去的几(jǐ)十年当(dāng)中进行了超过50次的长期实验(yàn)，但是却没有发现任何(hé)的有效(xiào)证据。除了一(yī)个(gè)地(dì)方，在(zài)1687年出版的自然哲(zhé)学(xué)数学(xué)原理一书中，埃萨克牛顿发(fā)表了万有引力定律，它揭(jiē)示了宇宙中天(tiān)体运动的规律。往(wǎng)后的几百年来，当(dāng)天文学家们(men)发现某些天体运(yùn)行轨道出现异常，不(bù)符合万有(yǒu)引力定(dìng)律的时(shí)候，他们就会知道，周围(wéi)一定有未知的(de)天体通过(guò)引力(lì)在摄动它(tā)的(de)轨道。比如在1846年，奥本勒维耶就(jiù)通过天(tiān)王星运行(xíng)轨(guǐ)道(dào)的异(yì)常，推(tuī)算并(bìng)且发现了海王星的存在。另外，哈雷(léi)彗星、冥王(wáng)星(xīng)的发(fā)现都是应用万有(yǒu)引力(lì)定(dìng)律所取得重大天文成就(jiù)的例子。但是这(zhè)些发现都是在恒星系(xì)统的(de)尺(chǐ)度当(dāng)中，可当我们(men)上升到(dào)星系或者(zhě)是星团的尺度，事(shì)情就开始(shǐ)变得(dé)诡(guǐ)异(yì)了。

1933年(nián)，瑞士的(de)物理学家弗里茨兹威基正在研究(jiū)和测(cè)量后(hòu)发星系团(tuán)的质量。这是一(yī)个由数(shù)千个(gè)星系所组(zǔ)成的巨大星系(xì)团，这些星(xīng)系被(bèi)引(yǐn)力束缚在一起。测量星(xīng)系团的质量一般会使用到两种(zhǒng)方法，当两种方法结果一致，就可以(yǐ)确定其质量(liàng)的范围。

第(dì)一(yī)种是获得(dé)其"光度学的质量"，需要的数据(jù)是测量各个星系的光度(dù)。

第(dì)二种是动力学质量的计算，是利用光谱红移测量星系团中的各个星系相对于星(xīng)系团的运动速度(dù)。当(dāng)测量结果出来之后(hòu)，兹威基(jī)彻底懵(měng)了，“动力(lì)学质量”竟然是“光(guāng)度学质量”的400倍。这意味着，后发座星(xīng)系团有99%的质量消(xiāo)失了，或者(zhě)说(shuō)这99%的质量并不以(yǐ)可见(jiàn)光的形式所存在(zài)，我们(men)无法(fǎ)看到。最诡(guǐ)异的是(shì)，在测量(liàng)速度的(de)过程中(zhōng)，兹威基发现星系(xì)团中(zhōng)很多星系的速度比理论上要快得多，按照牛顿的(de)运动学定律(lǜ)，仅靠这些(xiē)可(kě)见星系的质量所产生的引力是(shì)无法(fǎ)将(jiāng)它们束缚在(zài)星系团内的，它们(men)早就应该被抛出(chū)星系团之(zhī)外了，除非有一种神秘(mì)的力量在起作(zuò)用，这种力量来(lái)源于某种隐形的物质。

据此(cǐ)，兹维基提出了这样部分不(bù)可(kě)见的(de)暗(àn)质，它不发(fā)散(sàn)光、吸光、反射光，但是它(tā)们却占据(jù)着宇宙中(zhōng)绝大部分的质量。只是当时的人(rén)们对这(zhè)样(yàng)的一种说法不屑一(yī)顾(gù)。

直到(dào)40年之后(hòu)，“暗物质”这个词才再一(yī)次(cì)出现。天文学家维拉鲁宾和肯特福特在观测仙女座星系中的恒星(xīng)运(yùn)动。理论(lùn)上来说，距离(lí)中心(xīn)越远的恒星在其轨道上(shàng)的运行速度就(jiù)会越慢(màn)。但是他(tā)们观测的结果却(què)让人感到不可(kě)思(sī)议。

