宇宙(zhòu)是(shì)“人为制造(zào)”的(de)？为何会存在(zài)科(kē)学(xué)无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又(yòu)究竟是什么？人类为了寻找(zhǎo)暗物(wù)质(zhì)存在的(de)证(zhèng)据(jù)，科学(xué)家们在过去的(de)几(jǐ)十年当中(zhōng)进行了(le)超过50次(cì)的长期实验，但是却没有发现(xiàn)任何的有效证据。除了(le)一(yī)个地方，在1687年(nián)出(chū)版的自然哲(zhé)学数学(xué)原理一书(shū)中，埃萨克(kè)牛顿(dùn)发表了万有引力定律，它揭示了宇宙中天体运动的(de)规律。往后的(de)几百年来，当天(tiān)文学家们发现某些天体运行轨道(dào)出现异常，不(bù)符合万有引力定律的时候，他们就(jiù)会知(zhī)道，周围一定有(yǒu)未知的(de)天体通过引(yǐn)力(lì)在摄动它的(de)轨道。比如在1846年(nián)，奥本勒维耶就通过天(tiān)王星(xīng)运行轨道的异常(cháng)，推(tuī)算并且(qiě)发现了海王星(xīng)的存在。另外，哈(hā)雷(léi)彗星、冥王(wáng)星的发现都是应用(yòng)万有引力(lì)定律所取得重大天(tiān)文成就的(de)例子。但是这些发(fā)现都是在恒星系统的尺度当中，可(kě)当我们上(shàng)升到星系或者是星团(tuán)的尺度，事情就开始(shǐ)变得(dé)诡(guǐ)异了。

1933年(nián)，瑞士的(de)物理学家弗里茨兹威基正在研究(jiū)和测量后(hòu)发星系团的质量(liàng)。这是一个由数千个星系所组成的巨大(dà)星系团，这些星系被引(yǐn)力束缚在一起(qǐ)。测量(liàng)星系团的质量一般会使用到两种(zhǒng)方法，当两种(zhǒng)方法结(jié)果一致，就可以确定其质(zhì)量(liàng)的(de)范围。

第一种是获得其(qí)"光度学的(de)质(zhì)量"，需(xū)要的数据是(shì)测量各个星(xīng)系的光(guāng)度。

第(dì)二种是(shì)动力(lì)学质量(liàng)的计算，是利用光(guāng)谱红移测量星系团中的(de)各个星系相对(duì)于星系团的运动速度。当测(cè)量结果(guǒ)出来之后，兹威基(jī)彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光度学(xué)质(zhì)量(liàng)”的(de)400倍。这意味着，后发座星系团有(yǒu)99%的质量消失了，或者说这99%的质量并(bìng)不以可见光的(de)形式所(suǒ)存在(zài)，我们无法看到。最诡异的(de)是，在测量速度的过程(chéng)中，兹(zī)威(wēi)基(jī)发现星系团中(zhōng)很多星系的(de)速度比理论(lùn)上(shàng)要快(kuài)得多(duō)，按照(zhào)牛(niú)顿的运动学(xué)定律，仅靠(kào)这些可见星系(xì)的质量所产生的引力(lì)是无法将它们束(shù)缚在星系团内的，它(tā)们早就应该被抛出星(xīng)系团(tuán)之外(wài)了，除非有一种(zhǒng)神秘的力量在起作(zuò)用，这种力量(liàng)来源于某种隐形(xíng)的物(wù)质。

据此，兹维基提(tí)出了这样部分不可见的暗质，它不(bù)发散光(guāng)、吸光(guāng)、反射光，但是它们却占据着宇宙(zhòu)中绝(jué)大(dà)部分的质量。只是当时的人们(men)对这样的一种说法不屑一顾。

直到40年(nián)之后，“暗物质”这个(gè)词才再一次出现。天(tiān)文学(xué)家维拉鲁宾和(hé)肯特福特(tè)在观测仙女(nǚ)座星系(xì)中的恒星运动。理论上来(lái)说，距离中心越远的恒星在其轨道上的运行速度(dù)就(jiù)会(huì)越慢(màn)。但(dàn)是(shì)他们观测的(de)结(jié)果却让人感到不可思议。

