宇宙是“人(rén)为制(zhì)造”的？为何会存在(zài)科学无法解释的“暗物质”？暗(àn)物质又(yòu)究竟是什(shén)么？人(rén)类为(wèi)了寻找暗物质存在的证据，科学家们(men)在(zài)过去的几十(shí)年当中(zhōng)进(jìn)行了超过50次的长期实验，但是却(què)没有发现任(rèn)何的有效(xiào)证(zhèng)据(jù)。除了一个地方(fāng)，在1687年出版的自然哲学数(shù)学原(yuán)理一(yī)书中，埃萨(sà)克牛顿(dùn)发表了万(wàn)有引力定律，它揭示了宇宙中天体运(yùn)动的(de)规律。往后(hòu)的(de)几百年来(lái)，当天(tiān)文学(xué)家们发现某(mǒu)些天体运行轨道出现(xiàn)异常，不符合万(wàn)有引(yǐn)力定(dìng)律的时候，他们(men)就会知(zhī)道，周围一定有未知的(de)天体通(tōng)过引力(lì)在摄动(dòng)它(tā)的轨道。比如在1846年(nián)，奥本(běn)勒(lēi)维耶就通过天王星(xīng)运行轨道的(de)异常(cháng)，推算并且发现了(le)海王(wáng)星的(de)存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发现都是(shì)应用万有引力定律所取得重大(dà)天(tiān)文(wén)成就的(de)例子。但是(shì)这些发现(xiàn)都(dōu)是在恒星(xīng)系(xì)统的尺度(dù)当(dāng)中，可(kě)当(dāng)我(wǒ)们上升到(dào)星系或(huò)者是星团的(de)尺度，事情就开始变得诡异(yì)了。

1933年，瑞士的(de)物理(lǐ)学(xué)家弗里茨兹(zī)威基正在(zài)研究和测量后发星系(xì)团的(de)质(zhì)量(liàng)。这是一个由数千个星系所组成的(de)巨(jù)大星(xīng)系团，这(zhè)些星系被引力束缚在一(yī)起。测量(liàng)星系团的质(zhì)量一般会使用到两种方法，当两种方法结(jié)果一致(zhì)，就可以(yǐ)确定其质量(liàng)的(de)范围。

第一种是获得其"光(guāng)度学的(de)质量"，需要的数据(jù)是测量各个(gè)星系(xì)的(de)光度(dù)。

第(dì)二种是(shì)动力学质量的计算，是利用光谱红移(yí)测量星(xīng)系(xì)团(tuán)中的各个星系相(xiāng)对(duì)于星系团的(de)运动速度。当(dāng)测量(liàng)结果出来之后(hòu)，兹威基彻(chè)底懵(měng)了，“动(dòng)力学质量”竟然(rán)是“光度学(xué)质(zhì)量”的400倍。这(zhè)意味着，后(hòu)发座(zuò)星系团有99%的质量消失(shī)了，或者(zhě)说这99%的(de)质量并不以可(kě)见(jiàn)光的形式(shì)所存在，我们无(wú)法看(kàn)到。最诡异的(de)是，在测量(liàng)速度的(de)过程中，兹威基发现星系团中很多(duō)星系的速度比(bǐ)理论上要快得多，按照牛顿的(de)运动学定律(lǜ)，仅靠这些可见星系(xì)的质量所产生的引力是无法将它们束缚在星系团内的，它们早(zǎo)就(jiù)应该(gāi)被抛出星系团之外了，除非有一种神秘(mì)的力量在起作用，这种力量来源于某种隐形的物质。

据此，兹维基提出了(le)这样部分(fēn)不可见的(de)暗质(zhì)，它(tā)不发散(sàn)光、吸光、反(fǎn)射光，但是它(tā)们却占据着(zhe)宇宙中绝(jué)大部分的质量。只(zhǐ)是当时(shí)的人们对这样(yàng)的一种说法不屑一(yī)顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词才再(zài)一(yī)次出现。天文学家维(wéi)拉鲁宾(bīn)和肯特福特在观(guān)测仙女(nǚ)座星(xīng)系中的恒星运动。理(lǐ)论上(shàng)来说，距(jù)离中心越远(yuǎn)的恒(héng)星在(zài)其轨(guǐ)道上的运行速(sù)度就会越慢。但是他们观测的(de)结果却让人感(gǎn)到不可思议。

随着(zhe)与中心(xīn)距离的增加，恒星的旋转(zhuǎn)速度(dù)几乎保持不变。可是根据牛顿的(de)万有引力定律(lǜ)，在星系当中如果没(méi)有足够大的质量来吸(xī)引它们(men)，这些外(wài)围的(de)恒星早就被甩到宇宙当(dāng)中了。基于(yú)这种现象，科学(xué)家们会使用一种相(xiāng)对标准的方法来(lái)解释(shì)暗(àn)物质的存在，这种方法(fǎ)就是测量星系当中气体在X轴上距离星(xīng)系中心的距离，以及(jí)在(zài)Y轴(zhóu)上气体的旋转速(sù)度。如果出现异(yì)常的(de)结果(guǒ)，就认为是由暗(àn)物质的力量进入其中。