随(suí)着(zhe)与中(zhōng)心(xīn)距离的(de)增加，恒一方水等于多少吨水，一方水等于多少吨水星的旋转速度几乎保持不变。可(kě)是根据(jù)牛顿的万(wàn)有(yǒu)引力定律(lǜ)，在星系当(dāng)中如果(guǒ)没有(yǒu)足够大的(de)质(zhì)量来吸引(yǐn)它们，这(zhè)些外(wài)围的恒星早就被甩到宇(yǔ)宙当中了。基于这种(zhǒng)现象，科(kē)学家们会使用一种(zhǒng)相对标(biāo)准的(de)方法来解释暗物质的存在，这种方法就是测量(liàng)星系当中气体(tǐ)在(zài)X轴上距(jù)离星(xīng)系中心的距离，以及在Y轴上气(qì)体的旋转速度(dù)。如果出(chū)现异常的结(jié)果(guǒ)，就认为是由暗物质的力(lì)量(liàng)进入其中。

于是科(kē)学家们通过射(shè)电望远镜测量(liàng)了距(jù)离星系中心更远距(jù)离的氢元素，发现它们的(de)旋(xuán)转速度(dù)并不符合牛顿的力(lì)学定律。我们的太阳系(xì)也(yě)不例外(wài)，太阳系位于银河系(xì)的(de)第三悬臂(bì)之上，距离(lí)银河系中(zhōng)心2.6万光年，根据万有引(yǐn)力(lì)定律进(jìn)行计算(suàn)，太阳系的运行(xíng)速度应该是160千米/秒，但实际上，太阳系正在以220千米/秒(miǎo)的速度围绕银河系旋转(zhuǎn)，这个实际(jì)速度远远大于理论速度，那(nà)么(me)产生以上这种向(xiàng)心加速(sù)度的原因很可能就是存(cún)在着一(yī)种我们看不到的物质，是这些暗物质的引力效应将(jiāng)星系(xì)聚(jù)集在了一起。

也是从这时开(kāi)始，越来越多的研究人员开始相信暗物质(zhì)的存在。科学家(jiā)根据星(xīng)系外(wài)恒星轨道的速度(dù)，估算在(zài)星系当中暗物质(zhì)的质量占整(zhěng)个星(xīng)系质量的85%。但是，暗物质并不是(shì)唯(wéi)一可以解释这(zhè)个现象的原因。在一项(xiàng)新的研究当中，科学家(jiā)们发现，几乎没有引力效应的遥远恒星之间，也会(huì)出现速度上(shàng)的微小差异(yì)。另(lìng)外，天(tiān)文(wén)学家还发现了(le)一个反(fǎn)常的星系(xì)，叫做Agc114905。这(zhè)个星系距离(lí)地球大约2.5亿光年，大小和(hé)银河系(xì)不多，但(dàn)是星系(xì)当中存在的恒星数量(liàng)却只(zhǐ)有(yǒu)银(yín)河(hé)系的千分(fēn)之一。

