宇(yǔ)宙是“人为制(zhì)造”的？为何会存(cún)在科学无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又(yòu)究竟是(shì)什(shén)么？人类(lèi)为了寻找暗物质存(cún)在的证据(jù)，科(kē)学家们在(zài)过去的几(jǐ)十年(nián)当中进行了超过50次的(de)长期实验，但是却没(méi)有发现任何(hé)的有效证据(jù)。除了一(yī)个(gè)地方，在1687年出版的自(zì)然哲学数学原理一书中，埃萨克牛顿发表(biǎo)了万有引力(lì)定律，它揭示了宇宙中天(tiān)体运动(dòng)的规律。往后(hòu)的几百年(nián)来，当天文学家们(men)发(fā)现某些天(tiān)体运行轨道出现异常，不符(fú)合万(wàn)有(yǒu)引(yǐn)力定律的时候，他们就会知道，周围一(yī)定(dìng)有未(wèi)知的天(tiān)体通过引力在摄(shè)动它的轨(guǐ)道(dào)。比如在1846年，奥本(běn)勒维耶(yé)就通(tōng)过天王星运(yùn)行轨道的异(yì)常，推算并(bìng)且发现了海(hǎi)王(wáng)星的存在。另外，哈雷彗(huì)星、冥王星的发现都(dōu)是应(yīng)用万有引力定律所取得重大(dà)天文(wén)成就的例子。但是这些发现都是在恒星系统(tǒng)的尺度当(dāng)中，可当我们上升到星系或者是(shì)星团(tuán)的尺度，事情就开始变得诡异(yì)了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威基正(zhèng)在研究和测量后发星系团的(de)质量。这(zhè)是一个由数千个星系所组成(chéng)的巨大星系团，这些星(xīng)系被(bèi)引力(lì)束缚(fù)在一(yī)起。测量星系团的质(zhì)量一(yī)般会使用到两种方法，当两种方法(fǎ)结(jié)果一(yī)致，就可以确定(dìng)其质量的范围(wéi)。

第(dì)一种是获得其"光(guāng)度学的质量"，需要的数据是(shì)测(cè)量各个星系(xì)的光度。

第二种(zhǒng)是动(dòng)力学质(zhì)量的计算，是(shì)利用光谱红(hóng)移测量星系团中的各(gè)个星系相对于星(xīng)系团的运动速度。当测量结果出来之后，兹(zī)威(wēi)基(jī)彻底懵(měng)了，“动力学质量”竟然是“光度学质量”的400倍。这(zhè)意(yì)味着，后发座星系团有99%的质量消(xiāo)失(shī)了(le)，或(huò)者说这99%的质(zhì)量并不(bù)以可(kě)见光的形式所(suǒ)存在，我们无法看到。最诡异(yì)的是，在测量速(sù)度的(de)过程中，兹威(wēi)基发现星系团中很多星(xīng)系(xì)的速度比理论上要快得多，按照(zhào)牛顿(dùn)的运动学(xué)定(dìng)律，仅(jǐn)靠这些可见星系的质量所产生的引力(lì)是(shì)无(wú)法将它们束缚在星(xīng)系团(tuán)内(nèi)的，它们(men)早(zǎo)就应该被(bèi)抛(pāo)出星系团之外了，除非有一种神秘的力量(liàng)在起作用，这种力量来(lái)源于(yú)某种隐形的物质。

据(jù)此，兹维基提(tí)出了这样部分不(bù)可见的(de)暗(àn)质，它(tā)不发(fā)散光(guāng)、吸光、反射光，但是它们却占据着宇宙中绝大(dà)部(bù)分的(de)质量。只是当时(shí)的人们(men)对这样的(de)一种说(shuō)法不屑(xiè)一顾。

