宇宙是“人为制造”的(de)？为何会存(cún)在科(kē)学无法解释(shì)的“暗物质”？暗(àn)物(wù)质(zhì)又究竟是什么？人类为(wèi)了寻找暗物质存在的证据，科学家们在过去的几十(shí)年当(dāng)中进行(xíng)了超过50次(cì)的长(zhǎng)期实验(yàn)，但(dàn)是却没有发现(xiàn)任何(hé)的有效证(zhèng)据。除(chú)了(le)一个地(dì)方，在1687年出版的自然哲学数学原理一书(shū)中，埃(āi)萨克(kè)牛顿发表了万有引力(lì)定律，它揭示了(le)宇宙中天体运动的规(guī)律。往后的几百(bǎi)年来，当天文学(xué)家(jiā)们发(fā)现(xiàn)某些天体运(yùn)行轨道出(chū)现(xiàn)异常，不(bù)符合万(wàn)有引力定律的(de)时候，他们就会知道，周围一定有未知的天体通过(guò)引力在摄(shè)动它的轨道。比如在1846年，奥本勒(lēi)维耶就通过天王星运行(xíng)轨道的异常(cháng)，推(tuī)算(suàn)并且发(fā)现了海王(wáng)星的(de)存在。另外，哈雷彗星、冥王(wáng)星的发现(xiàn)都(dōu)是应用万有引力定律所取得重大天文(wén)成(chéng)就的例子(zi)。但是(shì)这些发(fā)现(xiàn)都是在恒星(xīng)系统的尺度(dù)当中，可当我(wǒ)们上升到星系或(huò)者是(shì)星团的尺(chǐ)度(dù)，事(shì)情就开始变得诡(guǐ)异(yì)了。

1933年，瑞士(shì)的物(wù)理学(xué)家弗里茨(cí)兹威基正(zhèng)在研究和测量后发星系团的质量。这是一(yī)个由(yóu)数千个(gè)星系所组成的巨大星系(xì)团，这些星(xīng)系被引力束缚在一起(qǐ)。测量星系团的质量一般(bān)会使用到两种方法(fǎ)，当两(liǎng)种方法结果一致，就可(kě)以确定其质(zhì)量的范围。

第一种是(shì)获得(dé)其"光度学(xué)的质(zhì)量"，需要的数(shù)据是测量各个(gè)星系的光(guāng)度。

第(dì)二种是动力学质量的计(jì)算，是利用(yòng)光谱红移测量星系团(tuán)中的科兴是美国的还是中国的各个星系相对于星系团的(de)运(yùn)动速(sù)度。当测量结果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟(jìng)然是“光度学质(zhì)量”的(de)400倍。这意味着，后发座星系团(tuán)有99%的质量(liàng)消失了，或(huò)者说这99%的(de)质量并(bìng)不以可(kě)见光的形式(shì)所存在(zài)，我们无(wú)法看(kàn)到。最诡(guǐ)异(yì)的是(shì)，在测量(liàng)速(sù)度的(de)过程中，兹(zī)威(wēi)基发现(xiàn)星系团(tuán)中很多星系的速度比理论上要快得多，按照牛顿的运动学定律，仅靠这些可见星(xīng)系的质量所产(chǎn)生(shēng)的引力是无法将它们束缚在(zài)星系团内的，它们(men)早就应该被抛出星系团之外(wài)了(le)，除非有一(yī)种神秘的力(lì)量在起作用，这种力量来源于(yú)某(mǒu)种隐形的物质。

据此，兹维(wéi)基提出了这样(yàng)部分不(bù)可见的暗质，它不发散光、吸光、反射光，但是它(tā)们却占据着宇宙中绝(jué)大部分的质量。只是当时的(de)人们对(duì)这样的一种说法不屑一顾。

直(zhí)到40年之后，“暗物质”这(zhè)个词(cí)才再一次(cì)出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾和肯特(tè)福特(tè)在观测仙女座(zuò)星系中的恒星运(yùn)动。理论(lùn)上(shàng)来说，距离中心越(yuè)远的恒星在其轨(guǐ)道上的运行速度就会越慢。但(dàn)是(shì)他们(men)观测的结果(guǒ)却让人感到不可思(sī)议。