所以在理论(lùn)上，该星系必(bì)须存(cún)在暗物质，否(fǒu)则就会分崩离析。但是科学家(jiā)们使用最先(xiān)进的望远(yuǎn)镜对其进行了40个小时(shí)的详(xiáng)细测量之(zhī)后，发(fā)现星(xīng)系中的恒星运(yùn)动是可(kě)以用正常的物质(zhì)和力学定律(lǜ)来解释的。那么(me)又有(yǒu)人提出，也许该星系(xì)的暗物质，已(yǐ)经(jīng)被附近(jìn)的另一(yī)个大(dà)星系剥离(lí)了。奇(qí)怪的是，它的附(fù)近没有任何星系存在。造成这些现象的除了暗物质的(de)假说之外，另一种可(kě)能就是人(rén)类对(duì)引力(lì)的理解还不够全(quán)面，引力很可能在不同尺度(dù)空间(jiān)中(zhōng)的工作(zuò)方式是不同的，这意味着在行(xíng)星系尺度中的(de)天(tiān)体(tǐ)会沿着它们的轨道，按照我们所理解的方式(shì)运动。但是上升到(dào)星(xīng)系和星团的尺度，引(yǐn)力之间的相互作用则(zé)是不同(tóng)的方式。对于在星(xīng)系团之间(jiān)的相(xiāng)互作用，科学家(jiā)还引入(rù)了(le)外部场效应的概念，指的是在数(shù)百万(wàn)光(guāng)年的规模上，巨大的质量之间会产生对(duì)彼此特(tè)殊的效(xiào)果，这个理论叫做(zuò)MOND蒙德理(lǐ)论。如果(guǒ)MOND蒙(méng)德理论成立，这意味着我们需要对(duì)现在的物理定律进(jìn)行修正，这些发现也让(ràng)很多(duō)人认为暗物质假说理论(lùn)就此终(zhōng)结(jié)。但是在宇宙当中还有关于暗物质存(cún)在的其他的理(lǐ)论证(zhèng)据(jù)，这些理论证据是蒙德理论(lùn)所没法解释的(de)“引力(lì)透镜”。

径向距离为37亿光(guāng)年的子弹星系团，由两(liǎng)个碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样的(de)星团，它们大(dà)部分的普(pǔ)通质量都在(zài)星系的气(qì)体当中。当星团以1000万公里(lǐ)/小时发生碰撞的(de)时候，星际气体的相互作用就会导(dǎo)致(zhì)温度的急剧升高，速度大幅降(jiàng)低。所以在理论上，在(zài)碰(pèng)撞之后(hòu)，子(zi)弹星系团大部分的质量将位(wèi)于所有这些气体(tǐ)所在的(de)中间(jiān)区域。那么我(wǒ)们通过什么(me)来验证(zhèng)它的质量(liàng)区域(yù)到(dào)底是(shì)不是(shì)集中(zhōng)在中间呢(ne)？前不(bù)久(jiǔ)，詹姆(mǔ)斯韦(wéi)伯太空(kōng)望(wàng)远镜传回了宇宙当(dāng)中(zhōng)第一张全(quán)彩的高(gāo)清照片(piàn)，在照片(piàn)中(zhōng)我们可以明显地看到很多星系似乎被(bèi)拉伸(shēn)产生了(le)巨大的形变。其实这些(xiē)星系本身并不是真的被扭曲了，也不是韦伯望(wàng)远镜出了什么(me)问题(tí)，而是这样极遥远的天体(tǐ)和我们地球上的观测者之间。被一个质量超级巨大的天体(tǐ)遮挡，这个超大质量的(de)东(dōng)西的引力，会(huì)使身后(hòu)更遥(yáo)远星系的(de)光都发生了扭曲。这个现象就是引力透(tòu)镜效应。这个(gè)巨(jù)大的天体可(kě)能是超大(dà)质量的黑洞或者是暗(àn)物(wù)质。

所以当人们对子弹星系团观测的时候，发现它(tā)的大质量区域并不是在中间，而是在两侧(cè)。所以最(zuì)好的解释方法(fǎ)就(jiù)是当(dāng)星团发生全部的碰(pèng)撞时，可(kě)被观测(cè)到的质量气(qì)体(tǐ)被卡在了(le)中间，暗(àn)物质则直接通过了这个区域，并在两边(biān)形成了引(yǐn)力(lì)透镜。对子弹星(xīng)系团的引力透(tòu)镜研究也被(bèi)认为(wèi)是暗(àn)物质存在的迄今为止最(zuì)好的理论(lùn)证据(jù)。