随着与中心距离的增加，恒星(xīng)的旋转速(sù)度几乎保持不变。可是根据牛顿的万有引力定(dìng)律，在星系当中(zhōng)如果没(méi)有足(zú)够大的质量(liàng)来吸引它们，这些外围的恒星早(zǎo)就(jiù)被甩到宇宙(zhòu)当中了(le)。基于这种现象，科学(xué)家们会使用一种(zhǒng)相对标准(zhǔn)的方法来(lái)解释暗(àn)物质的存在(zài)，这种方(fāng)法就是测量星系当中气体(tǐ)在X轴上距离星系中(zhōng)心(xīn)的(de)距(jù)离，以及在(zài)Y轴上气(qì)体的旋(xuán)转速(sù)度(dù)。如果出现异常的(de)结果，就认(rèn)为(wèi)是由暗物质的力量进入其中。

于(yú)是科学家(jiā)们通过射电望(wàng)远镜测(cè)量了距离星(xīng)系中心(xīn)更远距(jù)离的氢元素，发现它们的(de)旋转(zhuǎn)速度并不符合牛(niú)顿的力学定律。我们的太阳系也不例外，太阳系(xì)位于(yú)银河系(xì)的第(dì)三(sān)悬(xuán)臂之上，距离银河系(xì)中心2.6万光年(nián)，根据万有引力定律进行计算，太阳(yáng)系(xì)的运(yùn)行(xíng)速度应该是(shì)160千米/秒，但实(shí)际上，太(tài)阳系正在以220千米/秒的速度围绕银(yín)河(hé)系旋(xuán)转，这个实(shí)际速度远远(yuǎn)大于理论速度，那(nà)么产(chǎn)生以上这(zhè)种(zhǒng)向(xiàng)心加(jiā)速度的(de)原因很可能就是存(cún)在着一种我们看不到的物质(zhì)，是这些暗物(wù)质的(de)引(yǐn)力效(xiào)应(yīng)将星系(xì)聚集在了一起。

也是从这时(shí)开始，越来越(yuè)多的研(yán)究人(rén)员开始相信(xìn)暗物质(zhì)的存在(zài)。科学家根据(jù)星系外恒星轨道的速(sù)度，估算在(zài)星系(xì)当中暗(àn)物(wù)质的质量占(zhàn)整个星(xīng)系质量的(de)85%。但是，暗(àn)物质并不是(shì)唯一可以解释这个现(xiàn)象(xiàng)的(de)原因。在一项新的研究当中，科学家们发(fā)现，几(jǐ)乎没有引力效应的(de)遥远恒星之间，也会出现速度上(shàng)的微(wēi)小差异。另外，天(tiān)文学家还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星(xīng)系距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大(dà)小(xiǎo)和(hé)银河系(xì)不多，但是星系(xì)当中存在的恒星数量却只有银(yín)河系的千分之一。

