宇(yǔ)宙是“人为制造”的？为何会存在科学无法解释的(de)“暗(àn)物质(zhì)”？暗物质又究竟是(shì)什么？人类为了寻找暗物质存在(zài)的证据，科学家们(men)在过去(qù)的几(jǐ)十年当中进行了超过50次的长(zhǎng)期实验，但(dàn)是却没(méi)有发现任(rèn)何(hé)的有效证据。除了一个地(dì)方，在1687年出版(bǎn)的(de)自(zì)然(rán)哲学数学原理一(yī)书中，埃(āi)萨克(kè)牛(niú)顿发表了万有引力(lì)定律，它揭示了宇(yǔ)宙中天体运动(dòng)的规律(lǜ)。往(wǎng)后的几百年来(lái)，当(dāng)天文学家们发(fā)现某些天体运(yùn)行(xíng)轨道出(chū)现异常，不符合万有引力定律的时(shí)候，他们就会知道，周围一定有未(wèi)知(zhī)的天体通(tōng)过引力在摄动(dòng)它的轨道。比如在1846年(nián)，奥本勒维(wéi)耶就通过天王星运行轨道的异常，推算(suàn)并且发(fā)现了海王星的存在。另外(wài)，哈雷彗(huì)星、冥王星(xīng)的(de)发(fā)现都是应用万有引力(lì)定律所取得重(zhòng)大天文成(chéng)就的例子。但是这些发现都(dōu)是在恒星系统(tǒng)的尺度当中，可当我们(men)上升(shēng)到星系或者(zhě)是(shì)星团的尺度，事情就开始变(biàn)得诡异了。

1933年，瑞士的(de)物理学家(jiā)弗里茨兹威基正在研究和(hé)测量后发星系(xì)团的质量。这(zhè)是(shì)一个由数千个星系(xì)所组成(chéng)的巨大星系团，这些(xiē)星系被引力束(shù)缚在一(yī)起。测(cè)量星系团的质量(liàng)一般会使用(yòng)到(dào)两种方法(fǎ)，当两种方法结果一致，就可以确定(dìng)其质量的范(fàn)围(wéi)。

第一种是获(huò)得其"光度(dù)学的质量"，需要的数(shù)据是测量各个星系的光度。

第二种是动力学质量(liàng)的计算，是(shì)利用光谱(pǔ)红移测量星系(xì)团(tuán)中(zhōng)的(de)各(gè)个星系相对于星系团的(de)运动(dòng)速(sù)度。当测(cè)量结(jié)果出来之后，兹威基彻底(dǐ)懵了(le)，“动力学质量”竟然是“光(guāng)度学质量”的(de)400倍。这意味(wèi)着，后发座星系(xì)团有99%的质量消(xiāo)失了，或者说这(zhè)99%的质量并不以(yǐ)可见(jiàn)光的形式(shì)所存(cún)在，我们无法看到。最诡异的是(shì)，在测量(liàng)速度(dù)的过程中，兹威(wēi)基发现星系(xì)团中很(hěn)多星系(xì)的速(sù)度比理论(lùn)上要快得多，按照牛顿的运(yùn)动学定(dìng)律，仅靠这些可见星系的(de)质量所(suǒ)产生的引力是无法(fǎ)将它们束缚在星系团内的，它们早就应该(gāi)被抛(pāo)出星(xīng)系团(tuán)之外(wài)了，除非有一种神秘的(de)力量在起(qǐ)作用，这种力量来源于某种隐形的物质。

据此(cǐ)，兹维基提出了这(zhè)样部分(fēn)不可见(jiàn)的(de)暗质，它(tā)不(bù)发散光、吸光、反射光，但是它们却占据着宇宙(zhòu)中绝大部(bù)分的质量。只(zhǐ)是当时的人们对(duì)这(zhè)样的一种说法(fǎ)不屑一顾。

