宇宙是“人为制造”的？为何会(huì)存在科学无(wú)法(fǎ)解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么(me)？人类为了寻找暗物质存在(zài)的(de)证据(jù)，科学家们(men)在(zài)过去的几十年当中进行了超(chāo)过50次的长期实验，但是却没有发(fā)现任何的有(yǒu)效证(zhèng)据(jù)。除了一个地方(fāng)，在1687年出版的自(zì)然哲学数学原理一书(shū)中，埃萨克牛(niú)顿发表(biǎo)了(le)万有引力定律，它揭示(shì)了宇宙中天体运动的规律。往后的几百年来，当天(tiān)文学家们(men)发现某(mǒu)些天体(tǐ)运(yùn)行(xíng)轨道出现异常(cháng)，不符合万有引力定律的时候，他们就会知道(dào)，周(zhōu)围一(yī)定(dìng)有(yǒu)未知的(de)天体通过引力在摄动它的轨道。比如在1846年，奥本勒维(wéi)耶就通过天(tiān)王星运(yùn)行(xíng)轨道的异常，推算并且发现(xiàn)了海王(wáng)星(xīng)的存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发现都(dōu)是(shì)应(yīng)用万有引力定律所取得重(zhòng)大天文成就的(de)例子。但是这些发现都(dōu)是在(zài)恒星系统的尺度当中(zhōng)，可(kě)当我们(men)上升到星系或(huò)者是星(xīng)团的(de)尺度，事情就开始变得(dé)诡异了。

1933年，瑞士的(de)物(wù)理学家弗里茨兹威基正在(zài)研(yán)究和测(cè)量后发星(xīng)系团的(de)质量。这是一(yī)个由数千个(gè)星(xīng)系所组成的巨大星系团(tuán)，这些星(xīng)系被引力束(shù)缚在(zài)一起。测量星系团的质量(liàng)一般会使(shǐ)用到两种方法，当(dāng)两(liǎng)种方(fāng)法结果一致，就可以(yǐ)确定其质量的范围。

第一(yī)种(zhǒng)是获得(dé)其"光度学的(de)质量"，需(xū)要的数据是(shì)测量各个星系的(de)光(guāng)度(dù)。

第二种是(shì)动力学质量的计算，是利用光谱红移测量星(xīng)系团(tuán)中的各个星系相对于星系团的运(yùn)动(dòng)速度。当测量结(jié)果(guǒ)出来之后，兹威基彻底懵了，“动(dòng)力学质量”竟然是“光度学质量”的400倍(bèi)。这意味着，后发座(zuò)星系(xì)团(tuán)有99%的质量(liàng)消失了，或(huò)者(zhě)说(shuō)这99%的质量并不以可见光的形(xíng)式所存在，我们(men)无法(fǎ)看到。最诡(guǐ)异的是，在测量速(sù)度的过程中，兹威基发(fā)现星系(xì)团中很(hěn)多星系的速度比(bǐ)理论上要快得多，按照(zhào)牛顿(dùn)的运动学定律，仅(jǐn)靠这些可(kě)见星系(xì)的(de)质量(liàng)所产生(shēng)的引(yǐn)力(lì)是无法(fǎ)将(jiāng)它们束缚在星系团内的，它们早就应该被(bèi)抛(pāo)出星(xīng)系团之外了，除非有一种神秘的力(lì)量在(zài)起(qǐ)作用，这种力量来源(yuán)于某(mǒu)种隐形的物质。

据此，兹维基提出了这样(yàng)部分不可见的暗(àn)质，它不(bù)发(fā)散光、吸光、反射(shè)光，但是(shì)它们却占据着宇宙中绝大(dà)部分的质量。只是当时的人们对这样(yàng)的一种说法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质(zhì)”这个词才再一(yī)次出现。天文学家维拉(lā)鲁宾和肯特(tè)福特(tè)在观测仙女座星系中的恒(héng)星运动。理论上来说，距离中心越远的(de)恒星在其(qí)轨道(dào)上的(de)运行速度就(jiù)会越慢。但是他们观(guān)测(cè)的结果(guǒ)却让人(rén)感到不(bù)可思议。

