宇(yǔ)宙是(shì)“人为制(zhì)造(zào)”的(de)？为(wèi)何会存在科学无(wú)法解释的“暗物质”？暗物(wù)质又(yòu)究竟(jìng)是什么？人类为了寻找暗物质存(cún)在的证据，科学家们在过去的几十年(nián)当中进行(xíng)了(le)超过50次(cì)的长期实验，但(dàn)是却没有(yǒu)发现任何的(de)有效(xiào)证(zhèng)据。除了一个(gè)地方，在1687年出版的自然哲学数学原(yuán)理一书中，埃萨克牛顿(dùn)发(fā)表了万有引力(lì)定(dìng)律，它揭示了宇宙中天(tiān)体运动(dòng)的规律。往后的几百年来，当天文学家们(men)发(fā)现某些天体运行轨道出现异常，不符合万有(yǒu)引力(lì)定律的(de)时(shí)候，他们就会(huì)知道，周围一定(dìng)有未知的天体通过引力在(zài)摄动它的轨道。比如在(zài)1846年，奥本勒维耶就通过天(tiān)王(wáng)星运行轨道的(de)异常，推算并且发现了(le)海王星的存在。另外，哈雷彗星、冥王(wáng)星(xīng)的发(fā)现都(dōu)是应(yīng)用(yòng)万有引力定律所取得(dé)重大(dà)天文成就的例子。但(dàn)是这(zhè)些发(fā)现(xiàn)都是在恒(héng)星系统的尺度当中(zhōng)，可当(dāng)我(wǒ)们(men)上(shàng)升到星系或者是星团的尺(chǐ)度，事情(qíng)就开始变得诡(guǐ)异了。

1933年，瑞士的(de)物理学(xué)家弗里茨兹威(wēi)基(jī)正在研究(jiū)和测量后(hòu)发星系团的质量。这是一(yī)个由数千个星系所组(zǔ)成(chéng)的巨大星系(xì)团，这些星(xīng)系(xì)被引力(lì)束(shù)缚在一(yī)起。测量星系团的(de)质量一般会使用到(dào)两种方法，当(dāng)两(liǎng)种方法结果一致(zhì)，就可以确定其(qí)质量的范围。

第一(yī)种是获得其(qí)"光(guāng)度学(xué)的质(zhì)量"，需(xū)要的数据是测(cè)量各个星系的(de)光度。

第二种是动力学质(zhì)量的(de)计算，是利用光谱红移测量星(xīng)系(xì)团(tuán)中的各个星系相对于星系(xì)团(tuán)的运动(dòng)速(sù)度。当测量结果出来之后(hòu)，兹威(wēi)基(jī)彻(chè)底懵了，“动(dòng)力学质量”竟然是“光度学质量”的400倍。这意味着，后发座星系团(tuán)有99%的质量(liàng)消失了，或者说这99%的质量并不以可见光的形式所存(cún)在，我(wǒ)们(men)无法看(kàn)到。最(zuì)诡异的是，在测量速度的过程中，兹威基发现星系团(tuán)中很多星系(xì)的速度比理(lǐ)论上(shàng)要快得多，按照牛(niú)顿的运动学定律，仅靠(kào)这些可见星(xīng)系的质(zhì)量(liàng)所(suǒ)产生的(de)引力(lì)是无法将它们(men)束(shù)缚在星系团内的，它们早就应该被抛出星系(xì)团之外了，除非(fēi)有一种神秘的力量(liàng)在起作用，这种(zhǒng)力量(liàng)来(lái)源于(yú)某种隐形的物质。

据(jù)此，兹维基提出了这样部分(fēn)不可见的暗质，它不发散(sàn)光、吸光、反射光，但是(shì)它们却占据着宇宙中(zhōng)绝大部分的质量。只(zhǐ)是当(dāng)时(shí)的人们(men)对这样的一种说法(fǎ)不屑一顾。

