宇宙是(shì)“人为制造”的？为何会存在科学无(wú)法解释的(de)“暗物(wù)质”？暗(àn)物质(zhì)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(de)几(jǐ)十年(nián)当(dāng)中(zhōng)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(zhèng)据。除了一个(gè)地方(fāng)，在1687年出版的自然哲学数(shù)学原理一书中，埃萨(sà)克牛顿发表了万有引力(lì)定律(lǜ)，它揭(jiē)示了宇(yǔ)宙(zhòu)中天体运动的规律(lǜ)。往后的几(jǐ)百年(nián)来(lái)，当天文学家们发现某些天(tiān)体(tǐ)运(yùn)行轨道(dào)出现异常，不符(fú)合万(wàn)有引力(lì)定律的时(shí)候，他们就会知道(dào)，周围(wéi)一定有未(wèi)知的天体(tǐ)通过引力在摄(shè)动(dòng)它的轨道。比如(rú)在(zài)1846年，奥本勒维耶就(jiù)通(tōng)过(guò)天王星运行轨道的异常，推(tuī)算并且发(fā)现了海王星的存在。另(lìng)外，哈雷彗星(xīng)、冥王星的发(fā)现(xiàn)都是(shì)应用万有引力定律(lǜ)所取得重(zhòng)大(dà)天文成就(jiù)的(de)例(lì)子。但是(shì)这些发现(xiàn)都是在恒星系统的尺度当(dāng)中，可当我们上升到星系或者(zhě)是星团的尺度，事情就开(kāi)始变得(dé)诡(guǐ)异了。

1933年，瑞士的物理学家弗(fú)里茨兹(zī)威基正在研究(jiū)和测(cè)量后发星系团(tuán)的质量。这是一个(gè)由数千个(gè)星系所(suǒ)组成的(de)巨(jù)大星(xīng)系团，这些星系被引力束缚在(zài)一起。测量(liàng)星(xīng)系团的(de)质量一般会使用到两种(zhǒng)方法，当两种方法结(jié)果一致(zhì)，就可以(yǐ)确定其(qí)质(zhì)量的范围。

第(dì)一种是获得(dé)其"光度学(xué)的(de)质量"，需要的数据是测量(liàng)各个星系的光度。

第(dì)二(èr)种是动力学质量的(de)计算，是利用(yòng)光(guāng)谱红移测(cè)量星系团(tuán)中(zhōng)的各个星(xīng)系相(xiāng)对于(yú)星系(xì)团的运动速度。当测量结果出来之(zhī)后，兹(zī)威基彻底懵了，“动力学质量(liàng)”竟然是“光(guāng)度学质量”的400倍。这意味(wèi)着，后发座星系团有99%的(de)质量消失了，或者说(shuō)这(zhè)99%的质(zhì)量并不以可见光的形式(shì)所存(cún)在(zài)，我(wǒ)们无法看(kàn)到。最(zuì)诡(guǐ)异的是(shì)，在(zài)测量(liàng)速度的(de)过(guò)程中(zhōng)，兹威基(jī)发现星(xīng)系团中很多星(xīng)系(xì)的速(sù)度比理论上要快得多，按照牛顿的(de)运(yùn)动学定律，仅靠这(zhè)些可(kě)见星系的质量(liàng)所产生的引力是无法将它们束缚(fù)在星系团(tuán)内的(de)，它们早(zǎo)就应该(gāi)被抛出(chū)星系团之(zhī)外了(le)，除非有一种神秘的力量在起(qǐ)作(zuò)用，这种力量来源于(yú)某种隐形的物(wù)质。

据此，兹维(wéi)基(jī)提出了(le)这样部分不可(kě)见的暗(àn)质，它不发散光、吸(xī)光(guāng)、反射(shè)光，但是它们却占据着宇宙中绝大部分的(de)质量。只是(shì)当时的(de)人们(men)对这(zhè)样的一(yī)种说(shuō)法不屑一顾。