随(suí)着(zhe)与中心距离(lí)的增(zēng)加，恒星的旋转速度几乎保持(chí)不(bù)变。可(kě)是根据牛顿的(de)万有引力定律，在星系当中如(rú)果没有足(zú)够大的质量(liàng)来吸引它们(men)，这些外(wài)围的恒星(xīng)早(zǎo)就被(bèi)甩到宇宙当中了。基于这(zhè)种现(xiàn)象，科学(xué)家们会使用一(yī)种(zhǒng)相对标准的方法来解释暗物质的存在，这种方法就是测量星(xīng)系当中气体在X轴(zhóu)上距离星系中心的距离(lí)，以及(jí)在Y轴上气体的旋转速度。如果(guǒ)出现异常的结果，就认为是由(yóu)暗物质的(de)力量进入其中。

于是(shì)科学(xué)家们(men)通过射电望远镜测量了距离星系中(zhōng)心更远距离的(de)氢元素，发现它们的旋(xuán)转(zhuǎn)速度并不符合(hé)牛顿的力学定律。我们(men)的太阳系也不例(lì)外，太阳(yáng)系位(wèi)于银(yín)河系的(de)第(dì)三悬(xuán)臂之上，距离银(yín)河(hé)系中(zhōng)心2.6万光年，根据(jù)万(wàn)有引(yǐn)力定律进行计算，太阳(yáng)系的运行速度应该是160千米/秒(miǎo)，但实际上，太阳系正在(zài)以220千米(mǐ)/秒(miǎo)的速度(dù)围绕银(yín)河系旋转，这(zhè)个实(shí)际(jì)速度远远(yuǎn)大(dà)于(yú)理论速度，那(nà)么产生以上(shàng)这种向心加(jiā)速度的原因(yīn)很可能(néng)就是存在着(zhe)一种(zhǒng)我(wǒ)们看不(bù)到(dào)的物质，是这些暗(àn)物(wù)质的引力效应(yīng)将(jiāng)星系聚(jù)集在(zài)了一起(qǐ)。

也是从这(zhè)时(shí)开(kāi)始，越来越(yuè)多的研(yán)究人员开始(shǐ)相信暗(àn)物质(zhì)的存在。科学家根据星系外恒星轨道的速(sù)度，估算在星系当中暗(àn)物质(zhì)的质量占整个星系(xì)质量的85%。但是，暗(àn)物质(zhì)并不是唯一可以(yǐ)解释这个现象的原因。在(zài)一项新的(de)研究当中，科学(xué)家们发现，几乎没有引力效应的遥远恒星之间(jiān)，也会出现速度上的(de)微小差异(yì)。另外，天文学(xué)家还发现(xiàn)了一个反(fǎn)常的星系(xì)，叫(jiào)做(zuò)Agc114905。这个星系距离(lí)地(dì)球大约2.5亿光(guāng)年，大小(xiǎo)和银(yín)河(hé)系不(bù)多(duō)，但是星系当中(zhōng)存在的恒星(xīng)数(shù)量却只有银河系的千分之一。