直到40年之后，“暗(àn)物质”这个词才再一次出现。天文学(xué)家维拉鲁宾和肯特福特在观(guān)测仙女座星系中的恒星运动。理论上来说，距离中心越远的恒(héng)星在(zài)其(qí)轨道上的运行(xíng)速度就会越慢。但是他们观测的结果(guǒ)却让(ràng)人感到(dào)不(bù)可思议。

随着(zhe)与中心距(jù)离的(de)增加，恒星的旋转速度几乎保持不(bù)变。可是根据牛顿(dùn)的(de)万有引(yǐn)力定律，在星(xīng)系当中(zhōng)如果没有(yǒu)足够大的质量(liàng)来吸引(yǐn)它们，这些外围(wéi)的恒星早就(jiù)被甩到宇宙(zhòu)当(dāng)中了。基(jī)于这种现象(xiàng)，科学家们会使用一种(zhǒng)相对(duì)标准(zhǔn)的方法(fǎ)来解释暗物质的存在，这种方(fāng)法(fǎ)就是测量(liàng)星系当中气体在X轴上(shàng)距离(lí)星系(xì)中心的(de)距离(lí)，以及在Y轴上气体的旋转(zhuǎn)速度(dù)。如果出现(xiàn)异常的结(jié)果(guǒ)，就认(rèn)为(wèi)是(shì)由暗(àn)物质的力量进入其(qí)中。

于是科学(xué)家(jiā)们通(tōng)过(guò)射电望(wàng)远镜测量(liàng)了(le)距离星系(xì)中心更远距离的(de)氢元素(sù)，发现它们的(de)旋转速度并不符合牛顿(dùn)的(de)力学定律。我们的太阳系(xì)也不例外，太阳系(xì)位于(yú)银(yín)河(hé)系的(de)第三悬臂之上，距离银河系中心2.6万光年，根据万(wàn)有引(yǐn)力定律进行计算，太阳系的运(yùn)行速度应(yīng)该是160千米(mǐ)/秒，但实际上(shàng)，太阳系正在以(yǐ)220千米(mǐ)/秒的(de)速度围绕银(yín)河(hé)系旋转，这个实际速度远远大于理论速度，那么产生以(yǐ)上这种向心加速度(dù)的原(yuán)因很可能就是存在着(zhe)一种(zhǒng)我们看不到的物(wù)质(zhì)，是(shì)这些(xiē)暗物质的引(yǐn)力效(xiào)应将星系聚集在(zài)了一起。

也(yě)是从这时开始，越来越多(duō)的研究人员开始(shǐ)相(xiāng)信(xìn)暗物质的(de)存在(zài)。科(kē)学家(jiā)根据星(xīng)系外恒星(xīng)轨(guǐ)道(dào)的速度，估算在星系当中暗物质的质量占整个星系(xì)质量的85%。但是，暗(àn)物质并不是唯一可以解(jiě)释这个现象的(de)原因(yīn)。在一(yī)项新的研究(jiū)当中，科学(xué)家们发(fā)现，几乎没有引力效应的遥(yáo)远(yuǎn)恒星之间，也会出(chū)现速度上的(de)微小差异。另(lìng)外，天(tiān)文(wén)学家还(hái)发现了一个反常的星系(xì)，叫做Agc114905。这个星系距离地球(qiú)大约(yuē)2.5亿光年，大小和银河(hé)系(xì)不多，但是星系当中存在的恒星数量却铁棍山药和小白嘴山药哪个好吃些，铁棍山药和小白嘴山药哪个好吃些呢(què)只有银河系的千分之(zhī)一。