直(zhí)到40年之后，“暗物质”这个词才(cái)再一次出现(xiàn)。天文学家维拉鲁宾和肯(kěn)特福特在观测仙女(nǚ)座星系(xì)中(zhōng)的恒(héng)星运动。理论上来说，距离中心越(yuè)远(yuǎn)的恒星在其(qí)轨道上(shàng)的运行速度就会越慢。但(dàn)是(shì)他们观测的结果却让人感(gǎn)到不可(kě)思(sī)议。

随(suí)着与中心距离的增加，恒星的(de)旋转速度几(jǐ)乎保持不变(biàn)。可是根(gēn)据(jù)牛顿的万有引(yǐn)力(lì)定律，在星(xīng)系当中如果没有足够大的质量(liàng)来(lái)吸(xī)引它(tā)们，这些外围的恒星(xīng)早就被(bèi)甩到宇宙当(dāng)中了。基于这种现象，科学(xué)家(jiā)们会使用(yòng)一种相对(duì)标准(zhǔn)的方法(fǎ)来(lái)解释暗物质的(de)存在(zài)，这种(zhǒng)方法就是测量(liàng)星系当中气体在X轴上距离(lí)星系中心的距离，以及(jí)在Y轴(zhóu)上气(qì)体(tǐ)的旋转速度。如果出现(xiàn)异(yì)常的(de)结果，就认为(wèi)是(shì)由暗物质的力(lì)量(liàng)进入其中(zhōng)。

于是(shì)科(kē)学(xué)家们(men)通过射电望远镜测(cè)量了距(jù)离星系中心更(gèng)远距离的(de)氢元素，发现它们(men)的旋转速度(dù)并不符合牛顿的力学定(dìng)律。我们的太阳系(xì)也不例外，太阳系(xì)位于银河系(xì)的第三悬(xuán)臂之(zhī)上，距(jù)离(lí)银(yín)河系中心2.6万光年(nián)，根据(jù)万有引(yǐn)力定律进行计算(suàn)，太(tài)阳(yáng)系的(de)运(yùn)行速度应该(gāi)是160千米(mǐ)/秒，但实(shí)际上，太阳系(xì)正在(zài)以220千(qiān)米(mǐ)/秒的速度围绕银(yín)河系旋转，这个实际速度远远大于理论速度，那么(me)产生以上这种向心加速度的原因很可能就是存在着(zhe)一种我们(men)看不到的物质(zhì)，是这些(xiē)暗物质的(de)引力(lì)效应将星系聚集在了一起。

也是从这时开始，越来越多的研究人员(yuán)开始(shǐ)相信暗物(wù)质的存在。科学(xué)家根据星系外恒星轨道的速度，估算在(zài)星(xīng)系当中暗物质(zhì)的质(zhì)量占(zhàn)整个星系质(zhì)量的85%。但是，暗物(wù)质并不是(shì)唯一可以解释这个现象(xiàng)的(de)原因。在一项新的(de)研究当中(zhōng)，科学家们发(fā)现，几乎没有(yǒu)引力效应的(de)遥(yáo)远恒星之(zhī)间，也会出现速(sù)度上的微小差(chà)异(yì)。另外，天文学家(jiā)还发(fā)现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系距离地球大(dà)约2.5亿光年(nián)，大小和银河系不多，但是星系当中存在(zài)的恒星数量却只有银河系的千分之一。