所以(yǐ)在理论上，该星系(xì)必须存(cún)在暗物质(zhì)，否则就会分(fēn)崩离析。但是(shì)科学家们使用最先进(jìn)的望(wàng)远镜对其进行了40个小时(shí)的详细测量之后，发现星系中的(de)恒星运动是(shì)可以用正常的物(wù)质和力(lì)学定(dìng)律来解释(shì)的(de)。那(nà)么又有人提出，也许该星系的暗物(wù)质，已经被附近的(de)另一个大星系剥离了(le)。奇怪的是，它的附(fù)近没(méi)有任何星(xīng)系存在(zài)。造成这些现(xiàn)象的除(chú)了暗物质的(de)假说之外，另一(yī)种可(kě)能就是人类(lèi)对引力(lì)的理解还(hái)不够全面(miàn)，引力很可能在不同尺度空间(jiān)中的(de)工作方式是不(bù)同的，这意味着在(zài)行星(xīng)系(xì)尺度(dù)中的天(tiān)体会沿(yán)着它们的轨(guǐ)道(dào)，按照我们所理解的方式运动(dòng)。但是上升到星系和(hé)星团的尺度，引力(lì)之间(jiān)的相互(hù)作用则是不同的方式。对于(yú)在星系团之间的相互作(zuò)用，科学家还引入了外部(bù)场(chǎng)效应的概念，指(zhǐ)的是(shì)在数百万光年的规(guī)模上，巨大的质(zhì)量(liàng)之间会(huì)产(chǎn)生对彼(bǐ)此特殊的效果(guǒ)，这个理论叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理(lǐ)论成立(lì)，这意(yì)味着我们需要对现在(zài)的物理定律进(jìn)行修正，这些(xiē)发(fā)现(xiàn)也(yě)让很多人认为(wèi)暗物质假说(shuō)理论就此终结。但是在宇宙当中还有关于暗物质存在的其他的(de)理论(lùn)证据，这些理论证据是蒙德(dé)理论所(suǒ)没法解(jiě)释(shì)的(de)“引力(lì)透镜”。

径向距(jù)离(lí)为37亿光年的子(zi)弹星系团，由(yóu)两个碰撞的星系(xì)团所组(zǔ)成，类似这(zhè)样(yàng)的星团，它们大部分的普通质量都在星系的气体当(dāng)中。当星团以1000万公(gōng)里/小时发(fā)生(shēng)碰(pèng)撞的时候，星(xīng)际气体的相互作用就会(huì)导致温(wēn)度的(de)急剧升高，速度大幅降低。所(suǒ)以在理论(lùn)上，在(zài)碰(pèng)撞(zhuàng)之后(hòu)，子弹星系团大部分的质量(lià人次是指什么，人次是单位吗ng)将(jiāng)位于所(suǒ)有这(zhè)些气(qì)体所(suǒ)在的中间区域。那么我们通(tōng)过什(shén)么来验证它的质量区域到(dào)底是不是集中在中间呢？前不(bù)久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了宇宙当中第一(yī)张全彩的(de)高清照片，在照片中我们可以明显地看到很(hěn)多星系似乎(hū)被拉伸产生了(le)巨大的形(xíng)变。其实这些(xiē)星系本身并不是真的被扭(niǔ)曲了，也不是韦伯望远镜出(chū)了什么问题，而是(shì)这样极遥远的天(tiān)体和我们地球上(shàng)的观测者之间(jiān)。被一个(gè)质量超级巨大(dà)的天体遮挡，这个超(chāo)大质量的东西的引力，会使身后更遥(yáo)远星系的光(guāng)都发生了(le)扭曲。这个现象就(jiù)是引力透镜效应。这个巨大的(de)天体可(kě)能是超大质量的黑洞(dòng)或者(zhě)是(shì)暗物质。

所(suǒ)以当人们对子弹星系团观测的时候，发现它的大质量区域并(bìng)不是在中间，而是在(zài)两侧。所以最好(hǎo)的解释方法就是(shì)当星团发生全部的碰(pèng)撞(zhuàng)时，可被观测到的(de)质(zhì)量(liàng)气体被卡在了中间，暗物(wù)质(zhì)则直(zhí)接通过了这个区域，并在两边形(xíng)成了引(yǐn)力透镜。对子弹星(xīng)系(xì)团(tuán)的引力透镜研(yán)究也被认为是暗物质存在的迄今(jīn)为止(zhǐ)最好(hǎo)的理论(lùn)证据(jù)。

