宇宙是“人为制造”的？为何会存(cún)在科学无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又究竟是(shì)什么(me)？人类为了寻(xún)找暗物质存在的(de)证据(jù)，科学家(jiā)们在过去的几十(shí)年当中进行了超过50次(cì)的长期实验(yàn)，但是却没有发现(xiàn)任何的有效证(zhèng)据(jù)。除了一个地方(fāng)，在1687年出(chū)版(bǎn)的自然哲学数学(xué)原理一书中，埃萨(sà)克牛顿(dùn)发表了万有引力(lì)定律(lǜ)，它揭示了(le)宇宙中天体运动的规律(lǜ)。往后(hòu)的几百(bǎi)年来，当天(tiān)文学家(jiā)们发现某(mǒu)些天体运行(xíng)轨道出现异(yì)常(cháng)，不符合万有引力定律的(de)时候，他(tā)们就会(huì)知道，周围一定有未知的天体通过引(yǐn)力在(zài)摄动它的(de)轨(guǐ)道。比如在1846年(nián)，奥本勒(lēi)维耶就通(tōng)过天王星运行轨道的(de)异常，推算并且(qiě)发现了海王星的存在。另外(wài)，哈雷彗星、冥王星(xīng)的发现都是应用万(wàn)有引(yǐn)力定律所取(qǔ)得重大天(tiān)文成就(jiù)的(de)例子。但是这些(xiē)发现(xiàn)都是在恒星系统的尺度当中，可(kě)当我们上升到星系或者是星团的尺度，事情就开始(shǐ)变得(dé)诡(guǐ)异了。

1933年，瑞士(shì)的物(wù)理学家(jiā)弗里茨兹威基(jī)正在研究和(hé)测量后发星系团(tuán)的质(zhì)量。这是一个(gè)由数千个星(xīng)系所组(zǔ)成的巨大星系团，这(zhè)些星系被(bèi)引力束缚在一(yī)起。测量星系团的质量(liàng)一(yī)般会使(shǐ)用到两种方法，当两种(zhǒng)方法(fǎ)结果一致(zhì)，就(jiù)可(kě)以确定其质量的范围。

第一种是获得(dé)其"光(guāng)度学的(de)质(zhì)量"，需要的数(shù)据(jù)是测量各个星(xīng)系的光度。

第二种是动力学质(zhì)量(liàng)的(de)计算，是利用光谱红(hóng)移(yí)测量(liàng)星系团中的各个星(xīng)系相对于(yú)星(xīng)系团的运(yùn)动速度。当测量结(jié)果出(chū)来(lái)之后(hòu)，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力学质量”竟然(rán)是(shì)“光度学(xué)质量”的400倍。这意味着，后发座星系团有99%的质(zhì)量消失了，或者说(shuō)这99%的质量并(bìng)不以可见光的形(xíng)式所存(cún)在，我们(men)无法(fǎ)看到。最诡异的(de)是，在测量速度的过程中，兹威(wēi)基发现星系团中很多星系的速度比(bǐ)理论上要快得多，按照牛顿的运动学定律，仅靠这些可见(jiàn)星系的质(zhì)量所(suǒ)产生的引力是(shì)无法将它们(men)束缚在星系(xì)团内(nèi)的，它们早就应该被抛出星(xīng)系团之外(wài)了，除非有(yǒu)一种(zhǒng)神秘的力(lì)量在起(qǐ)作(zuò)用，这种(zhǒng)力(lì)量来源(yuán)于(yú)某种隐形的(de)物质(zhì)。

据此，兹维基提(tí)出了(le)这样部(bù)分不可见(jiàn)的暗(àn)质，它不发散光(guāng)、吸光、反(fǎn)射(shè)光，但(dàn)是它(tā)们却(què)占据着宇(yǔ)宙中绝大部(bù)分的质量。只是当时的人们对这样的一种(zhǒng)说法(fǎ)不(bù)屑一顾。