于是科学家们通过(guò)射电望远镜测量(liàng)了距离(lí)星系中心(xīn)更(gèng)远距离的氢元素(sù)，发现(xiàn)它们的(de)旋转速度并不符(fú)合牛顿(dùn)的力学定律。我(wǒ)们的太阳系也不例(lì)外(wài)，太阳系位于(yú)银河系的(de)第三悬臂之上，距(jù)离银河系中(zhōng)心2.6万(wàn)光年(nián)，根据万有(yǒu)引力定律(lǜ)进行计算，太阳系的运行速度应该是160千(qiān)米(mǐ)/秒，但实际上，太阳系正(zhèng)在以220千米/秒的速度围绕银(yín)河(hé)系旋转，这个实际速度远远(yuǎn)大于理论速(sù)度，那(nà)么产(chǎn)生以上这种(zhǒng)向心加速(sù)度的原因很可能就是存在着(zhe)一种(zhǒng)我们看(kàn)不到(dào)的物质，是这些暗(àn)物(wù)质的引力效应将星(xīng)系聚集在了一起(qǐ)。

也(yě)是从这时开始，越来越多(duō)的研究人(rén)员开始相信(xìn)暗物质的存在。科(kē)学家根(gēn)据星(xīng)系外恒星轨道的速度，估算(suàn)在星(xīng)系(xì)当中暗物质的质量(liàng)占整个星(xīng)系质量的85%。但是，暗物质并不是唯一(yī)可以(yǐ)解释这(zhè)个现象(xiàng)的原因。在一项(xiàng)新(xīn)的研究当中，科学家(jiā)们发现，几乎没(méi)有(yǒu)引力效应的遥远恒星之(zhī)间(jiān)，也会出现速度上的微小差(chà)异。另(lìng)外，天(tiān)文(wén)学家还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星(xīng)系距(jù)离地球(qiú)大约2.5亿光(guāng)年，大小和(hé)银河系不多，但是(shì)星系(xì)当中存(cún)在的恒(héng)星数量却只有(yǒu)银河系的千分之一。

所以(yǐ)在理论上(shàng)，该星系必须存在暗物质，否(fǒu)则就会分崩离析。但是科(kē)学(xué)家们使用最先进的(de)望(wàng)远镜对其进行了40个小时的详细测量之后，发现星系(xì)中的恒(héng)星运动是可(kě)以用(yòng)正常的物质和(hé)力(lì)学定律来解(jiě)释(shì)的。那(nà)么又有(yǒu)人提出(chū)，也许(xǔ)该(gāi)星(xīng)系的(de)暗(àn)物(wù)质，已(yǐ)经被附(fù)近的另一个大星系剥离了。奇怪(guài)的是，它的(de)附近没(méi)有任何星系(xì)存在。造成(chéng)这些(xiē)现象的除了(le)暗(àn)物质的(de)假说之外，另一种(zhǒng)可能(néng)就(jiù)是人类对(duì)引力的理解还不够全(quán)面(miàn)，引力很(hěn)可能在不同尺度空(kōng)间中(zhōng)的工作(zuò)方式(shì)是不(bù)同的(de)，这意味(wèi)着在行星(xīng)系尺度中的天(tiān)体会(huì)沿着(zhe)它们的轨道(dào)，按照我们所理解的方式运动。但是上升到星系和星团的(de)尺度，引力(lì)之间的相互作(zuò)用则是不同的方式。对于在星系团之间的相互作用，科学(xué)家还引入了(le)外部场效应的概(gài)念，指的是在数百万(wàn)光年的规模上，巨大的质量之间(jiān)会产生对彼此特殊(shū)的效果，这个(gè)理论叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成立，这意味(wèi)着我们需要对(duì)现在(zài)的(de)物理定律进行修正，这些发现也让很多人认为暗物质假(jiǎ)说理论(lùn)就此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还有关于(yú)暗物(wù)质存在的(de)其他(tā)的理论证(zhèng)据，这些理论(lùn)证据是蒙德理论(lùn)所没法解释(shì)的“引力透镜”。