除此之(zhī)外，还(hái)有(yǒu)来自(zì)宇宙(zhòu)当中(zhōng)最古老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光终于可以畅通无(wú)阻地穿(chuān)越在(zài)宇宙当(dāng)中了。经过了130多(duō)亿年之后，这(zhè)些光(guāng)在宇宙空间(jiān)背景上留下(xià)了各相(xiāng)同性的(de)微波(bō)辐射(shè)。其(qí)中红色(sè)的(de)部分表示(shì)温度较高的区域，蓝色则表示相对较冷的区域(yù)，但实(shí)际上(shàng)它(tā)们之间的温(wēn)差只有万(wàn)分(fēn)之一。

科学家们通过对前景背景分(fēn)离后(hòu)的(de)二(èr)值图像进行连通(tōng)域提取和标(biāo)记之后发现，如果宇宙当中没有暗物质(zhì)，图形看起来不(bù)应(yīng)该是(shì)这样的，而(ér)随着暗(àn)物质的增(zēng)加，一些(xiē)峰(fēng)值的幅度会减(jiǎn)小(xiǎo)，才变得看起来“和(hé)谐”。为了匹配宇(yǔ)宙微波背景辐射(shè)的测量值，我们(men)需要的暗物质(zhì)大约是普(pǔ)通物质的(de)5倍。这个数字与解释星系当中恒星(xīng)运动所需(xū)要的暗物质比例是(shì)一致(zhì)的(de)。这就意味着。

用(yòng)了一个简(jiǎn)单的理论(lùn)框架，就很好(hǎo)地解(jiě)释了很多(duō)不同的观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当中(zhōng)存在着某种(zhǒng)类型(xíng)的粒子(zi)，它们不参与任何其他的电(diàn)磁作用(yòng)，只通过(guò)引(yǐn)力来相互作用。所以如果能够(gòu)找到(dào)这种粒子的(de)存在，就(jiù)相(xiāng)当于找(zhǎo)到(dào)了暗物质存在的实际证据。这种粒子(zi)到底是什么(me)？科学家们已经(jīng)提(tí)出了数十种的(de)假(jiǎ)想目标，而要寻(xún)找这些不同的目标粒子所需要的实验(yàn)方式也(yě)不相同(tóng)。在(zài)过去的(de)几(jǐ)十年当中(zhōng)，人(rén)类为了寻找这些(xi人次是指什么，人次是单位吗ē)看不(bù)见、摸不(bù)到，几乎不会与常规物质相互(hù)作用的“暗物(wù)质”，科学(xué)家们(men)已经进行(xíng)了超过(guò)50次的实验(yàn)，却没(méi)有任何实质性的发(fā)现，除了一(yī)个地(dì)方，意(yì)大利的格(gé)兰萨索山，隶属于(yú)阿(ā)尔卑斯山(shān)脉。

在山下1400米处的地下矿(kuàng)井当中，藏着地球上最(zuì)大的地学实(shí)验(yàn)室(shì)，这个(gè)实(shí)验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个三层楼高的探测器，一直致(zhì)力于寻(xún)找暗物质粒子(zi)的周(zhōu)期性(xìng)震荡。

自1997年以来，这里的科学(xué)家声称观测到了(le)某种信(xìn)号。经过了(le)20多年的数据收集(jí)，人们发现了一个有趣的事情。探测(cè)率会在每年(nián)的6月份达到峰值，然后在11月降到最低，而(ér)且在20年当(dāng)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物质的第一个直接证据。