直到(dào)40年(nián)之后(hòu)，“暗物质(zhì)”这个词才再一次出现。天文学家维拉鲁宾和肯特福(fú)特(tè)在观测仙女座(zuò)星系中的恒(héng)星运(yùn)动。理论上来说，距(jù)离(lí)中心越远的恒(héng)星在其轨道上的运行速度就会(huì)越慢。但(dàn)是他们观测的(de)结(jié)果却让(ràng)人(rén)感到不可思(sī)议。

随着(zhe)与中心距离的(de)增(zēng)加，恒星(xīng)的(de)旋转速度几乎(hū)保持不变(biàn)。可是根据牛顿的万(wàn)有引力(lì)定律，在(zài)星系(xì)当中(zhōng)如(rú)果(guǒ)没有(yǒu)足够(gòu)大的质量来吸引它们(men)，这些外围(wéi)的恒(héng)星(xīng)早就(jiù)被甩(shuǎi)到宇宙当中了。基于(yú)这种现象，科学家们(men)会使用(yòng)一种相对标准(zhǔn)的(de)方(fāng)法来解释暗物质(zhì)的存在，这种方(fāng)法就是测量星(xīng)系当(dāng)中气(qì)体在X轴上(shàng)距离星系中心的距离，以及在(zài)Y轴上气(qì)体的旋转速度。如果出现(xiàn)异常(cháng)的(de)结果(guǒ)，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是科学家们通过射(shè)电望(wàng)远镜(jìng)测(cè)量(liàng)了距(jù)离星系中心(xīn)更远(yuǎn)距离的氢元素，发(fā)现它(tā)们的旋转(zhuǎn)速(sù)度并不符合牛(niú)顿的力学定律(lǜ)。我们的太阳系也不例外，太阳系位于银(yín)河系(xì)的第三悬臂之上，距离银河系(xì)中(zhōng)心(xīn)2.6万光年，根据万有引力定律进行计算，太阳系的运(yùn)行速度应该(gāi)是(shì)160千米/秒，但实际上，太阳系正在以220千米/秒的(de)速度(dù)围绕银河系旋转，这个(gè)实际速度远远大于理论速(sù)度，那么(me)产(chǎn)生以上这种向心加(jiā)速度的原因(yīn)很(hěn)可能(néng)就是存在着一种我(wǒ)们看不到的物(wù)质，是这些暗(àn)物质(zhì)的(de)引力效应将星(xīng)系聚集在(zài)了(le)一起(qǐ)。

也是从这时开始，越来越(yuè)多的(de)研究人员开(kāi)始相信暗物质的存在。科学家根据(jù)星(xīng)系外恒星(xīng)轨(guǐ)道的速度(dù)，估算在星(xīng)系当中暗物(wù)质的质量占整个星系(xì)质量(liàng)的85%。但是，暗物质并不是唯一可(kě)以(yǐ)解释这个现象的原因(yīn)。在一项新的研究当中(zhōng)，科学家们发现(xiàn)，几乎没有引力效应的遥远恒星之间(jiān)，也会出现(xiàn)速度上的(de)微小(xiǎo)差异(yì)。另(lìng)外，天文学(xué)家(jiā)还发现(xiàn)了一个反常的(de)星系，叫做Agc114905。这个星系距离地球(qiú)大约2.5亿光年，大小和银河系不多，但是星系当(dāng)中存在的恒星数(shù)量却只有(yǒu)银(yín)河系的千分(fēn)之一。