所以在理论(lùn)上，该星(xīng)系必须存在暗(àn)物质，否则(zé)就会(huì)分崩(bēng)离(lí)析。但是科(kē)学(xué)家们使用最先进的望远镜对其进行了40个小时的详(xiáng)细(xì)测量之(zhī)后(hòu)，发现星系中的恒星运动是可(kě)以用正常的物质和(hé)力学(xué)定律来解释(shì)的。那么又有人提出，也许该星系的暗物质，已经被附近的另一个(gè)大星系剥离(lí)了。奇怪的是，它的附近(jìn)没有任(rèn)何星系(xì)存(cún)在。造成这些现象的除了暗物质的假说之外，另(lìng)一种可能就(jiù)是人类对引力的(de)理解还不够全面(miàn)，引力很可能在(zài)不同尺度(dù)空间中的工(gōng)作方(fāng)式是不(bù)同的，这意味(wèi)着在行(xíng)星系(xì)尺度中的天(tiān)体会沿着它们的轨道，按照我们所理解的方式(shì)运动(dòng)。但是上升到星系和星(xīng)团(tuán)的尺(chǐ)度，引力之间(jiān)的相(xiāng)互作用则是不(bù)同(tóng)的方式。对于(yú)在星系团之间的相互作用，科学家还(hái)引入了外部场效(xiào)应(yīng)的概念(niàn)，指的是在数百万光年的规模上(shàng)，巨大的质(zhì)量之间会产生对彼此(cǐ)特殊的效(xiào)果(guǒ)，这个理论叫(jiào)做MOND蒙(méng)德理(lǐ)论。如果MOND蒙德理论成立(lì)，这意味着我们需(xū)要(yào)对现(xiàn)在的物理定律进行修正，这些发(fā)现也(yě)让很多人认为暗物质假说理论就此(cǐ)终结(jié)。但是在宇宙当中(zhōng)还有关于暗物质(zhì)存(cún)在的其他的理(lǐ)论证据，这些(xiē)理(lǐ)论证据是蒙德理(lǐ)论所没(méi)法解(jiě)释的(de)“引力透(tòu)镜”。

径(jìng)向(xiàng)距(jù)离为37亿(yì)光年的(de)子弹星系团，由两个碰撞的星系团所组成(chéng)，类似这(zhè)样(yàng)的星(xīng)团，它们(men)大部(bù)分的普通质量(liàng)都(dōu)在星系的气体当中。当星团以1000万公(gōng)里/小时发(fā)生碰撞的时候，星际气体的相互(hù)作用就会导(dǎo)致温度的急剧(jù)升高，速度(dù)大幅(fú)降(jiàng)低。所以在理(lǐ)论(lùn)上(shàng)，在碰撞之后，子弹星(xīng)系团大部分的质量将位于(yú)所有这些(xiē)气体(tǐ)所在的中间区域。那么我(wǒ)们通过什么(me)来验证它的质量区域(yù)到底是不是集中在中间呢？前不久，詹姆斯韦(wéi)伯太(tài)空望远镜传(chuán)回了宇宙(zhòu)当(dāng)中第(dì)一张(zhāng)全(quán)彩的(de)高清照片，在照片中我们可以明显地看(kàn)到很多星系似乎(hū)被拉伸产生了巨大(dà)的形变。其(qí)实(shí)这些星系本(běn)身并(bìng)不是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦伯望远(yuǎn)镜出了什(shén)么问题，而是这样极遥(yáo)远(yuǎn)的天体(tǐ)和(hé)我(wǒ)们地球上的观测者之间。被(bèi)一个(gè)质(zhì)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(gèng)遥(yáo)远星(xīng)系的光都发(fā)生了扭曲。这个现(xiàn)象就(jiù)是引力透镜效应。这个(gè)巨大的天体可(kě)能是超大(dà)质量的黑(hēi)洞或(huò)者(zhě)是(shì)暗物质。

所以当(dāng)人们对子弹星系团(tuán)观测的时候，发现(xiàn)它的(de)大质量区域并不(bù)是在中间，而是(shì)在两侧。所以最好(hǎo)的(de)解释方法就(jiù)是当星团发生全部的碰撞时，可(kě)被观测到的质(zhì)量(liàng)气体被(bèi)卡在了中间，暗物质则(zé)直接通(tōng)过了这(zhè)个区(qū)域，并在两(liǎng)边形成了引力透镜。对子弹星系团的引力透(tòu)镜研究也被认为是暗(àn)物质存在的(de)迄今为止最(zuì)好的理(lǐ)论证据(jù)。