直到40年之后(hòu)，“暗物质(zhì)”这(zhè)个词才再一次出现。天文学家维拉鲁宾(bīn)和肯特福(fú)特在观测仙女座星系中的恒(héng)星(xīng)运动。理论上来说，距(jù)离中心越远的恒星在其轨道(dào)上的运行速度就会越慢。但是他们观测的结(jié)果却让人感到(dào)不可思议。

随着与中心距离的(de)增加，恒星的旋转速度几乎保持不(bù)变(biàn)。可是根据牛顿的万有引力(lì)定律，在星系当中(zhōng)如(rú)果没(méi)有足(zú)够(gòu)大的质(zhì)量(liàng)来吸引它们(men)，这些外(wài)围(wéi)的恒星早就被甩到宇宙当中了。基(jī)于这种现象，科学家们会使用一种相对标(biāo)准的方法来解(jiě)释暗物质的(de)存在，这(zhè)种方法就是测(cè)量星(xīng)系当中(zhōng)气体在X轴上距离星系中心的距离，以(yǐ)及(jí)在Y轴(zhóu)上(shàng)气体(tǐ)的旋(xuán)转速度。如果出(chū)现异常的结果(guǒ)，就(jiù)认(rèn)为是由暗物质的力量进入(rù)其(qí)中。

于是科(kē)学家们通过射电望远(yuǎn)镜测量了距离星系中心更远(yuǎn)距离的氢(qīng)元(yuán)素，发(fā)现它们的旋转速度并不符合牛(niú)顿的力(lì)学定律。我们的太阳(yáng)系(xì)也不例外，太(tài)阳(yáng)系(xì)位于(yú)银(yín)河(hé)系(xì)的第(dì)三悬臂之(zhī)上(shàng)，距离(lí)银河(hé)系中(zhōng)心2.6万光年，根据万有引力定律(lǜ)进(jìn)行计算，太阳系的运行(xíng)速度应(yīng)该(gāi)是160千米(mǐ)/秒，但实际(jì)上，太阳系正在以(yǐ)220千米/秒的速度围绕银河系旋转(zhuǎn)，这个实际(jì)速度远(yuǎn)远大(dà)于理论速度，那么(me)产生以(yǐ)上这(zhè)种(zhǒng)向心加速(sù)度(dù)的原因(yīn)很可(kě)能就是存在着一(yī)种我们(men)看不到(dào)的物质，是这些(xiē)暗物(wù)质的引(yǐn)力效应将星系聚集(jí)在了一起。

也是从这时开始，越来越多的研究(jiū)人员开始相信暗物质的存在。科学家根据星(xīng)系外恒星轨(guǐ)道的速度，估算在星(xīng)系当中暗物质的(de)质量占整个星系质量的85%。但是，暗(àn)物(wù)质并不(bù)是唯一可以解释这(zhè)个现象的原因(yīn)。在一项新(xīn)的研究当中，科(kē)学家们(men)发现，几乎(hū)没有引力效应的遥远恒星(xīng)之间(jiān)，也会出现速度上的微(wēi)小差异。另外，天文(wén)学家还(hái)发现了一个(gè)反常的星(xīng)系(xì)，叫做Agc114905。这(zhè)个星(xīng)系(xì)距离地球大约2.5亿光年，大小和银河系不多，但是星系当中(zhōng)存(cún)在的恒(héng)星数量(liàng)却只(zhǐ)有银河系(xì)的千(qiān)分之一。