径向距离(lí)为(wèi)37亿光年的子弹星系团(tuán)，由(yóu)两个碰撞(zhuàng)的(de)星(xīng)系团所组成，类似这样的(de)星团，它们大部分的普通质量都在星系的气体当中(zhōng)。当星团以1000万公里/小(xiǎo)时(shí)发生碰撞的时候(hòu)，星际气体的相(xiāng)互作用就(jiù)会(huì)导致温(wēn)度的急剧升高，速(sù)度大幅降低。所以在(zài)理论上，在碰撞之后，子弹星系团大部分的质量将位于所有这些气体所在的(de)中间(jiān)区域。那么我们通过(guò)什么来验证它的质(zhì)量(liàng)区域到(dào)底(dǐ)是不是集中在中(zhōng)间呢？前不久(jiǔ)，詹姆斯(sī)韦伯太(tài)空望远镜传回(huí)了宇宙当中第一(yī)张(zhāng)全彩(cǎi)的高清照片，在照片中我们可以明显地看到(dào)很多(duō)星(xīng)系似乎被拉伸产生(shēng)了巨大的(de)形(xíng)变。其实这些星系本(běn)身(shēn)并不是(shì)真的被扭(niǔ)曲了，也不是(shì)韦伯望远镜(jìng)出了什么(me)问题，而(ér)是(shì)这样极(jí)遥远的天体和我(wǒ)们(men)地球上的观测(cè)者之间(jiān)。被一个质量超级巨(jù)大的天(tiān)体遮挡，这(zhè)个超(chāo)大质量的东西(xī)的引力，会使(shǐ)身后更遥(yáo)远(yuǎn)星系的光都发生了扭曲(qū)。这个现象就是引力透(tòu)镜效应。这(zhè)个(gè)巨大的天体(tǐ)可能是超大质量的黑(hēi)洞或者是暗物质。

所(suǒ)以(yǐ)当人们对子弹星(xīng)系团观(guān)测的时候，发现(xiàn)它的(de)大(dà)质量区(qū)域并不是(shì)在中间，而是在两侧。所以最好的解释方法(fǎ)就是当星团发生全部(bù)的碰撞(zhuàng)时(shí)，可被观(guān)测(cè)到(dào)的质量(liàng)气(qì)体被卡在了(le)中间，暗物质(zhì)则直接通(tōng)过了这个区域，并在两(liǎng)边(biān)形成了引力透(tòu)镜。对子(zi)弹星系团(tuán)的引(yǐn)力透镜研究也被认为是暗(àn)物质存在的(de)迄今为止最好(hǎo)的理(lǐ)论证据。

除此之外，还有(yǒu)来自宇宙当中最古(gǔ)老(lǎo)的光。从宇宙(zhòu)大爆炸开始，38万年之后(hòu)，可见光终于可(kě)以畅(chàng)通无阻地(dì)穿越(yuè)在(zài)宇宙当中了(le)。经(jīng)过了130多亿年(nián)之后，这些光在宇(yǔ)宙空(kōng)间背景(jǐng)上留下(xià)了各相同性的(de)微波辐射。其(qí)中红色的部分(fēn)表示温度较高(gāo)的区域，蓝色则表示(shì)相对(duì)较冷的区域，但实际上它们之间的(de)温(wēn)差只有万(wàn)分之一。

科学(xué)家(jiā)们(men)通过(guò)对前景(jǐng)背(bèi)景分离后的二值图像(xiàng)进行(xíng)连(lián)通域提取(qǔ)和标(biāo)记之后(hòu)发现，如(rú)果宇宙当中(zhōng)没有暗物质(zhì)，图(tú)形(xíng)看起来不应该是这样的，而随着暗物质的(de)增加，一些峰值(zhí)的幅度(dù)会减小，才(cái)变(biàn)得看起来“和谐”。为了匹配宇宙(zhòu)微波背景辐(fú)射的测量值，我们需要的暗物(wù)质(zhì)大约是普通物质的(de)5倍。这个数字(zì)与解释星系(xì)当中恒星(xīng)运动所需要的暗物质比例是(shì)一致(zhì)的。这(zhè)就意(yì)味(wèi)着。

用(yòng)了一个简(jiǎn)单的理(lǐ)论(lùn)框(kuāng)架，就很好地解释(shì)了很(hěn)多(duō)不同的观测结(jié)果。而(ér)暗物质的本质就(jiù)是宇宙(zhòu)当中存(cún)在着某种(zhǒng)类型的(de)粒子，它们不参与任何其他的电(diàn)磁(cí)作用，只通(tōng)过引力来相互(hù)作用(yòng)。所以如果能够找(zhǎo)到这种粒子的存在，就相当于找(zhǎo)到了暗物质存在(zài)的实际证据。这种(zhǒng)粒子到底(dǐ)是(shì)什么？科学家们已(yǐ)经提出了(le)数十种的假想目标，而(ér)要寻找这(zhè)些不同的目标粒(lì)子所需要(yào)的实验方式也(yě)不(bù)相同。在(zài)过(guò)去的几(jǐ)十年当中，人类为(wèi)了寻找(zhǎo)这些看不见、摸不(bù)到，几(jǐ)乎不(bù)会(huì)与(yǔ)常规(guī)物质(zhì)相互(hù)作用的“暗物质(zhì)”，科(kē)学家们已经进行了超过(guò)50次的(de)实验，却没有任何实质(zhì)性的发现，除(chú)了一个地方，意大利(lì)的格兰萨索(suǒ)山，隶属于(yú)阿尔卑斯(sī)山脉。