直到40年之后，“暗物(wù)质”这个词才再(zài)一次出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾和肯(kěn)特福特在观测(cè)仙女座星系中的恒星运动。理(lǐ)论上来说(shuō)，距离中心越远的恒星在其轨道(dào)上的运行速度就会越慢。但是他们观(guān)测的结果(guǒ)却让人感到(dào)不可思议。

随着与中心距离的(de)增加，恒星(xīng)的旋转速度(dù)几(jǐ)乎保持不变。可是根据牛顿的(de)万有引力定律，在星(xīng)系当中如果没有足够大的质量来吸引它们，这些外围(wéi)的(de)恒星(xīng)早就被(bèi)甩到宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。基于这种现(xiàn)象，科学(xué)家们(men)会使用一种相对标准(zhǔn)的(de)方法(fǎ)来解释暗物质的(de)存在，这种(zhǒng)方法就是测量星系当中(zhōng)气体在X轴上距离(lí)星系中心的距离，以及在(zài)Y轴上气体的旋转速(sù)度。如果(guǒ)出现异常的结果，就认(rèn)为是由暗物(wù)质的力量进入(rù)其(qí)中。

于是科学家们通过射电(diàn)望远镜测量(liàng)了(le)距离星系中心更(gèng)远距离的氢元(yuán)素，发(fā)现它们(men)的旋转速度(dù)并不(bù)符合牛顿(dùn)的(de)力学定律。我(wǒ)们的(de)太阳(yáng)系也不例外，太阳系位于银(yín)河(hé)系(xì)的第三悬臂之上，距离银河系中(zhōng)心2.6万光年，根(gēn)据万有引力定律进行计(jì)算，太(tài)阳(yáng)系的(de)运(yùn)行速度应该是160千米(mǐ)/秒，但实际上(shàng)，太阳系正在以220千米/秒的速度围绕银河(hé)系旋转，这个(gè)实际速度远远(yuǎn)大于理(lǐ)论速(sù)度(dù)，那(nà)么(me)产生以上(shàng)这(zhè)种(zhǒng)向心加(jiā)速度的原(yuán)因(yīn)很可能就是存在着(zhe)一种(zhǒng)我们看不到的物质(zhì)，是这(zhè)些暗物(wù)质的引力效应(yīng)将星系聚集(jí)在了一起。

也是从这时(shí)开始(shǐ)，越(yuè)来(lái)越多的研究人(rén)员(yuán)开始(shǐ)相信暗物质的存(cún)在(zài)。科(kē)学家根据星系外恒星轨道的速度，估算在(zài)星系当中暗物质的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物(wù)质并不是唯一可以解释这个现象的原因。在一项新(xīn)的研究(jiū)当中(zhōng)，科学(xué)家们发现，几乎没有引(yǐn)力效应的遥远恒星之(zhī)间，也(yě)会出现(xiàn)速度(dù)上的微(wēi)小(xiǎo)差异。另外(wài)，天(tiān)文学家(jiā)还发现了(le)一个(gè)反(fǎn)常的星(xīng)系，叫做Agc114905。这个星(xīng)系距离地(dì)球大约(yuē)2.5亿光(guāng)年(nián)，大小和银河系(xì)不(bù)多，但是星系当中存在的恒星数量(liàng)却(què)只(zhǐ)有银河(hé)系的(de)千分之一。