所以在理(lǐ)论上(shàng)，该(gāi)星系必须存在暗物(wù)质(zhì)，否则就会分崩离析。但是科(kē)学(xué)家们(men)使用最先进的(de)望远(yuǎn)镜对其进行了(le)40个(gè)小时的(de)详细测量之(zhī)后，发现星系中的(de)恒(héng)星(xīng)运动是可(kě)以用正(zhèng)常的物质和力学定律来解释的。那么又(yòu)有人提出，也许(xǔ)该星系的暗物质，已经(jīng)被附近(jìn)的另一个大星系剥离了。奇(qí)怪(guài)的是，它的附近没(méi)有(yǒu)任何星系存在。造成这些现(xiàn)象(xiàng)的除了暗(àn)物质的(de)假说之外，另一种(zhǒng)可能就是人类对引(yǐn)力的(de)理解还不够全面，引力很可能在不(bù)同尺度(dù)空间中(zhōng)的(de)工作方(fāng)式是不同的，这意味着在行星系尺度中的天体(tǐ)会沿着(zhe)它们的轨(guǐ)道，按照我们所理解的方式运(yùn)动(dòng)。但是上升到星系(xì)和(hé)星团的尺度(dù)，引力之间(jiān)的相(xiāng)互作用(yòng)则是(shì)不同(tóng)的方(fāng)式。对于(yú)在星系团之间的相互作用，科(kē)学家还引(yǐn)入了外部场(chǎng)效应的(de)概(gài)念，指的是在数(shù)百万光年(nián)的规模上，巨大(dà)的质(zhì)量之间会(huì)产(chǎn)生对彼此(cǐ)特殊的(de)效果，这个理论叫做MOND蒙德(dé)理论。如(rú)果MOND蒙(méng)德理论成立，这意味着我们需(xū)要对现在的物(wù)理定律进行修正，这些(xiē)发现也让(ràng)很多人认为暗物质假(jiǎ)说理论就此(cǐ)终结。但是(shì)在宇宙当中还(hái)有关于暗(àn)物质(zhì)存在(zài)的(de)其他的理论证据，这(zhè)些理(lǐ)论证据(jù)是蒙德理论所没(méi)法解释的“引(yǐn)力透镜”。

径向距离为37亿(yì)光(guāng)年的子弹(dàn)星系团，由两个(gè)碰撞的星系团所组成，类似这样(yàng)的星团，它们大部分(fēn)的普(pǔ)通质量都(dōu)在星系的气体当中(zhōng)。当(dāng)星团以1000万公(gōng)里/小(xiǎo)时发生碰撞的时候，星(xīng)际气(qì)体的相互作用就会导(dǎo)致(zhì)温度的急剧升(shēng)高，速度大幅降低(dī)。所以在理论上，在碰撞(zhuàng)之后，子(zi)弹(dàn)星(xīng)系团(tuán)大部分(fēn)的质量将位于所有这些气体所在的中间区(qū)域。那么我们(men)通过什么来验证它的质(zhì)量(liàng)区域到底是不是(shì)集中在中(zhōng)间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了(le)宇宙当(dāng)中第一张全(quán)彩的高清照片(piàn)，在照片中我们可以明显地看到很多(duō)星(xīng)系似乎被拉(lā)伸产生了巨大(dà)的形变。其(qí)实这些星系本身并不是真(zhēn)的被扭(niǔ)曲了(le)，也不是韦伯(bó)望远镜出了(le)什(shén)么问题，而是(shì)这样极遥远的天(tiān)体(tǐ)和我们(men)地(dì)球上的观测者之间(jiān)。被一个质(zhì)量超级巨大(dà)的天体遮挡，这个超大质量的东西的引力，会(huì)使身后(hòu)更遥远星系的光都发生了扭曲。这(zhè)个(gè)现(xiàn)象就是引(yǐn)力透镜效(xiào)应。这个巨大的天(tiān)体可能(néng)是超大质量(liàng)的黑洞或(huò)者(zhě)是暗物质。

所以当(dāng)人(rén)们对子弹星系团观测(cè)的时候，发现它的大质量区域并(bìng)不是在中间(jiān)，而(ér)是在两侧。所(suǒ)以最好的(de)解释(shì)方法就(jiù)是当星团发生全部的(de)碰撞时，可被观测到的质量(liàng)气体被卡在了中(zhōng)间，暗物(wù)质则(zé)直接(jiē)通过了这个区域，并在(zài)两边形成(chéng)了引力(lì)透镜。对子弹星系(xì)团(tuán)的引力透镜研究也(yě)被(bèi)认为是(shì)鞋子235码数是多少，鞋子235是什么码？暗(àn)物质存在的(de)迄今为(wèi)止最好的理论证据。