所以在理论上，该星系必须存在暗物(wù)质，否则就会分崩离析(xī)。但(dàn)是(shì)科(kē)学家(jiā)们使用(yòng)最先进的(de)望(wàng)远(yuǎn)镜对(duì)其(qí)进(jìn)行(xíng)了(le)40个小时(shí)的详细(xì)测量之后，发现(xiàn)星系中的恒星运(yùn)动是可以用正常的物质和力学定律来解(jiě)释的。那(nà)么(me)又(yòu)有人提(tí)出(chū)，也许该星(xīng)系(xì)的(de)暗物质，已经被(bèi)附(fù)近的(de)另一个大星系(xì)剥离了。奇怪的是，它的附近没(méi)有任(rèn)何星系存在。造成这些现(xiàn)象的(de)除(chú)了暗物(wù)质的假说(shuō)之外，另一种(zhǒng)可能就是人(rén)类对引力的理解还(hái)不(bù)够全面，引力(lì)很(hěn)可(kě)能(néng)在(zài)不同尺(chǐ)度空间中(zhōng)的工作方式是不(bù)同的，这意(yì)味着在行星系(xì)尺度中的天体会(huì)沿着它们的轨(guǐ)道，按照(zhào)我们(men)所(suǒ)理解(jiě)的方式运动(dòng)。但是上升到星系和星团的(de)尺度，引力之间的(de)相(xiāng)互作用则(zé)是不同的方式。对于在星系团(tuán)之间的相(xiāng)互作用，科学(xué)家还引入了(le)外部场(chǎng)效(xiào)应(yīng)的概念，指的是在数(shù)百万光年的规(guī)模上(shàng)，巨大的质量(liàng)之间会(huì)产生对彼此(cǐ)特殊的效果(guǒ)，这个理(lǐ)论叫做MOND蒙德(dé)理论。如果MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成立(lì)，这(zhè)意味(wèi)着(zhe)我们(men)需要对现(xiàn)在的物理定律进(jìn)行修正，这些发现也让很(hěn)多人(rén)认为(wèi)暗物质假(jiǎ)说理论就(jiù)此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还有(yǒu)关于(yú)暗物质存在的其他的理(lǐ)论证(zhèng)据，这些理论证据是(shì)蒙德理论所没法解释的“引(yǐn)力(lì)透镜”。

径向距离为37亿光年(nián)的子弹星系(xì)团，由两个碰撞的星(xīng)系团所(suǒ)组成，类似这样的星(xīng)团，它们大部(bù)分(fēn)的普通(tōng)质量都在星(xīng)系的(de)气(qì)体当中。当星团以1000万公里(lǐ)/小(xiǎo)时发生碰撞的时候，星际气(qì)体的相互(hù)作(zuò)用就会导致(zhì)温(wēn)度(dù)的急剧(jù)升高，速度大幅降低。所以(yǐ)在(zài)理(lǐ)论(lùn)上，在碰撞之后，子(zi)弹星系(xì)团大部分的质(zhì)量将位于(yú)所(suǒ)有(yǒu)这些(xiē)气体所(suǒ)在的(de)中间区域(yù)。那么我们通过(guò)什么来验证它(tā)的(de)质(zhì)量区(qū)域到底是不是集(jí)中在(zài)中间呢？前(qián)不(bù)久(jiǔ)，詹(zhān)姆斯韦(wéi)伯太空望远镜传回了宇宙当(dāng)中第(dì)一张全彩的高清照片，在照片中(zhōng)我们(men)可(kě)以明显(xiǎn)地看到很多星系似乎被拉伸产(chǎn)生了巨(jù)大的(de)形变。其实这些星系本(běn)身并(bìng)不是(shì)真的被(bèi)扭(niǔ)曲了，也不是韦伯望远镜出了(le)什么问(wèn)题，而是这样极遥远的天体和(hé)我们地球上的观(guān)测者之间。被一个(gè)质量(liàng)超级巨(jù)大的(de)天体(tǐ)遮挡(dǎng)，这个超大质量的东西的引力，会(huì)使身后更遥远(yuǎn)星系的光都(dōu)发生了扭(niǔ)曲。这(zhè)个现象(xiàng)就是引力(lì)透镜效应。这个巨大的天(tiān)体可能是超(chāo)大(dà)质量的黑洞或者是暗物质(zhì)。

所以当人们对子弹星系团观测(cè)的时候(hòu)，发现它(tā)的大质量(liàng)区域并(bìng)不是在(zài)中间，而是在两侧(cè)。所以最好的解(jiě)释(shì)方法就(jiù)是(shì)当星团发生全(quán)部的碰(pèng)撞时，可被观测到的(de)质(zhì)量气体被(bèi)卡在了(le)中(zhōng)间(jiān)，暗物质则直接通(tōng)过了(le)这个区域，并在两边形(xíng)成了引力透镜。对子弹星系团(tuán)的引(yǐn)力透镜研(yán)究也被认为是暗物质存在(zài)的迄今为止最(zuì)好的理论证(zhèng)据。