但是为什么暗物质会产生周期性的年度信号(hào)呢？刚才我(wǒ)们讲了(le)太阳系正在以220公(gōng)里(lǐ)/秒的速度围绕(rào)着银河系进行移动，那么如果暗物质存(cún)在(zài)宇宙当中，这意味(wèi)着(zhe)我们也在以这样(yàng)的速(sù)度在穿越着暗(àn)物(wù)质流，这个过程中(zhōng)会产(chǎn)生相应的(de)振荡，同时地球又以30公(gōng)里/秒的速(sù)度围绕太阳进行旋(xuán)转(zhuǎn)。所(suǒ)以(yǐ)有半(bàn)年(nián)的时间，地球(qiú)围绕太阳的方向与太阳环绕银河系的方向是一致的，而另(lìng)外(wài)半(bàn)年则与之相反。

而在6月(yuè)份的(de)时候，地球与太阳的(de)方向(xiàng)正好达(dá)到完全一致，这是理论上地球(qiú)穿(chuān)越暗物质流最快的时段。而(ér)在11月份，又恰好(hǎo)达(dá)到了(le)最慢值。尽(jǐn)管在实(shí)际的情(qíng)况中(zhōng)，太(tài)阳系相对银河(hé)系的平面呈现(xiàn)了60度的倾(qīng)斜，但是这并不影响这个理(lǐ)论的有效性。

因此科学家认为这可以用来解释，研究人员们所观测到的周期性信号。当然也可能有其(qí)他的情况，造成这种(zhǒng)年度周(zhōu)期信号的(de)差异也可能是温(wēn)度(dù)、湿度、土(tǔ)壤中的水分(fēn)、高山上的积雪，甚至连意大利游客的数量(liàng)也符合这个周期的规(guī)律。

所以，科学家们又(yòu)在(zài)南(nán)半球建立了一个几(jǐ)乎(hū)相同的实验(yàn)室，这里(lǐ)的季节与(yǔ)之前(qián)的实验室正好相反，而(ér)在这里，地(dì)球穿(chuān)过暗物质流的运动(dòng)特征和第一个实验(yàn)室是一样的。

因此，如果在这里(lǐ)可以得到相同的信号，就可以成(chéng)为暗物质所(suǒ)存在的非常有力的(de)证据了(le)。但是由于这(zhè)个实验室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还(hái)无法提(tí)供相应(yīng)的(de)数据支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会(huì)发射一台新(xīn)的(de)望远镜，这台(tái)太(tài)空望远镜叫做“南希(xī)格雷斯罗(luó)曼”，它的主(zhǔ)镜大(dà)小跟哈勃望(wàng)远(yuǎn)镜相同，但它的宽视场仪器提供(gōng)的视野是哈勃红外仪器的(de)100倍。南希格雷斯罗(luó)曼(màn)太空(kōng)望远镜(jìng)其(qí)中(zhōng)一个关键的用途(tú)就是探索暗物质背后的奥秘，对于探测(cè)的结(jié)果(guǒ)，我(wǒ)们只能(néng)拭(shì)目以待了(le)。费(fèi)米实验室粒子天体物理中心的科学家(jiā)丹琥珀和贾森斯特芬研究发现，如果暗(àn)物质(zhì)存(cún)在，它们极有可能拥有另(lìng)一(yī)种神秘的效(xiào)应，这种暗物质效应，会支持宇(yǔ)宙当中生命的(de)诞生，或者说是生命进化的一个(gè)重要(yào)因素。

如(rú)果这一(yī)理论(lùn)得(dé)到(dào)进(jìn)一步的证(zhèng)实(shí)，那么遍布宇(yǔ)宙当中的暗(àn)物质会不会意味着(zhe)人类并不孤(gū)单(dān)呢(ne)？或许在宇宙当(dāng)中(zhōng)某个角落的(de)行星上，暗(àn)物(wù)质(zhì)正在通过(guò)这样的(de)效应创造生(shēng)命(mìng)。当(dāng)然(rán)，这些推论的大前提是要先找到暗物质存在的(de)实际证据。那么小(xiǎo)伙伴们，你们(men)觉得暗物质(zhì)到底(dǐ)存不(bù)存在呢？喜(xǐ)欢请点赞(zàn)，你的支持(chí)是我更(gèng)新的动力！

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