除此(cǐ)之外，还有来自(zì)宇宙当中最(zuì)古老(lǎo)的(de)光。从宇宙大爆炸开(kāi)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(yuè)在宇宙当中了。经过(guò)了130多亿(yì)年之后(hòu)，这些光在宇宙空(kōng)间背景上留下了各相(xiāng)同性(xìng)的微波辐(fú)射(shè)。其中红(hóng)色的部(bù)分表示温(wēn)度较高(gāo)的区(qū)域(yù)，蓝色则表(biǎo)示相对较(jiào)冷的区(qū)域，但实际上它们之间的温差只有万分(fēn)之一(yī)。

科(kē)学家们通(tōng)过对前景背景分离(lí)后的二值(zhí)图像进行连(lián)通域提取和标记(jì)之后发现(xiàn)，如果宇宙(zhòu)当中没(méi)有暗物质，图(tú)形(xíng)看起来不应(yīng)该(gāi)是这样的，而随着暗物质(zhì)的增加，一些峰值的(de)幅度会减小，才变得看起来“和谐”。为了匹配(pèi)宇宙(zhòu)微波背景辐(fú)射的(de)测量值，我们需要的暗物质大约是(shì)普(pǔ)通物质的5倍。这个数字(zì)与解释(shì)星系当中恒星运动所需(xū)要的暗(àn)物质比(bǐ)例是一致的。这就意味着。

用(yòng)了一个简单的理(lǐ)论框架(jià)，就很好地解(jiě)释了很多(duō)不同的观测结(jié)果(guǒ)。而暗物质的本(běn)质就是宇宙当(dāng)中存(cún)在着某种(zhǒng)类型的(de)粒(lì)子，它(tā)们不参与任(rèn)何其他(tā)的电磁作(zuò)用(yòng)，只通过引力来相(xiāng)互作(zuò)用。所(suǒ)以如(rú)果能(néng)够(gòu)找到这种(zhǒng)粒(lì)子的存在，就相当于(yú)找到了暗物质存(cún)在的实际证据。这种粒子到底是什么(me)？科学家们已(yǐ)经提出了(le)数十(shí)种(zhǒng)的假(jiǎ)想目标，而要寻找这些不同的(de)目标粒子(zi)所(suǒ)需要的(de)实(shí)验方式也不相同。在过去(qù)的几十年当中，人类为了寻找这些(xiē)看(kàn)不见、摸不到，几乎不会与(yǔ)常规物质相(xiāng)互作(zuò)用的“暗(àn)物质”，科学家们已经进行了超过50次的实验，却没有任何(hé)实质性的(de)发现，除(chú)了一个(gè)地方，意大利的格兰(lán)萨索山，隶属于(yú)阿尔卑斯山脉(mài)。

在山下(xià)1400米处的(de)地(dì)下矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏着地球上最(zuì)大的地学实验室，这个(gè)实验室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这里有一(yī)个三(sān)层(céng)楼(lóu)高的探测器，一直致力(lì)于(yú)寻(xún)找暗(àn)物质粒子(zi)的(de)周期性震(zhèn)荡。

自1997年(nián)以来，这里的(de)科学家声称观测到(dào)了某种信(xìn)号(hào)。经过(guò)了20多年的数据收集，人们发现了一个(gè)有趣的(de)事(shì)情。探测率会在每年的6月份达到(dào)峰值(zhí)，然后在11月降到最低(dī)，而且(qiě)在20年当中每年(nián)都是一样。一些科(kē)学家认为这可能(néng)是人类发现暗物质的第一(yī)个直(zhí)接(jiē)证据。

但(dàn)是为什么暗物质会产(chǎn)生周期(qī)性(xìng)的(de)年(nián)度信(xìn)号(hào)呢？刚(gāng)才(cái)我们讲了太阳系正在以220公里/秒(miǎo)的(de)速度围绕着银(yín)河系进行移动，那么如果(guǒ)暗物质(zhì)存(cún)在宇(yǔ)宙(zhòu)当(dāng)中，这意(yì)味着我(wǒ)们(men)也在以这样的速(sù)度(dù)在穿越着(zhe)暗(àn)物质流，这(zhè)个过程中会产生相应的(de)振(zhèn)荡(dàng)，同时(shí)地球又以30公里/秒的速(sù)度围绕太阳(yáng)进(jìn)行(xíng)旋(xuán)转。所以有半年(nián)的时间，地球围绕太阳(yáng)的方向(xiàng)与太阳环绕(rào)银(yín)河系的(de)方向是一(yī)致的，而另外半年则(zé)与之相反。