所以(yǐ)在理论上，该星系必(bì)须存在暗(àn)物质，否则(zé)就会分崩离析。但(dàn)是科学(xué)家们使(shǐ)用最先进(jìn)的望远(yuǎn)镜(jìng)对其(qí)进行了(le)40个小时(shí)的详细测量之后，发现星系中的恒星(xīng)运(yùn)动是可以用正常(cháng)的物质和力学定律来解释的。那么又有人提出，也许(xǔ)该星系的暗物质，已经被附近(jìn)的另一个大星(xīng)系剥离了。奇怪的(de)是，它(tā)的附近没有(yǒu)任(rèn)何星系存在。造(zào)成这(zhè)些现象的(de)除了暗物质的假(jiǎ)说(shuō)之(zhī)外，另一种可能就是人类(lèi)对引力的理解还不够全面，引力很可(kě)能在不(bù)同尺度(dù)空间(jiān)中的工作方(fāng)式是(shì)不同的，这意味着在行(xíng)星系(xì)尺(chǐ)度中的(de)天体(tǐ)会(huì)沿(yán)着它们的轨道，按照(zhào)我们所理(lǐ)解(jiě)的方式运(yùn)动。但是上升(shēng)到星(xīng)系(xì)和(hé)星团的尺(chǐ)度，引力(lì)之间(jiān)的(de)相(xiāng)互作用则是不同(tóng)的方(fāng)式(shì)。对于在星系团之间的相互作用，科学家还引入了外(wài)部(bù)场效应的概念，指(zhǐ)的(de)是在数百万光年的规模上，巨大的质量之间会产生对彼此(cǐ)特殊的效(xiào)果(guǒ)，这(zhè)个理论(lùn)叫做MOND蒙德(dé)理论。如果MOND蒙(méng)德(dé)理论成立，这意味着(zhe)我们(men)需要(yào)对现在的物理定律进行修正，这些发现也让很多人认为(wèi)暗物质假说理论就此终结。但是在宇宙当(dāng)中还有关(guān)于暗物质存(cún)在的其他的理论证据，这些理论证据是(shì)蒙德(dé)理论所没法解释的“引力透镜”。

径向(xiàng)距离为37亿光年的(de)子弹星系(xì)团，由(yóu)两(liǎng)个碰撞的星系团(tuán)所组成，类似这样的星团，它们大部分的普(pǔ)通质量都在星系的气体当中。当星团以1000万(wàn)公里/小时发(fā)生碰撞(zhuàng)的时候，星(xīng)际气(qì)体的相互作用就会导致温度的(de)急(jí)剧升(shēng)高，速度大(dà)幅降低。所以在(zài)理论上(shàng)，在碰撞之后，子弹星系团大部分的质量将位于所有这些气体所在的中间区域。那么我(wǒ)们通过什(shén)么来验(yàn)证它的质量区(qū)域到底是不是(shì)集中在(zài)中(zhōng)间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望(wàng)远镜传回了宇宙当中第一张全(quán)彩的高清照片，在照片中我们可(kě)以明显地看(kàn)到(dào)很多星系似(shì)乎被(bèi)拉伸产生了巨大的形变。其实这(zhè)些星系本身并不是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦(wéi)伯(bó)望(wàng)远镜出了什么问题，而是这(zhè)样极(jí)遥远的天体和我们地球上的观测者之(zhī)间。被一个质量(liàng)超(chāo)级巨(jù)大的天体遮挡，这个超大质量的东西的引力，会使身后更遥远星(xīng)系的光都(dōu)发生了扭(niǔ)曲(qū)。这(zhè)个(gè)现象(xiàng)就(jiù)是引(yǐn)力透镜效(xiào)应。这个巨大的天体可能是超(chāo)大质量的黑洞或者是暗物质。

所以(yǐ)当人们(men)对子弹星系团观测的时候，发(fā)现它(tā)的大质量区域并不是在中间(jiān)，而是在两侧。所以最好(hǎo)的解(jiě)释(shì)方法就是当星团发生(shēng)全部(bù)的碰撞时，可被观测到的质量气体(tǐ)被卡在(zài)了中间，暗物质则直接通(tōng)过(guò)了这个区域，并在(zài)两边(biān)形成了引(yǐn)力透镜(jìng)。对子(zi)弹星系团的引力(lì)透镜研究也被认为是暗物质存(cún)在的迄今为止最好的(de)理论证(zhèng)据。