随着与中(zhōng)心距离的增(zēng)加(jiā)，恒星的旋转速度几(jǐ)乎保持不变。可是(shì)根据牛顿的万有(yǒu)引力定律，在星(xīng)系当中如果没有(yǒu)足够大的质量(liàng)来(lái)吸引它(tā)们(men)，这些外围的(de)恒星早就被甩(shuǎi)到(dào)宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。基于这(zhè)种(zhǒng)现象，科学家们会使用一(yī)种相对标准(zhǔn)的方法来解释(shì)暗(àn)物质的存(cún)在，这种方(fāng)法就是测量星系当中气体在X轴上距(jù)离(lí)星系中心的距(jù)离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速度。如果出(chū)现异常的结(jié)果，就(jiù)认为是由暗物质的(de)力量进入其中。

于是科学家们通过射电(diàn)望(wàng)远(yuǎn)镜测量了距离(lí)星系中(zhōng)心(xīn)更远距离的氢元(yuán)素，发(fā)现它们的旋转速度并不符合(hé)牛顿的力学定律(lǜ)。我(wǒ)们(men)的(de)太(tài)阳(yáng)系也不(bù)例外，太阳系(xì)位(wèi)于银河系(xì)的(de)第三(sān)悬臂之上(shàng)，距离银河系中心2.6万光年，根(gēn)据万有(yǒu)引力定律(lǜ)进(jìn)行(xíng)计算，太阳(yáng)系的(de)运(yùn)行速度(dù)应(yīng)该是160千(qiān)米/秒，但实际上，太阳(yáng)系(xì)正在以(yǐ)220千米/秒(miǎo)的速(sù)度(dù)围绕银河系旋转，这(zhè)个实(shí)际速度远远大于(yú)理(lǐ)论(lùn)速度，那么产生以上这种向心加速度的(de)原因很(hěn)可能就是(shì)存在着一种我们看不到的物质(zhì)，是这些暗物质的引(yǐn)力效(xiào)应将星系聚集在了一起。

也是从这(zhè)时(shí)开始，越来(lái)越多的(de)研(yán)究人(rén)员开始相信暗物(wù)质的存(cún)在。科学家(jiā)根据(jù)星(xīng)系外(wài)恒星轨道的(de)速度，估算在星系当中暗物质(zhì)的质(zhì)量占整个星(xīng)系(xì)质量的85%。但是，暗物质并(bìng)不是唯一可以解释这个现象的原因(yīn)。在一项(xiàng)新(xīn)的研究当中，科学(xué)家们发现(xiàn)，几乎没(méi)有引(yǐn)力效应(yīng)的(de)遥(yáo)远恒星之间，也(yě)会出现速度上的(de)微小差异。另外，天文(wén)学家(jiā)还发现了一个(gè)反常(cháng)的(de)星(xīng)系，叫做Agc114905。这(zhè)个星系(xì)距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大小和银(yín)河(hé)系不多，但是星系当中存(cún)在的恒(héng)星数量却只(zhǐ)有银(yín)河系的千分之一。