除此之外，还(hái)有来(lái)自宇宙当中最古老的(de)光。从宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年(nián)之后，可见(jiàn)光终于可(kě)以畅通无(wú)阻地(dì)穿越(yuè)在宇宙当中了。经过了130多(duō)亿年(nián)之后，这些光在宇宙空间背(bèi)景(jǐng)上(shàng)留下了(le)各相(xiāng)同性的微波辐射(shè)。其(qí)中红色的部(bù)分(fēn)表示温度较高的区域，蓝色则表(biǎo)示(shì)相对较冷的(de)区域，但实际(jì)上它们之(zhī)间的温(wēn)差只有万(wàn)分(fēn)之一。

科学家们通过(guò)对前景背景分离(lí)后的二值图像进行连通域提(tí)取和标(biāo)记之(zhī)后(hòu)发现(xiàn)，如(rú)果宇宙当(dāng)中没有暗(àn)物质，图形看起(qǐ)来不应该是这样的(de)，而(ér)随着暗物质的增加，一些峰值的(de)幅度会减(jiǎn)小(xiǎo)，才(cái)变得看(kàn)起来“和谐”。为了匹(pǐ)配宇宙微波(bō)背景辐(fú)射的测量(liàng)值(zhí)，我们需要(yào)的暗物质大(dà)约是普通物(wù)质(zhì)的5倍(bèi)。这个数(shù)字一方水等于多少吨水，一方水等于多少吨水与解释(shì)星系当(dāng)中恒星运动所(suǒ)需要的暗(àn)物质比(bǐ)例是一致的。这就(jiù)意(yì)味着(zhe)。

用了一个简单的理(lǐ)论框架，就(jiù)很(hěn)好(hǎo)地解释了很多不(bù)同的(de)观测结果(guǒ)。而暗物质的本质就是宇宙(zhòu)当中(zhōng)存在着某(mǒu)种类型(xíng)的粒子(zi)，它们不参与任何(hé)其(qí)他的电磁作用，只通过引力(lì)来相互作用(yòng)。所以(yǐ)如果能(néng)够找到(dào)这种粒(lì)子(zi)的存在，就相当于找到了暗物质存在的实(shí)际证据。这种粒子到底是什么？科学家们已经提出了数(shù)十(shí)种的假想目标，而要寻(xún)找这些(xiē)不同(tóng)的目标粒子(zi)所需要(yào)的实验(yàn)方式也不相(xiāng)同。在过去的几十年当中，人类为了寻找这些看(kàn)不见、摸不到，几(jǐ)乎不(bù)会(huì)与常规(guī)物质(zhì)相(xiāng)互作用的“暗物质”，科学家们(men)已经进(jìn)行了(le)超(chāo)过(guò)50次的实验，却没有任何实(shí)质(zhì)性的(de)发现，除了一个(gè)地方，意大利的格兰萨索(suǒ)山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山(shān)下(xià)1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着地(dì)球上最大的地(dì)学实(shí)验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个(gè)三(sān)层楼高的探测器，一直致力(lì)于寻找暗物质粒子的(de)周期性震(zhèn)荡。

自1997年以(yǐ)来，这(zhè)里的(de)科学(xué)家声称观(guān)测(cè)到了某(mǒu)种信号。经过了20多年的数据收集，人们发(fā)现了一个有趣(qù)的事情。探测率会在每年(nián)的6月(yuè)份达到峰(fēng)值(zhí)，然后在11月降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年都是一(yī)样。一些科学家(jiā)认(rèn)为这(zhè)可(kě)能(néng)是人类发现暗物质的(de)第一(yī)个直接(jiē)证据。

但是(shì)为什么(me)暗物(wù)质(zhì)会(huì)产生周期性的年度信号(hào)呢(ne)？刚才我们(men)讲了太阳系正在(zài)以220公里/秒的(de)速度围绕着银河系进行移动，那么如(rú)果暗物质存在宇(yǔ)宙(zhòu)当中，这(zhè)意味(wèi)着我们(men)也在以(yǐ)这(zhè)样(yàng)的(de)速(sù)度(dù)在(zài)穿(chuān)越着暗物质流，这个过程中(zhōng)会产生相应的振荡，同时地球又以30公里/秒的速度围绕(rào)太(tài)阳进行(xíng)旋(xuán)转(zhuǎn)。所以有(yǒu)半年(nián)的(de)时间，地球(qiú)围绕太阳(yáng)的方向(xiàng)与(yǔ)太阳(yáng)环(huán)绕银河系的方(fāng)向是一致的，而另外半年(nián)则与之相反(fǎn)。