所以在理(lǐ)论(lùn)上，该(gāi)星系必须存在(zài)暗物质，否则(zé)就会分崩离(lí)析。但(dàn)是科学家们使用最先进的望远镜对其进行了40个小时的(de)详细测量之后，发现星系中的恒星运动是(shì)可以用正(zhèng)常的物质和力学定律来解释的。那(nà)么又有(yǒu)人(rén)提出，也许(xǔ)该星(xīng)系的(de)暗物质(zhì)，已(yǐ)经被附近的另一个大星系剥离了(le)。奇怪的是，它的附近(jìn)没有(yǒu)任(rèn)何星系存在(zài)。造成这些现象的(de)除了暗物(wù)质的假说之外，另一种可能就是人类对引力的理(lǐ)解还(hái)不够全面(miàn)，引力很可能在不同尺度空间中的工作方(fāng)式是不同(tóng)的，这意味着在行星系尺(chǐ)度中的天体会(huì)沿着它们的轨道(dào)，按(àn)照我(wǒ)们所理解的方式运动。但是上升(shēng)到星系和星团的尺(chǐ)度，引力之间的相互作用则是不同的(de)方(fāng)式。对于在星(xīng)系团(tuán)之间(jiān)的相互作用，科学家还引入(rù)了外部场效应的概念，指的是(shì)在数(shù)百(bǎi)万(wàn)光年的规模上(shàng)，巨大的质量之(zhī)间会(huì)产生(shēng)对彼此特殊的效果，这个理论叫做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意(yì)味着我(wǒ)们需(xū)要对(duì)现在(zài)的物理定律(lǜ)进(jìn)行修正，这些发(fā)现也让很多人认(rèn)为暗物质假说理论就此(cǐ)终(zhōng)结(jié)。但(dàn)是在宇宙(zhòu)当中(zhōng)还有关于暗物质存在的其他的理论证据，这些理论证据是蒙(méng)德理论所(suǒ)没法(fǎ)解释的(de)“引力透镜”。

径向距离为37亿光(guāng)年的(de)子(zi)弹星系团，由两个碰(pèng)撞的星系团所组成，类(lèi)似这(zhè)样的星团(tuán)，它们大(dà)部分的普通质量都(dōu)在星(xīng)系的(de)气体当(dāng)中(zhōng)。当星团以(yǐ)1000万公里/小时发生碰撞(zhuàng)的时候，星(xīng)际(jì)气体(tǐ)的相互作用就会导致温度的急(jí)剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之后(hòu)，子弹星系团大部(bù)分的质量将位于所有这些气体所(suǒ)在的中(zhōng)间区域。那(nà)么我们通过什(shén)么来验证它的质量(liàng)区域(yù)到底是不是集(jí)中在中间呢？前不(bù)久，詹姆(mǔ)斯(sī)韦伯太空望远(yuǎn)镜传(chuán)回了宇宙当中第一张全彩的高(gāo)清照片，在(zài)照(zhào)片中(zhōng)我(wǒ)们可(kě)以明显地看到(dào)很多星系似(shì)乎被拉伸(shēn)产(chǎn)生了巨大的(de)形变。其实这些星系本身并不是真的被扭曲(qū)了，也(yě)不是韦伯望(wàng)远镜出了什么问题，而是这(zhè)样极遥(yáo)远的天体和我们地球上(shàng)的观测者之间。被一个质量超级(jí)巨大的天体遮挡，这个超大质量的(de)东西(xī)的引力，会使身后更遥(yáo)远星系的光都发(fā)生(shēng)了扭曲。这个(gè)现象就是引(y铁棍山药和小白嘴山药哪个好吃些，铁棍山药和小白嘴山药哪个好吃些呢ǐn)力透(tòu)镜效应。这个巨大的(de)天体可能是超大质量的黑洞(dòng)或(huò)者是暗物(wù)质。

所以当人们对子弹星(xīng)系团观测(cè)的时候，发现它的大质量(liàng)区(qū)域(yù)并不(bù)是在中间，而是在两(liǎng)侧。所以最好(hǎo)的解(jiě)释方(fāng)法就是(shì)当星(xīng)团(tuán)发生(shēng)全部的碰撞时，可(kě)被观测到(dào)的质量气体被卡在了中间(jiān)，暗(àn)物(wù)质则直接通过了这个(gè)区域(yù)，并在两边形(xíng)成了引力透镜(jìng)。对子弹星系团的引力(lì)透镜研究也被认为是暗(àn)物(wù)质(zhì)存在的迄今为止(zhǐ)最好的(de)理论证据。