所(suǒ)以在理论上，该星系必须(xū)存在暗(àn)物质，否(fǒu)则就会分崩(bēng)离析。但是科学家(jiā)们使用最(zuì)先进的望远镜(jìng)对其(qí)进行了40个小时的(de)详细测量之后，发(fā)现星系中的恒(héng)星运动是可(kě)以用正(zhèng)常(cháng)的物质和力学定律来解释的(de)。那(nà)么又有人提出(chū)，也许该星系的暗(àn)物质，已经被附近的另(lìng)一个大(dà)星系剥离了。奇怪的是，它的附近(jìn)没有任(rèn)何星系存在。造成这些(xiē)现象(xiàng)的除了暗物质的假说(shuō)之外，另一种可能(néng)就是人类对(duì)引力(lì)的理解还不够全面(miàn)，引(yǐn)力很可能在不同尺度空间中的工作方(fāng)式是(shì)不同的，这(zhè)意味着(zhe)在行星系尺度(dù)中的天(tiān)体会沿着它们的轨道，按照(zhào)我们所(suǒ)理解的方式运动。但是(shì)上升到星系和星团(tuán)的尺(chǐ)度(dù)，引力之间的相互作用则是不同的方式(shì)。对于在星系团之(zhī)间的(de)相互(hù)作(zuò)用，科学家还引入了外部场效应(yīng)的概(gài)念，指(zhǐ)的是在数(shù)百万光年的(de)规模上(shàng)，巨大的(de)质量之间(jiān)会产生对彼此特殊的(de)效果，这个理论叫做MOND蒙德理(lǐ)论。如果MOND蒙德理(lǐ)论(lùn)成立，这意味着我们需(xū)要(yào)对(duì)现(xiàn)在(zài)的物理定律进行(xíng)修正(zhèng)，这(zhè)些(xiē)发现也让很多人认(rèn)为暗物质假(jiǎ)说(shuō)理论就此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还有关(guān)于(yú)暗物质存在的(de)其他的理论证据，这些理论证据(jù)是蒙德理论(lùn)所没法解释的“引力透镜”。

径向距离为37亿光年的(de)子弹(dàn)星系团，由两个碰撞的星系团所组成，类似这样的星团，它(tā)们大部(bù)分的(de)普通质(zhì)量都(dōu)在星系(xì)的(de)气体当中。当星团以(yǐ)1000万公里/小时(shí)发生(shēng)碰撞的时候(hòu)，星际气(qì)体的相互作用就会导致温度的急剧升高，速度大幅降低。所以在理论上(shàng)，在碰撞之(zhī)后(hòu)，子弹星系团(tuán)大(dà)部分(fēn)的质(zhì)量将位于所有这些气体所在(zài)的中(zhōng)间区域(yù)。那么(me)我们通(tōng)过什么(me)来验证(zhèng)它的质量(liàng)区域(yù)到底是不是集中在中间(jiān)呢(ne)？前不(bù)久，詹姆斯韦(wéi)伯太空望远镜传回了宇宙当中第(dì)一张全彩的高清照(zhào)片，在(zài)照片中我们可以(yǐ)明显地看(kàn)到(dào)很多(duō)星系(xì)似乎被(bèi)拉伸产(chǎn)生了巨大的形(xíng)变。其实这些星系本身并不(bù)是真(zhēn)的被扭曲了，也不是韦伯望远镜(jìng)出了什(shén)么(me)问题，而是这(zhè)样极遥远(yuǎn)的天体(tǐ)和我们地球上的观(guān)测者之间。被一个质(zhì)量超级巨大的(de)天体遮(zhē)挡，这个超大质量的东西(xī)的引(yǐn)力(lì)，会使身后更(gèng)遥远(yuǎn)星系的光都发(fā)生了(le)扭曲。这个现象就是引力透镜效应。这个(gè)巨(jù)大的天体可能是超大(dà)质量的黑洞或者是暗物(wù)质。

所以当人(rén)们对子弹(dàn)星系团观测(cè)的时候，发现它的大质(zhì)量区域并不是(shì)在中间，而是在两侧。所以最好(hǎo)的解(jiě)释方法就是当星(xīng)团发生全(quán)部的碰撞时，可被观测到(dào)的质量气体被(bèi)卡在了中间，暗物质则直(zhí)接通过了这个区域，并在两边形(xíng)成了引力(lì)透镜(jìng)。对子弹星(xīng)系团的引力透镜研究也被认为是暗物质存(cún)在的迄今为止最好(hǎo)的理论证据。