除此之外，还有来自宇宙当中(zhōng)最古老的光。从(cóng)宇宙(zhòu)大爆炸(zhà)开始，38万年之后，可见光终于可以畅通无阻地穿越(yuè)在宇宙当(dāng)中了。经过了(le)130多亿年之后，这些光(guāng)在(zài)宇宙空(kōng)间背景(jǐng)上留(liú)下了各(gè)相同性的(de)微波辐射。其(qí)中红(hóng)色的(de)部分(fēn)表示温度较高的区域，蓝(lán)色则表示(shì)相(xiāng)对较冷的区域，但(dàn)实际上它们之(zhī)间的温差只有万分之(zhī)一。

科学家(jiā)们通过(guò)对前景背景(jǐng)分离后(hòu)的二值(zhí)图像进行连通(tōng)域提取和标记之(zhī)后发(fā)现，如果宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)没有(yǒu)暗物质，图形看起来不应(yīng)该是这样的，而(ér)随(suí)着(zhe)暗物(wù)质的增加，一(yī)些峰值的幅度会减小(xiǎo)，才变得看起来“和谐”。为了匹配宇宙微(wēi)波(bō)背景辐射的测量值，我(wǒ)们(men)需要的暗物(wù)质大约是普通物质的(de)5倍。这个数字与(yǔ)解释星系(xì)当中恒(héng)星运动所需要的暗物质比例是一致的(de)。这(zhè)就意(yì)味着。

用(yòng)了一(yī)个简单的理论框架(jià)，就很(hěn)好地解释(shì)了很多(duō)不同(tóng)的观测结(jié)果。而暗(àn)物质的本质就是宇宙当中(zhōng)存(cún)在着(zhe)某种类型的粒子，它(tā)们不参(cān)与任(rèn)何其他的电磁作用，只通过引力来(lái)相(xiāng)互作用。所以如果能够找到这(zhè)种(zhǒng)粒子的存在，就相当于找到(dào)了(le)暗物质(zhì)存在的(de)实际证据。这种(zhǒng)粒子到底是(shì)什(shén)么(me)？科学家们已经提出(chū)了数十种的(de)假想目(mù)标(biāo)，而要寻找这些(xiē)不同的目标粒(lì)子所(suǒ)需(xū)要的实验方式(shì)也不相同。在过去(qù)的几十(shí)年当中，人类为了寻找(zhǎo)这些看不见、摸不(bù)到，几(jǐ)乎不(bù)会与常规物质相互(hù)作用的(de)“暗物质”，科学(xué)家们已经进(jìn)行(xíng)了(le)超过50次的(de)实验，却没有(yǒu)任何实(shí)质性的(de)发(fā)现，除了一个地方(fāng)，意大利的格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山(shān)下1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着地球上最大的地学实验室，这个(gè)实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼(lóu)高的探(tàn)测器，一直致力于寻找暗物质粒子的周期性震荡。

自1997年以(yǐ)来，这里的科学家声称观测到(dào)了某(mǒu)种信(xìn)号。经(jīng)过了(le)20多年的(de)数据收集，人们发现(xiàn)了一个有趣(qù)的(de)事情。探测率会在每年的(de)6月(yuè)份达到峰值(zhí)，然后(hòu)在11月降到最低，而且在20年当中每年都(dōu)是一样。一些科学家认为(wèi)这可能是(shì)人类发现暗物质(zhì)的第一个(gè)直接(jiē)证据(jù)。