除此之(zhī)外，还有(yǒu)来自宇宙当中最(zuì)古老的(de)光。从(cóng)宇宙大(dà)爆炸开始，38万年之后，可(kě)见光终于(yú)可以(yǐ)畅(chàng)通无阻地穿越在宇宙(zhòu)当中(zhōng)了(le)。经过了130多亿年之(zhī)后(hòu)，这些光在宇宙空间背(bèi)景上留下了各相同性(xìng)的微波(bō)辐射。其中红(hóng)色的部分表示温度较(jiào)高(gāo)的区域(yù)，蓝色(sè)则表(biǎo)示(shì)相对较冷(lěng)的区域，但(dàn)实(shí)际上它们(men)之间的温差只有(yǒu)万分之一。

科学家(jiā)们(men)通过对前景背景(jǐng)分(fēn)离后的二值图像进行连(lián)通域提取和标(biāo)记之后(hòu)发现，如果宇宙当中(zhōng)没(méi)有(yǒu)暗物质(zhì)，图形看(kàn)起来不应该是这样的，而随着暗物(wù)质的增加，一些峰(fēng)值的幅度会减小(xiǎo)，才变得看起来“和谐”。为了匹配(pèi)宇宙微(wēi)波背景辐射(shè)的测量(liàng)值，我们需要的(de)暗物质(zhì)大约是普通物质的5倍。这个(gè)数字与(yǔ)解释星系当(dāng)中恒星运(yùn)动所需要的暗物质比例是(shì)一致的。这就意(yì)味着。

用了一个简单的理(lǐ)论框架，就(jiù)很好(hǎo)地解释了很多不同的(de)观测(cè)结果(guǒ)。而暗(àn)物质的(de)本(běn)质就是(shì)宇宙当中存在(zài)着某(mǒu)种类型的粒(lì)子，它(tā)们不参(cān)与(yǔ)任何其他的电(diàn)磁作用，只通(tōng)过引力来相(xiāng)互作用。所以如果能够找到(dào)这种粒子的存在，就相(xiāng)当于找到了暗物质存在的实际(jì)证据。这种粒子到底是(shì)什么？科学(xué)家们已经提(tí)出了数十种的假想目标，而要(yào)寻(xún)找(zhǎo)这些不(bù)同的目标粒子所需要(yào)的实验(yàn)方式也(yě)不(bù)相同。在过去(qù)的几十(shí)年当中，人类为了(le)寻找(zhǎo)这些(xiē)看不见(jiàn)、摸(mō)不到，几乎不会与常规物质相互作(zuò)用的“暗物质”，科(kē)学家们已经进行了超过50次(cì)的(de)实(shí)验，却没有(yǒu)任(rèn)何实质(zhì)性(xìng)的(de)发现(xiàn)，除了一(yī)个(gè)地方，意大利的格兰萨索(suǒ)山，隶属于阿(ā)尔卑斯山(shān)脉。

在山下1400米处(chù)的地下(xià)矿井当中，藏(cáng)着(zhe)地(dì)球上(shàng)最大(dà)的地学实验室(shì)，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个(gè)三层楼高的探测器，一直(zhí)致力于寻找暗物质粒子(zi)的周期性震荡。

自(zì)1997年(nián)以(yǐ)来，这里的科学家声称(chēng)观测到了某种信(xìn)号。经(jīng)过了20多年的数(shù)据收集(jí)，人们发现了一个有(yǒu)趣的事情。探(tàn)测率会在每年的6月份达(dá)到峰值，然后在11月降到(dào)最低，而且在(zài)20年当(dāng)中每年(nián)都是一样(yàng)。一些科学家(jiā)认为这可能是人类发(fā)现暗(àn)物(wù)质的第一个直接证据。

但是为什(shén)么暗物(wù)质会产生周期性的年度信号呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正(zhèng)在以220公(gōng)里/秒的速(sù)度(dù)围(wéi)绕着银(yín)河系进行(xíng)移动，那么如果暗物质存(cún)在宇宙(zhòu)当中，这意味着我(wǒ)们(men)也在(zài)以这样的(de)速度在穿越(yuè)着暗物质流，这(zhè)个过程中会产生相应的振荡，同时地球又以(yǐ)30公里/秒的(de)速度(dù)围绕(rào)太(tài)阳进行旋转。所以有(yǒu)半年的时(shí)间，地球(qiú)围绕太阳的方(fāng)向与太(tài)阳环绕银河系的方(fāng)向(xiàng)是一致的，而另外半年则与之相(xiāng)反(fǎn)。