而在6月份的时候，地(dì)球与(yǔ)太阳的方向正好(hǎo)达到完全(quán)一致，这是理论(lùn)上(shàng)地球穿越暗物质流最(zuì)快的(de)时(shí)段(duàn)。而(ér)在11月份，又恰(qià)好达到了最慢值。尽管在实际的情(qíng)况中，太阳系相(xiāng)对银河系的平(píng)面呈现(xiàn)了(le)60度的倾斜，但是这并(bìng)不影响这个理论的(de)有(yǒu)效性。

因此科学(xué)家认为(wèi)这可(kě)以用来解释，研究(jiū)人员(yuán)们所观测(cè)到的周期性(xìng)信号。当(dāng)然也可能有其他的情况，造成(chéng)这种年(nián)度周期(qī)信号的(de)差异也可能是温度(dù)、湿度、土壤中的(de)水分(fēn)、高(gāo)山(shān)上的积(jī)雪，甚(shèn)至连意大(dà)利(lì)游客的数量(liàng)也符合这个周期的规律。

所以，科学家(jiā)们又在南半球建立了一个几(jǐ)乎(hū)相同的(de)实(shí)验(yàn)室，这里(lǐ)的(de)季节与之(zhī)前(qián)的实验室正好(hǎo)相反，而在这(zhè)里(lǐ)，地球穿过暗(àn)物质流的运动(dòng)特征和第(dì)一个实验室是一样的。

因此(cǐ)，如(rú)果在这(zhè)里可(kě)以得到相同的信(xìn)号，就可以成为暗物(wù)质所(suǒ)存在的非常有力的(de)证(zhèng)据(jù)了(le)。但是(shì)由于这个(gè)实验(yàn)室刚刚(gāng)建(jiàn)成不久(jiǔ)，所以截至目前还无法(fǎ)提供相应的数据(jù)支持。另(lìng)外，在2025年(nián)，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太(tài)空望远镜叫(jiào)做“南希(xī)格雷(léi)斯(sī)罗曼(màn)”，它(tā)的主镜大小(xiǎo)跟哈勃望远镜相同，但它的宽视场仪器(qì)提供的视野(yě)是(shì)哈勃红外仪器的100倍。南希(xī)格雷斯罗曼太(tài)空(kōng)望远镜其中一(yī)个关键的(de)用途就是(shì)探索暗物质(zhì)背后的奥秘，对(duì)于探测的结果，我们只能拭目以待了。费米实(shí)验(yàn)室(shì)粒子天(tiān)体物(wù)理中心(xīn)的科学(xué)家(jiā)丹琥珀和贾森(sēn)斯特芬研究发现，如(rú)果暗(àn)物(wù)质存在，它们极(jí)有可能拥有另一种(zhǒng)神秘的效应，这种暗物(wù)质效(xiào)应，会(huì)支持(chí)宇宙当中生命的诞(dàn)生，或者说是生命进化(huà)的一个重要(yào)因素。

如果(guǒ)这一(yī)理论得到进(jìn)一步的证实，那么(me)遍布宇宙(zhòu)当中的暗物质会不会意味(wèi)着(zhe)人类并不孤(gū)单(dān)呢？或许(xǔ)在宇宙(zhòu)当中某个角落的行星上，暗物质正在通过这样(yàng)的效应创造生命。当(dāng)然，这些(xiē)推论(lùn)的大前提(tí)是要先找到暗物质(zhì)存在的实际(jì)证据。那么小伙伴们(men)，你们觉得暗物质到底(dǐ)存不存在呢？喜(xǐ)欢请(qǐng)点赞，你的支持是我更新的动力！

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