除此(cǐ)之外，还(hái)有来自(zì)宇宙当(dāng)中(zhōng)最古(gǔ)老的光。从宇宙(zhòu)大爆炸开(kāi)始，38万年(nián)之(zhī)后，可见光(guāng)终于(yú)可以畅(chàng)通无阻地穿越在宇宙当(dāng)中了。经(jīng)过了130多亿(yì)年之后，这些光在宇宙空(kōng)间背(bèi)景上留(liú)下了各(gè)相同性的(de)微波辐射(shè)。其中红色的部分表示温度较高的区域，蓝色则表示(shì)相对较冷(lěng)的区域(yù)，但实际上它(tā)们之间的温差只有万分之一。

科学家们通(tōng)过对前景背景分(fēn)离后的二值图像进(jìn)行连通域提取和标记(jì)之(zhī)后(hòu)发现(xiàn)，如果宇宙当中没有暗物质，图形看起来(lái)不应(yīng)该是这样的，而随(suí)着暗物(wù)质的增加(jiā)，一些(xiē)峰值的幅度会减小，才变(biàn)得看起来“和谐”。为了匹配宇(yǔ)宙(zhòu)微波背景辐射(shè)的测量值，我们需要的暗(àn)物质大约是(shì)普通(tōng)物(wù)质的(de)5倍。这个数(shù)字与解释星系当中恒星(xīng)运动所需要(yào)的暗物质(zhì)比例(lì)是一致(zhì)的。这就意味着(zhe)。

用(yòng)了一个简(jiǎn)单的理(lǐ)论框架，就很好(hǎo)地解(jiě)释了很多(duō)不同的(de)观测结果。而暗物质的(de)本质就是宇宙当中存在着某种类型的粒子，它们不(bù)参与任何(hé)其他的电(diàn)磁作(zuò)用，只通过引力来相互作用。所以如(rú)果能够找到这种粒子(zi)的存在(zài)，就相(xiāng)当于找(zhǎo)到了暗物质存在的实际证据。这(zhè)种粒子(zi)到底是(shì)什么(me)？科学家们(men)已经提出了数(shù)十种的假想目标，而要寻找(zhǎo)这些不同的目标(biāo)粒子所需(xū)要的实验方式也不(bù)相同。在过去的几十年当中，人类为了寻找(zhǎo)这些看不见、摸(mō)不到，几(jǐ)乎不会与(yǔ)常(cháng)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(cì)的(de)实验，却没有任何(hé)实质性(xìng)的发现，除了一个地方，意大(dà)利的(de)格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的地下矿(kuàng)井当(dāng)中(zhōng)，藏着地(dì)球(qiú)上最大(dà)的地学实(shí)验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼(lóu)高的探测(cè)器，一直致(zhì)力于寻(xún)找(zhǎo)暗物质(zhì)粒子的周期性震荡。

自1997年以来，这里的(de)科学家(jiā)声称观测到了某种信号。经过了(le)20多年(nián)的(de)数据收集，人们发现了一个有趣的事情。探(tàn)测率会在(zài)每(měi)年(nián)的6月份达(dá)到峰(fēng)值，然后在11月降到最低，而且在20年当中每年都是(shì)一(yī)样。一(yī)些科学家认为这(zhè)可能是(shì)人类发现暗物质的第一个直(zhí)接证据。

但是为什么暗物(wù)质(zhì)会产(chǎn)生周期性(xìng)的年度信号(hào)呢？刚才我们讲了(le)太阳(yáng)系正(zhèng)在以(yǐ)220公里/秒的速度围绕着(zhe)银河系(xì)进行移动(dòng)，那么如(rú)果暗(àn)物质存在宇宙(zhòu)当(dāng)中，这(zhè)意味着我们也在以这样的速度(dù)在穿越着暗(àn)物(wù)质流(liú)，这个过(guò)程(chéng)中会产生相应的振(zhèn)荡，同时地(dì)球又以30公(gōng)里/秒的速度围绕(rào)太阳进行旋转。所以有半年的时间，地球(qiú)围绕太阳的方(fāng)向与太阳环绕银(yín)河系的方向是一致的(de)，而(ér)另外半(bàn)年则与之相反。