除此之外，还(hái)有来自宇宙当中(zhōng)最古(gǔ)老(lǎo)的光(guāng)。从宇宙大爆炸开(kāi)始，38万(wàn)年之后，可见光终(zhōng)于可(kě)以畅通无阻地穿(chuān)越(yuè)在宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)了。经过了130多亿年(nián)之后，这(zhè)些光在宇宙空间背景上留下了各相同性的微波辐射。其中红色(sè)的部分表示(shì)温度较高的区(qū)域，蓝色则表示相对较(jiào)冷的(de)区域，但(dàn)实际上它们(men)之间的温差(chà)只有(yǒu)万分之一。

科学家们通(tōng)过对前景(jǐng)背景分离(lí)后(hòu)的二值图像进行(xíng)连通域提取和标记之后(hòu)发现(xiàn)，如(rú)果宇宙(zhòu)当中没有暗物质，图形看起(qǐ)来不应该是这样的，而(ér)随(suí)着(zhe)暗物质的增加，一(yī)些峰值的幅度会减小，才变得看起来“和谐(xié)”。为了匹(pǐ)配宇宙微波(bō)背(bèi)景辐射的测量值，我们需要的(de)暗物质大约(yuē)是普(pǔ)通(tōng)物(wù)质(zhì)的5倍。这个数(shù)字与解释(shì)星系当中恒星运动所需(xū)要的暗物(wù)质比例是一致的(de)。这就(jiù)意味着。

用了一(yī)个简单的(de)理论框架，就很好(hǎo)地解(jiě)释了很多不同的观(guān)测结果。而暗物质的(de)本质就是宇宙当(dāng)中存在着某种类型的(de)粒(lì)子(zi)，它们(men)不参与任(rèn)何(hé)其他(tā)的电磁(cí)作用，只通(tōng)过引力(lì)来(lái)相互作用。所以如果能够找(zhǎo)到这种(zhǒng)粒子的(de)存在，就(jiù)相当于(yú)找到了暗(àn)物质存在的实际证据。这种粒子(zi)到底是什么？科学家们已经提(tí)出(chū)了数十种(zhǒng)的假想目标，而要寻找这些不同的目标粒子所需要的(de)实验方式也不相同。在过(guò)去的几十年(nián)当中，人类(lèi)为了寻找这(zhè)些看不见、摸(mō)不到，几(jǐ)乎不会与(yǔ)常规物(wù)质相(xiāng)互作用的“暗物质”，科(kē)学(xué)家们已经进行了超过50次的实验，却没(méi)有任何实(shí)质性(xìng)的发现，除了一个地(dì)方，意大利的格兰萨索山，隶属于阿尔卑(bēi)斯山脉。

在(zài)山下1400米处的地下矿(kuàng)井当中(zhōng)，藏着地球上最大的地学实(shí)验(yàn)室，这个(gè)实验(yàn)室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一(yī)个三层楼高的探测器，一直致力于(yú)寻找暗物质粒子的周期性震荡。

自1997年以来，这里的(de)科(kē)学家声称(chēng)观测到了某种信号。经过(guò)了20多年(nián)的(de)数据收集，人们发现了(le)一(yī)个有趣(qù)的事情。探测率会(huì)在每(měi)年的(de)6月份(fèn)达到峰值(zhí)，然后在11月(yuè)降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年(nián)都是一样。一些(xiē)科学家认为这可能是人类发现暗物(wù)质的第一个直接证据。