所(suǒ)以(yǐ)在理(lǐ)论上，该星(xīng)系必须存在暗物质，否则(zé)就会分(fēn)崩离析。但是科学家们使用最(zuì)先进的望(wàng)远镜对其进行了40个小时的详细(xì)测量之后(hòu)，发现星系中的恒星运动是可(kě)以用正常的物质和力学定律来解(jiě)释的。那么又有(yǒu)人提出，也许该星(xīng)系(xì)的暗(àn)物质，已(yǐ)经被附近的(de)另一个大星(xīng)系剥离了。奇(qí)怪的(de)是，它的附近没有任何星系存在。造成(chéng)这些现象的(de)除了(le)暗物质的假说之(zhī)外，另一种可(kě)能就(jiù)是人类对引(yǐn)力的(de)理解还不够全面(miàn)，引力很可(kě)能在不(bù)同尺度空间中的工作方式是不(bù)同的(de)，这意味着在行星系(xì)尺度中的天体(tǐ)会沿(yán)着它们的轨道，按照我们所理解(jiě)的方式运动(dòng)。但是上(shàng)升到星系和星(xīng)团的尺度(dù)，引(yǐn)力之间的相互(hù)作(zuò)用(yòng)则是不同的(de)方式。对于在星系团之间的相互(hù)作用，科学(xué)家还(hái)引入(rù)了外部场效应的概念，指的是在数百万光年的规(guī)模上(shàng)，巨大(dà)的质量之间会(huì)产生(shēng)对彼此特(tè)殊的效果，这个理论(lùn)叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理论成立，这(zhè)意(yì)味着我们需(xū)要对现在的物理定律进行修正，这些发(fā)现(xiàn)也(yě)让很多人认(rèn)为暗物质假(jiǎ)说理论就(jiù)此终结。但是在(zài)宇宙当(dāng)中还有关于暗物质存在的其他的理论证据(jù)，这些(xiē)理论证(zhèng)据是蒙(méng)德理论(lùn)所(suǒ)没法(fǎ)解释(shì)的(de)“引(yǐn)力透镜”。

径向距离为37亿光年的子弹(dàn)星系(xì)团，由两个碰(pèng)撞的星系团所(suǒ)组成，类似这(zhè)样的(de)星团，它们(men)大部分的(de)普通质量都在星系(xì)的(de)气体当(dāng)中。当(dāng)星团以(yǐ)1000万公里/小时发生碰撞的时(shí)候，星际气体的相互(hù)作(zuò)用就会导(dǎo)致温度的急剧升(shēng)高(gāo)，速度大幅降低。所以在理论上，在碰撞之后，子弹星系(xì)团(tuán)大部分的质量将位于所有(yǒu)这(zhè)些气体所在的(de)中间区(qū)域(yù)。那么我(wǒ)们通(tōng)过什(shén)么来验证它的质量区域到底是不是集(jí)中在中间呢？前不久，詹姆(mǔ)斯(sī)韦伯太空望远镜传回(huí)了宇宙当中第一张全彩(cǎi)的高(gāo)清照片(piàn)，在照片中我们可以明显地看到很多(duō)星系似乎(hū)被拉伸产生了巨(jù)大(dà)的形变。其(qí)实这些星系本身并不是真(zhēn)的被扭曲了，也不(bù)是韦伯望远镜出了什么问(wèn)题(tí)，而(ér)是这样极遥远的(de)天体和我(wǒ)们地球上的观测者之间。被一个质量超级(jí)巨大的天(tiān)体(tǐ)遮挡，这(zhè)个超大(dà)质量(liàng)的东西的引力，会使身后更(gèng)遥远(yuǎn)星系(xì)的(de)光都发生(shēng)了扭曲。这个(gè)现象(xiàng)就是引力透镜效应(yīng)。这个巨(jù)大的天体可能是(shì)超大(dà)质量的黑洞或者是暗物质。

所以当人们对子弹(dàn)星系团观测的时科兴是美国的还是中国的候(hòu)，发(fā)现它的大(dà)质量区域并不是在中间，而是在(zài)两侧。所以最好的解(jiě)释方(fāng)法就是当星团发(fā)生(shēng)全(quán)部的碰撞时，可(kě)被观测到的质量气体(tǐ)被卡(kǎ)在(zài)了(le)中间(jiān)，暗物质则(zé)直接通过(guò)了(le)这个区域，并(bìng)在两边形成了引力透镜。对子弹星系团的引力透镜研(yán)究也被认为是暗物质存在的迄今(jīn)为止最好的理论证据。