而在6月(yuè)份的时(shí)候，地球与太阳的方向正(zhèng)好达(dá)到完全(quán)一致，这是理论上地球穿越(yuè)暗物质流最(zuì)快的时(shí)段。而(ér)在11月(yuè)份，又恰好达到了最慢值。尽管(guǎn)在实际的情况中，太(tài)阳系相对银(yín)河(hé)系的平面呈现了(le)60度(dù)的倾斜，但(dàn)是这(zhè)并(bìng)不影响这个理论的有效性。

因此(cǐ)科(kē)学家认为这可以用(yòng)来解释，研(yán)究人员(yuán)们(men)所(suǒ)观测到的周(zhōu)期性信号。当(dāng)然也(yě)可能有其他(tā)的情况，造(zào)成这种年度周期信号的差(chà)异(yì)也可能是温度、湿度、土(tǔ)壤中(zhōng)的(de)水(shuǐ)分、高山上的积雪，甚(shèn)至(zhì)连意大利游客(kè)的数量也符合这个(gè)周期(qī)的规律。

所以(yǐ)，科(kē)学家们又(yòu)在南半(bàn)球建立了一个几(jǐ)乎相同(tóng)的实(shí)验(yàn)室，这里的季节与之前的实验室正好相反，而在(zài)这里，地球穿过暗物质流的运动特征和第一个实验室是一样的。

因此，如(rú)果在这里可以得到相同的信号，就可以(yǐ)成为暗(àn)物(wù)质所存在的(de)非(fēi)常有力的证据了。但是由于这个(gè)实验室(shì)刚刚(gāng)建成不久，所以截至目前还无法提供相应的(de)数据支持。另(lìng)外，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜(jìng)，这台太空望远镜叫做(zuò)“南希(xī)格雷斯罗(luó)曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈(hā)勃望(wàng)远镜相同，但它的宽视场仪器提供(gōng)的视野是(shì)哈勃红外仪器的100倍。南希格(gé)雷斯罗曼太空望远镜(jìng)其(qí)中(zhōng)一个(gè)关键的用途就是探索暗(àn)物质(zhì)背后的奥秘，对(duì)于探测的结(jié)果，我(wǒ)们只能拭(shì)目以待了。费米(mǐ)实验室粒子天体物理中心(xīn)的科学(xué)家丹琥(hǔ)珀和(hé)贾(jiǎ)森(sēn)斯特芬研究发(fā)现(xiàn)，如(rú)果暗物质存在，它们(men)极(jí)有(yǒu)可能拥有另一(yī)种神秘的效(xiào)应，这种暗物质效应(yīng)，会支(zhī)持宇宙(zhòu)当中(zhōng)生命的诞生(shēng)，或者说(shuō)是生(shēng)命进化的一个(gè)重(zhòng)要因素。

如(rú)果这一(yī)理(lǐ)论(lùn)得到进一(yī)步(bù)的证实(shí)，那么遍(biàn)布宇(yǔ)宙当中(zhōng)的暗物质会不会意(yì)味着人类并(bìng)不孤单呢(ne)？或许在(zài)宇宙(zhòu)当(dāng)中某个角落(luò)的(de)行星(xīng)上，暗(àn)物质(zhì)正(zhèng)在通过这(zhè)样的(de)效应创造生命。当然，这(zhè)些推论的大前提是要先找(zhǎo)到(dào)暗物(wù)质存(cún)在的实(shí)际证(zhèng)据。那么小伙伴们(men)，你们觉得暗物质(zhì)到底存不(bù)存(cún)在呢(ne)？喜欢请点赞，你的支(zhī)持是(shì)我更新的动(dòng)力！

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