但是为什么暗物质会产生(shēng)周期性(xìng)的(幂级数展开式常用公式，幂级数展开式怎么推导de)年度信(xìn)号(hào)呢？刚才我们(men)讲了(le)太阳(yáng)系正在以220公里/秒的速(sù)度围绕着银河系进行移(yí)动，那么如果暗物质存在宇宙当(dāng)中，这意味着我(wǒ)们也在以这样的速度在穿(chuān)越着(zhe)暗物质流(liú)，这个过程中会产生(shēng)相应的振荡，同时地球又(yòu)以(yǐ)30公里(lǐ)/秒的(de)速度围绕(rào)太阳进行旋转。所(suǒ)以有半年的(de)时间，地球围(wéi)绕太(tài)阳的方(fāng)向与太(tài)阳环(huán)绕银河系的(de)方向(xiàng)是一致(zhì)的，而另(lìng)外半年则与之相反。

而在(zài)6月份的时候(hòu)，地球(qiú)与太(tài)阳(yáng)的方(fāng)向正好达到完全(quán)一致，这是理(lǐ)论上地球穿越暗物质(zhì)流最快的时段。而在11月份，又(yòu)恰好(hǎo)达到了最慢值。尽(jǐn)管在实际的情(qíng)况中(zhōng)，太阳系相(xiāng)对银河系的平面呈(chéng)现(xiàn)了60度的倾斜，但(dàn)是这并不影响这(zhè)个理论的有效性(xìng)。

因此科学家认(rèn)为这可以用(yòng)来解(jiě)释，研究人员们所观测到的周期性信号。当(dāng)然也(yě)可能有其他的情况，造(zào)成(chéng)这(zhè)种年度周(zhōu)期信号的(de)差异也可(kě)能是温度、湿(shī)度、土壤中(zhōng)的(de)水分、高山上的(de)积雪，甚至(zhì)连意大(dà)利游客的数量也符合这个(gè)周(zhōu)期的规律。

所以，科学家们又在南半球建立了一(yī)个(gè)几(jǐ)乎相同(tóng)的实验室，这里的季节与(yǔ)之前(qián)的(de)实验室正好相反(fǎn)，而在(zài)这里，地球穿(chuān)过暗物(wù)质(zhì)流的运动(dòng)特征和(hé)第一个实验(yàn)室(shì)是一(yī)样的。

因此(cǐ)，如果在(zài)这里可以得到相同(tóng)的信号，就可以成为(wèi)暗(àn)物质所存在的非常有力(lì)的证(zhèng)据(jù)了。但是由于这个(gè)实验室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目(mù)前还无法(fǎ)提供相应的数据支持。另外(wài)，在2025年，NASA将(jiāng)会(huì)发射一台新的望(wàng)远镜(jìng)，这台(tái)太(tài)空望远镜(jìng)叫(jiào)做“南希格雷斯罗曼”，它的主镜大小(xiǎo)跟哈勃望远镜(jìng)相同(tóng)，但它的(de)宽视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器的(de)100倍。南希格雷(léi)斯罗曼太空望远镜(jìng)其中一个关键的用途就是探(tàn)索暗物质(zhì)背后的奥秘，对(duì)于探测的(de)结果(guǒ)，我们(men)只能拭目以待(dài)了。费米(mǐ)实验室(shì)粒子(zi)天体物理中心的科学家(jiā)丹琥珀和贾森(sēn)斯特芬(fēn)研究发现(xiàn)，如果暗物质存在，它们极有可能拥有另一种神秘的效(xiào)应，这种暗物质效应，会支持宇宙当中生命的(de)诞(dàn)生，或者说是(shì)生命进(jìn)化的一个重要因素。

如果这一理(lǐ)论得(dé)到进一步的证实，那么(me)遍布(bù)宇宙当中的暗物质会不会意味着人(rén)类并不(bù)孤单呢？或许(xǔ)在宇(yǔ)宙当中某个角落的行星上，暗物质正在通过(guò)这(zhè)样的效(xiào)应(yīng)创造(zào)生命。当然，这些推论的大(dà)前提是要先找(zhǎo)到暗物(wù)质存在(zài)的实际证据。那么小伙伴们，你们觉得暗物质到底存不存(cún)在呢？喜欢请点赞，你的支持是我更新(xīn)的动力！

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