除此之(zhī)外，还有来自宇宙(zhòu)当中最古老的光(guāng)。从宇宙(zhòu)大(dà)爆炸开始，38万年之(zhī)后，可见光(guāng)终于可以畅(chàng)通无阻(zǔ)地穿越在宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。经过了130多亿年之后(hòu)，这些光在宇宙空间背景上留下了各相(xiāng)同性的微波辐射(shè)。其(qí)中红色的(de)部分表示温度较高的(de)区域(yù)，蓝(lán)色则表(biǎo)示相对较冷的区域，但实际上它们之间(jiān)的温差只有万分之一。

科(kē)学家们(men)通(tōng)过对前景背景分离(lí)后的二值(zhí)图像进行连通域提(tí)取和标记之后发现，如果(guǒ)宇宙(zhòu)当中没有暗物(wù)质，图形(xíng)看起来不(bù)应该是这样的，而(ér)随(suí)着暗(àn)物质的增加，一些峰值的幅度会减小，才变(biàn)得(dé)看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背(b科兴是美国的还是中国的èi)景辐射的测(cè)量值(zhí)，我们需(xū)要(yào)的(de)暗物(wù)质大(dà)约是普通(tōng)物(wù)质的(de)5倍(bèi)。这个数(shù)字(zì)与解(jiě)释星(xīng)系当中恒星(xīng)运动所(suǒ)需要的暗物(wù)质比例是(shì)一致的。这就意味着。

用(yòng)了一个(gè)简单(dān)的理论框架，就(jiù)很好(hǎo)地解释了很多不同的观测(cè)结果。而暗物(wù)质的本质就是宇(yǔ)宙当中存在(zài)着某(mǒu)种类型的粒子，它们(men)不参(cān)与(yǔ)任何其他的(de)电磁(cí)作用，只通过引力来(lái)相(xiāng)互作用。所以如(rú)果(guǒ)能够(gòu)找(zhǎo)到这(zhè)种粒(lì)子(zi)的存(cún)在，就(jiù)相当于(yú)找(zhǎo)到了暗物质存在的实(shí)际证据。这种粒子到底是(shì)什(shén)么？科学家(jiā)们(men)已经提(tí)出(chū)了数十种(zhǒng)的假想目标(biāo)，而(ér)要寻找(zhǎo)这(zhè)些不同(tóng)的目标(biāo)粒(lì)子所(suǒ)需要的实验方式也(yě)不相同(tóng)。在过去的(de)几十年(nián)当中(zhōng)，人类为(wèi)了寻找这(zhè)些看不见、摸(mō)不到，几乎(hū)不会(huì)与(yǔ)常规(guī)物质相互作用(yòng)的“暗(àn)物质”，科学家(jiā)们已经(jīng)进行了(le)超过50次(cì)的(de)实验，却没有任何实质性(xìng)的发(fā)现，除了(le)一个地方，意大利的格(gé)兰(lán)萨索(suǒ)山(shān)，隶属于阿尔(ěr)卑(bēi)斯山脉。

在山下1400米(mǐ)处的地下(xià)矿井当(dāng)中，藏着(zhe)地球上最(zuì)大的地学实验室，这个(gè)实验室(shì)叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有(yǒu)一个三层楼(lóu)高的(de)探测器，一直致力于寻找暗(àn)物质(zhì)粒子的周期性震(zhèn)荡(dàng)。

自1997年(nián)以来，这里(lǐ)的科(kē)学家声称(chēng)观测(cè)到了某种信号。经过(guò)了20多年的数(shù)据收集，人们发现了一个有趣的事(shì)情。探测率(lǜ)会在(zài)每年的6月份达(dá)到(dào)峰值(zhí)，然(rán)后在11月降(jiàng)到最低(dī)，而且在20年当中每年都是(shì)一样。一些科学(xué)家认为这可能是人类发现暗(àn)物质的(de)第一个(gè)直(zhí)接证据。