除此之外(wài)，还有来自(zì)宇(yǔ)宙当中最古老的(de)光。从宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年之后(hòu)，可见(jiàn)光终于可以畅(chàng)通无阻地穿(chuān)越在(zài)宇宙当(dāng)中了。经过了(le)130多亿(yì)年(nián)之后，这些(xiē)光在宇(yǔ)宙空间(jiān)背景上(shàng)留下(xià)了(le)各相同性(xìng)的(de)微波辐射。其中(zhōng)红色的部分表示温度较(jiào)高(gāo)的区域，蓝色则(zé)表(biǎo)示相(xiāng)对较冷的(de)区域，但实际(jì)上它们之间的温(wēn)差只有万(wàn)分之一。

科学(xué)家(jiā)们通过对前景背(bèi)景分离后的二值图(tú)像进行(xíng)连通域(yù)提取和标记之(zhī)后发现，如果(guǒ)宇宙当中没有暗(àn)物质，图形看起来(lái)不应(yīng)该是(shì)这样的，而随着(zhe)暗物质的增(zēng)加，一些峰值(zhí)的幅度(dù)会减小，才变(biàn)得看起来(lái)“和谐”。为了(le)匹配宇宙微(wēi)波背景(jǐng)辐(fú)射(shè)的测(cè)量(liàng)值，我(wǒ)们需要的暗物(wù)质(zhì)大(dà)约是普通物质的5倍。这个数字与解释星系(xì)当中恒星(xīng)运动所需要的暗物(wù)质比例是一致的。这就意味着(zhe)。

用了一个简单(dān)的理论框架(jià)，就很(hěn)好(hǎo)地解(jiě)释(shì)了(le)很多不同的观测(cè)结(jié)果(guǒ)。而暗物质的(de)本质就(jiù)是宇宙当中存在着某种(zhǒng)类型的粒子，它们(men)不参与(yǔ)任何其他的电(diàn)磁作(zuò)用，只(zhǐ)通过引力来相互作用。所(suǒ)以如果(guǒ)能够找到这(zhè)种粒子的(de)存(cún)在，就相当于找(zhǎo)到(dào)了暗(àn)物质存在的实际(jì)证据。这(zhè)种粒子到底是什(shén)么(me)？科学家们已(yǐ)经提出了数十种(zhǒng)的假(jiǎ)想目(mù)标，而要寻找这些不同(tóng)的目标粒子所需(xū)要的实验方(fāng)式也不(bù)相同(tóng)。在过去的几(jǐ)十年当中，人类为了寻找这些看(kàn)不见、摸不到，几乎不会与常规物质相互作用的(de)“暗物质(zhì)”，科学(xué)家们已经进行了超(chāo)过50次(cì)的实验，却没有(yǒu)任(rèn)何实质(zhì)性的发现，除(chú)了一个(gè)地方，意大利(lì)的格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在(zài)山下1400米处的地下(xià)矿井(jǐng)当中，藏(cáng)着(zhe)地球(qiú)上(shàng)最大的地学(xué)实验室，这个(gè)实(shí)验(yàn)室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三(sān)层楼高的探测器，一(yī)直致力于寻(xún)找暗物质粒(lì)子(zi)的(de)周期性震荡(dàng)。

自1997年以(yǐ)来，这(zhè)里的科学家声称观测到了某种信号(hào)。经(jīng)过(guò)了(le)20多年的数据收集，人们发现了一(yī)个有趣的事情。探测(cè)率(lǜ)会在每年的6月份达到峰(fēng)值，然后在11月降(jiàng)到最低，而且在20年当中每年(nián)都是一样。一些科学家(jiā)认为这(zhè)可能(néng)是人类发现暗物(wù)质的第一个直接证据。