而在6月份的时候，地球(qiú)与太(tài)阳的方向正好达到完全一(yī)致，这是理论上地球穿(chuān)越暗物质流最快的(de)时段。而在11月份，又恰好达到(dào)了(le)最(zuì)慢(màn)值。尽管在实际的情(qíng)况(kuàng)中(zhōng)，太(tài)阳系相对银河系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是(shì)这并不影(yǐng)响这个(gè)理论的有效(xiào)性。

因此科(kē)学家认为这可(kě)以用(yòng)来解释(shì)，研究(jiū)人(rén)员们所观测(cè)到的周期(qī)性信号。当(dāng)然也可(kě)能(néng)有其他的情况，造成这种年度(dù)周期信号(hào)的(de)差(chà)异也可能是温度、湿度(dù)、土壤中的水分、高山(shān)上的积雪，甚(shèn)至连意(yì)大利(lì)游(yóu)客(kè)的数(shù)量也符合这个(gè)周期(qī)的(de)规律。

所以，科(kē)学家们(men)又在南半(bàn)球建立了一个几乎(hū)相同的实(shí)验(yàn)室，这里的季节与之前的实验(yàn)室(shì)正好相反(fǎn)，而在(zài)这(zhè)里(lǐ)，地球穿过暗(àn)物质流的运动特征和第一个(gè)实验(yàn)室是一样的。

因此，如果在这里可以得到相同的信号，就可以成(chéng)为暗物(wù)质所存在的(de)非常(cháng)有力的(de)证据了。但是由于这个实(shí)验室(shì)刚刚建(jiàn)成不(bù)久(jiǔ)，所以(yǐ)截至目前还无法提(tí)供相应的数(shù)据支持。另外，在2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太(tài)空望远镜叫(jiào)做“南(nán)希格雷斯(sī)罗曼”，它的主(zhǔ)镜大小跟哈(hā)勃望远(yuǎn)镜相(xiāng)同(tóng)，但它的宽(kuān)视场仪器提(tí)供的视(shì)野(yě)是哈勃(bó)红外(wài)仪(yí)器的100倍苏修是什么意思，苏修是什么意思(bèi)。南希格雷斯罗(luó)曼太空望远镜(jìng)其中一个关键的用途就(jiù)是(shì)探索暗物质背后的奥秘(mì)，对于探(tàn)测的结果，我们只能拭目以待了。费(fèi)米(mǐ)实(shí)验室(shì)粒子天体物理中心的科(kē)学家丹琥珀和贾(jiǎ)森斯特芬研究发现，如果暗物质存(cún)在(zài)，它们极有可能(néng)拥有(yǒu)另一种神秘的效应，这种(zhǒng)暗物质(zhì)效应，会支持宇(yǔ)宙(zhòu)当中生命的诞(dàn)生，或者(zhě)说是(shì)生命进化(huà)的一个重要因素(sù)。

如果(guǒ)这一理论得到(dào)进一步的证实，那么(me)遍布宇宙(zhòu)当中的暗(àn)物质会不会(huì)意味着(zhe)人类(lèi)并不(bù)孤单呢？或(huò)许在宇宙当中某个角落的(de)行星上，暗(àn)物质正在通过这(zhè)样(yàng)的(de)效应创造(zào)生命(mìng)。当然(rán)，这些推论的大前提是要先找到暗物(wù)质存在(zài)的实际证据。那(nà)么(me)小伙伴们，你(nǐ)们觉得暗(àn)物(wù)质(zhì)到底存不存(cún)在呢？喜欢请点赞，你的支(zhī)持是(shì)我更(gèng)新的动力(lì)！

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