但是为什么暗物质会产(chǎn)生周期(qī)性的年度(dù)信(xìn)号呢(ne)？刚才我们讲了太阳系正在以(yǐ)220公里/秒的(de)速(sù)度围(wéi)绕着银河系进行移动，那(nà)么(me)如(rú)果暗物质(zhì)存在(zài)宇宙当(dāng)中，这意(yì)味着我们也在以这样的速(sù)度在穿(chuān)越着(zhe)暗(àn)物质(zhì)流，这个过程中会产(chǎn)生相(xiāng)应(yīng)的振(zhèn)荡，同时地球(qiú)又以30公里/秒的速度(dù)围绕太阳(yáng)进行(xíng)旋(xuán)转。所以有半年的时间，地(dì)球围绕太阳的方(fāng)向与太阳环绕银(yín)河系的方向是一(yī)致的(de)，而另外半年则与之(zhī)相(xiāng)反。

而在6月份的时候(hòu)，地球与太阳的方(fāng)向正(zhèng)好(hǎo)达到(dào)完全一(yī)致，这是理论上地球穿越暗(àn)物质流最快的时段。而(ér)在11月份，又恰(qià)好(hǎo)达到了最慢值。尽(jǐn)管在实际的情况(kuàng)中，太阳系(xì)相(xiāng)对银河(hé)系的平面呈(chéng)现(xiàn)了60度的倾斜(xié)，但是这并不影响这个(gè)理(lǐ)论的有效(xiào)性(xìng)。

因此科学家认为(wèi)这可(kě)以用(yòng)来解(jiě)释，研究人员们所(suǒ)观测到的周期性(xìng)信号(hào)。当然也(yě)可能有其他的(de)情况(kuàng)，造成这(zhè)种年度周期信(xìn)号(hào)的(de)差异也可能(néng)是温度、湿(shī)度(dù)、土壤中的水分、高山上(shàng)的积雪，甚至(zhì)连意大(dà)利游客的数(shù)量也符合这(zhè)个周期的规律。

所以，科(kē)学家们(men)又在南半球建(jiàn)立(lì)了一(yī)个几乎(hū)相同(tóng)的实验室，这(zhè)里的季节(jié)与之前的实验室正(zhèng)好相反，而在这里，地球(qiú)穿(chuān)过暗物质流的运(yùn)动特(tè)征(zhēng)和第(dì)一个实验室(shì)是一(yī)样的。

因此，如果在这(zhè)里可(kě)以得(dé)到相同的信号，就可以(yǐ)成为(wèi)暗物质所存在的(de)非常(cháng)有力的证据了(le)。但(dàn)是由于这个实验室刚刚建成不久，所以截(jié)至(zhì)目前还无法提供相应的数据(jù)支持。另外，在(zài)2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这(zhè)台太空望远镜叫做“南希格(gé)雷斯罗曼”，它的(de)主(zhǔ)镜大小跟(gēn)哈勃望远镜相同，但它的(de)宽视场仪器提供的(de)视野是哈勃红外仪(yí)器的(de)100倍(bèi)。南希格(gé)雷斯罗曼太空望远镜其中一个关键的(de)用途(tú)就是探索暗物质背后的(de)奥秘，对于探(tàn)测的(de)结果，我们只能拭目(mù)以待了。费米实验室粒子天体物理(lǐ)中心的科学家丹琥珀(pò)和贾森斯特芬研究发现，如果暗物质存(cún)在(zài)，它们极有可能拥(yōng)有另一种神秘的效应，这种暗物质效应(yīng)，会支持宇宙(zhòu)当中生命的诞生，或者说是生命进化的一个重要因素。

如果这一理论得到进(jìn)一步的证实(shí)，那么遍布(bù)宇宙当中(zhōng)的暗物质会不会(huì)意(yì)味(wèi)着人类(lèi)并不孤单呢？或许在宇(yǔ)宙(zhòu)当中某个角落的行星上，暗(àn)物质正在通过这(zhè)样的(de)效应创造生命。当然，这些推论的大(dà)前提是要(yào)先(xiān)找(zhǎo)到暗物(wù)质存(cún)在(zài)的(de)实际证据(jù)。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉得暗物质(zhì)到底存不存在呢？喜欢(huān)请点赞，你的支(zhī)持(chí)是我更新的动力！

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