但是为什(shén)么暗(àn)物质会产生周期性的年度信(xìn)号呢(ne)？刚才我们讲(jiǎng)了太阳系正在(zài)以220公里/秒的速度围绕着银河(hé)系(xì)进(jìn)行移(yí)动(dòng)，那(nà)么如(rú)果暗物(wù)质(zhì)存(cún)在宇宙当中，这意味着我们也在以这样的速(sù)度在穿越(yuè)着暗物质(zhì)流，这(zhè)个过程中会产(chǎn)生相应的振荡(dàng)，同时地球又以(yǐ)30公里/秒的速(sù)度围(wéi)绕太阳(yáng)进行旋转。所以有(yǒu)半年的时间，地球(qiú)围绕(rào)太阳的方向与太阳环绕银河系的方向(xiàng)是一(yī)致的，而另(lìng)外半年(nián)则与之相反。

而在(zài)6月份的时候，地球(qiú)与太(tài)阳的方向正好达(dá)到完全(quán)一致，这是理论(lùn)上地球穿越暗(àn)物质流(liú)最(zuì)快(kuài)几率和机率哪个正确一点，几率和机率有何不同的时(shí)段。而在11月(yuè)份(fèn)，又恰好达到了最慢值(zhí)。尽管在实际(jì)的(de)情况(kuàng)中，太(tài)阳系相对银河系的平面呈(chéng)现了60度(dù)的倾斜，但(dàn)是这并不(bù)影(yǐng)响这(zhè)个理(lǐ)论的有效性。

因(yīn)此(cǐ)科学家认为这可以用来解释，研究(jiū)人员们所观测(cè)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(dù)周期信(xìn)号的差异也(yě)可能是温度(dù)、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪，甚至连意大利游(yóu)客(kè)的数(shù)量(liàng)也符合这个周期的规律(lǜ)。

所以，科(kē)学家(jiā)们又在南半球建立了(le)一个几乎(hū)相同(tóng)的(de)实验室(shì)，这(zhè)里的季节与之前的实验(yàn)室正好相反，而在这里，地(dì)球穿过暗(àn)物(wù)质流的(de)运动特(tè)征和(hé)第一个实(shí)验室是一样的(de)。

因此，如果在这里可以得到(dào)相(xiāng)同的信号(hào)，就可以成为暗物(wù)质所(suǒ)存在的非常有力的(de)证据了。但是(shì)由(yóu)于这个实验室刚刚(gāng)建成不久，所以截(jié)至目前还无法提(tí)供相应(yīng)的数(shù)据支持(chí)。另外，在2025年，NASA将(jiāng)会发(fā)射一台(tái)新的望远镜，这台太(tài)空望(wàng)远镜叫做(zuò)“南(nán)希格雷斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈(hā)勃望远镜相同，但它的宽(kuān)视(shì)场仪器提供的视野是哈勃红外(wài)仪器的(de)100倍。南希格雷斯罗(luó)曼太空望远镜其中一个关键(jiàn)的用途就(jiù)是(shì)探索暗物质背(bèi)后的(de)奥秘，对于探测的结(jié)果，我(wǒ)们只能(néng)拭目以待了。费米实(shí)验(yàn)室粒子(zi)天(tiān)体(tǐ)物理中(zhōng)心的科学家丹(dān)琥珀和贾森斯(sī)特芬研究(jiū)发现，如果暗物(wù)质存在，它们极有可能拥有另一种神秘的(de)效应，这(zhè)种暗物质效应，会支持宇(yǔ)宙当(dāng)中(zhōng)生(shēng)命的诞生，或者(zhě)说是生命(mìng)进(jìn)化(huà)的一个(gè)重要因素。

如果这一理论(lùn)得到进一步的证实，那么遍(biàn)布宇(yǔ)宙当中的暗(àn)物质会不会意味着人类并(bìng)不(bù)孤单呢？或许在宇宙当中(zhōng)某个角落(luò)的行星上，暗物质正在(zài)通过这样的效(xiào)应创造生命。当然，这些推论的大前提(tí)是要先找(zhǎo)到(dào)暗(àn)物质存在的实际(jì)证(zhèng)据。那么小(xiǎo)伙伴们(men)，你们觉得暗物质到底存(cún)不(bù)存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支持是我更新的动力！

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