而在6月份的(de)时候，地球与(yǔ)太阳的方向(xiàng)正好(hǎo)达到完全(quán)一致，这是(shì)理论上(shàng)地球(qiú)穿越(yuè)暗物质(zhì)流最快的时段。而在11月份，又恰好达到了最慢(màn)值一方水等于多少吨水，一方水等于多少吨水。尽管在实际(jì)的情况中，太阳系相对银河系的(de)平面呈现了60度的倾斜，但是这并不影(yǐng)响这个理论的有效性。

因此科学(xué)家认为这可(kě)以用(yòng)来解释，研究人员们(men)所观测到的周(zhōu)期性(xìng)信号。当(dāng)然也可能有其他(tā)的情(qíng)况，造成这种(zhǒng)年度周期信号的差异也可能(néng)是温(wēn)度、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪，甚至(zhì)连意大利游客的数量也符合这个周(zhōu)期的规律。

所以(yǐ)，科(kē)学家们又(yòu)在南半球建(jiàn)立了一个几乎相(xiāng)同的实(shí)验室，这(zhè)里的(de)季节与之前的实(shí)验室正好相反，而(ér)在(zài)这里，地球(qiú)穿(chuān)过暗(àn)物质(zhì)流的运动特征和(hé)第一个实验室是(shì)一(yī)样(yàng)的。

因此，如果(guǒ)在(zài)这里可(kě)以得到相同的信号，就可以成为暗物质所(suǒ)存在的非常有力的证(zhèng)据(jù)了。但是由于(yú)这个实验(yàn)室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还(hái)无法提供相应的数(shù)据(jù)支(zhī)持。另(lìng)外，在(zài)2025年，NASA将会发(fā)射一台新的望远(yuǎn)镜，这(zhè)台太空望(wàng)远镜叫做“南(nán)希(xī)格雷(léi)斯罗曼”，它的主镜大小(xiǎo)跟(gēn)哈勃望(wàng)远镜相同，但它(tā)的宽视场仪(yí)器提供的视(shì)野(yě)是(shì)哈勃红外仪(yí)器的100倍。南希格雷斯罗(luó)曼太空(kōng)望(wàng)远镜其中一个关(guān)键的用途就是探索暗物质背后的奥秘，对于探(tàn)测的结(jié)果，我们只(zhǐ)能拭目(mù)以(yǐ)待了(le)。费米(mǐ)实(shí)验(yàn)室粒子天体物理中心的科(kē)学家丹琥珀(pò)和贾森斯特芬研(yán)究(jiū)发现，如果暗物质存在，它们极有可能拥有另(lìng)一种(zhǒng)神(shén)秘的(de)效(xiào)应，这种暗物质效应，会支持宇宙当(dāng)中生命的诞生，或者(zhě)说(shuō)是(shì)生命进化(huà)的一(yī)个重(zhòng)要因(yīn)素(sù)。

如果这(zhè)一(yī)理(lǐ)论得到进一步的证(zhèng)实(shí)，那么遍布宇宙当中的暗物质(zhì)会(huì)不会意味着人类并(bìng)不孤单(dān)呢？或许在宇宙当(dāng)中某(mǒu)个角落的行星上，暗物(wù)质正(zhèng)在通过这样的效(xiào)应创造(zào)生命。当(dāng)然，这(zhè)些推论的大前提(tí)是要先找到(dào)暗物(wù)质存(cún)在的(de)实际证据。那么小伙(huǒ)伴(bàn)们，你(nǐ)们觉(jué)得暗物质到底存不存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是我(wǒ)更(gèng)新(xīn)的(de)动力！

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