但是(shì)为什么暗物质会(huì)产生(shēng)周期性的年度信号(hào)呢？刚才我们(men)讲了太阳系正在以220公里/秒的速度围绕着银河系进行(xíng)移(yí)动(dòng)，那(nà)么如果(guǒ)暗物质存(cún)在宇宙当中，这意味(wèi)着我们也(yě)在以这样的速度在穿越着暗物质(zhì)流(liú)，这个过程(chéng)中会产生相应的振(zhèn)荡，同时地球(qiú)又以30公(gōng)里/秒的速度围绕太阳进行(xíng)旋转。所以有半年的时间，地(dì)球围(wéi)绕太阳(yáng)的方向与太阳(yáng)环绕银(yín)河系(xì)的方向(xiàng)是一致的，而另(lìng)外半年则与之相(xiāng)反(fǎn)。

而在(zài)6月份的时候，地(dì)球与太(tài)阳(yáng)的方向正好(hǎo)达(dá)到完全一致(zhì)，这是理论(lùn)上地(dì)球穿越暗物质流(liú)最快(kuài)的时段。而在11月(yuè)份，又恰(qià)好达到了(le)最(zuì)慢(màn)值。尽管在(zài)实际的情况中(zhōng)，太阳系(xì)相(xiāng)对(duì)银河系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这(zhè)并(bìng)不影响这个理论的有效性。

因(yīn)此科学家认为这可以用来解(jiě)释，研究人员们所观(guān)测到的周期性(xìng)信(xìn)号。当然也(yě)可(kě)能有(yǒu)其他的情况，造成这种年度周期(qī)信(xìn)号的差(chà)异也可(kě)能是温度、湿(shī)度、土壤中的水分(fēn)、高山上(shàng)的积(jī)雪，甚至连(lián)意大利(lì)游客的数量也符(fú)合这个周期的规律。

所以，科学家们又(yòu)在南半球建立了一个(gè)几乎(hū)相同(tóng)的(de)实验室，这里的季节与之前(qián)的实(shí)验室正好相反，而(ér)在这里，地球穿过(guò)暗物(wù)质(zhì)流的运动(dòng)特(tè)征和(hé)第一个(gè)实验室是一样的。

因(yīn)此，如果在这里可(kě)以得到(dào)相同的(de)信号，就可以成(chéng)为暗(àn)物质(zhì)所存在的非常有力的证据(jù)了。但是由(yóu)于这个实验室刚刚建(jiàn)成不久(jiǔ)，所以(yǐ)截(jié)至(zhì)目前(qián)还(hái)无法提供相(xiāng)应的数据支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会(huì)发射一台新的望远(yuǎn)镜(jìng)，这(zhè)台(tái)太空望(wàng)远镜叫做“南希(xī)格雷斯罗曼(màn)”，它的主镜大(dà)小跟哈勃(bó)望远镜相(xiāng)同，但它的宽视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太空(kōng)望(wàng)远镜其中(zhōng)一(yī)个关键的用途就(jiù)是探索暗物质背后的奥秘，对于探(tàn)测的结(jié)果，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费米实(shí)验室粒(lì)子(zi)天体物理中(zhōng)心的科学(xué)家丹琥(hǔ)珀和贾森斯特芬研究发现，如(rú)果暗(àn)物质(zhì)存在，它们极有可能拥有另(lìng)一(yī)种神(shén)秘(mì)的效应，这种暗物(wù)质(zhì)效(xiào)应，会支(zhī)持宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)生命的诞生，或者说是生(shēng)命进化的一个重要因素。

如果这一理论得(dé)到进一步的证实，那么(me)遍布宇宙(zhòu)当中的暗物(wù)质(zhì)会(huì)不会意(yì)味着人类(lèi)并不孤单呢？或许在宇宙当中某个角(jiǎo)落(luò)的行星上，暗物质(zhì)正在通过(guò)这样(yàng)的效应创造生命(mìng)。当然，这(zhè)些推论的大前提(tí)是要(yào)先(xiān)找(zhǎo)到暗物质存在(zài)的实(shí)际证据。那(nà)么小伙(huǒ)伴们(men)，你们觉得(dé)暗物质到底存不存(cún)在呢？喜欢请点赞，你的(de)支持是我更新的动力！

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