在山(shān)下1400米处(chù)的地下矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏着地球(qiú)上最(zuì)大的地(dì)学实验室，这个(gè)实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的(de)探测器，一直致力于寻(xún)找(zhǎo)暗物质粒子(zi)的周(zhōu)期性震荡。

自1997年以来(lái)，这(zhè)里的科学家声称(chēng)观测到了某种信号。经(jīng)过(guò)了(le)20多年(nián)的(de)数据收集(jí)，人们发(fā)现了(le)一个有趣的事情。探测(cè)率会在每(měi)年的(de)6月份达到峰值，然(rán)后在11月降到最低，而且(qiě)在20年当(dāng)中(zhōng)每年都(dōu)是一(yī)样。一些(xiē)科学家认为(wèi)这可(kě)能是人类发(fā)现暗物质的第(dì)一个直接证(zhèng)据。

但是为什么暗物质会产生周期性的(de)年度信(xìn)号(hào)呢？刚才我(wǒ)们讲了太阳系正(zhèng)在(zài)以220公里/秒的速(sù)度(dù)围绕(rào)着银河系进行(xíng)移(yí)动，那么如果暗物(wù)质存在宇宙当中，这意味(wèi)着我(wǒ)们也在以这(zhè)样(yàng)的速度在穿越(yuè)着暗物质流(liú)，这个过程中会产生相应的振荡(dàng)，同时地球又以30公里(lǐ)/秒(miǎo)的速度围绕太阳进(jìn)行旋转。所以有半年的时间，地球围绕太阳的(de)方向与太阳环绕银河系的方(fāng)向是(shì)一致(zhì)的，而(ér)另外半年则(zé)与(yǔ)之相反(fǎn)。

而在(zài)6月份的时候，地球与太阳的方向正好达到完全一致，这是理(lǐ)论(lùn)上地(dì)球穿越暗(àn)物(wù)质流最快的时段。而在11月份，又恰好达到了(le)最慢(màn)值。尽管在实际的情况(kuàng)中，太阳系相对银河系的平面(miàn)呈现了(le)60度的倾(qīng)斜，但是这并不影(yǐng)响这(zhè)个理(lǐ)论的有效性。

因(yīn)此科学家认为(wèi)这可以用来解释(shì)，研(yán)究人员们所(suǒ)观测到(dào)的周期性信号。当然也(yě)可能(néng)有其他的情(qíng)况(kuàng)，造成这种(zhǒng)年度周期信号的差异(yì)也可能是(shì)温度、湿(shī)度(dù)、土壤(rǎng)中的水分、高山上的积(jī)雪，甚至连意大利游客的数量(liàng)也(yě)符(fú)合这个周期的(de)规律(lǜ)。

所以(yǐ)，科学(xué)家们(men)又在南(nán)半球(qiú)建立了(le)一(yī)个(gè)几乎相同的(de)实验室，这(zhè)里的季节与之(zhī)前的实(shí)验室(shì)正好相反(fǎn)，而在这里，地(dì)球穿(chuān)过暗物质流的运动特(tè)征和第一(yī)个实验室(shì)是一样的(de)。

因(yīn)此，如(rú)果(guǒ)在这里可(kě)以(yǐ)得到相(xiāng)同(tóng)的信号，就可以成(chéng)为暗物质所存在的非常有力的证据(jù)了。但(dàn)是由于这个实验室(shì)刚刚建成不久，所以(yǐ)截至(zhì)目前(qián)还无法提供相(xiāng)应的(de)数据支(zhī)持。另(lìng)外(wài)，在2025年，NASA将会发射一台(tái)新的望远镜，这(zhè)台太空望远镜(jìng)叫做“南希格雷(léi)斯罗曼”，它的主镜大小跟哈勃望远镜(jìng)相同，但它的宽视场仪器提供的视野(yě)是(shì)哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太空望远镜其(qí)中一个关键的(de)用(yòng)途就是探索暗物质背后(hòu)的奥秘(mì)，对(duì)于探测(cè)的结果，我们只能拭目以待了。费米实验室(shì)粒子天体物理中心的(de)科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯(sī)特(tè)芬研究发现(xiàn)，如(rú)果暗物质(zhì)存(cún)在(zài)，它们极有可能拥有(yǒu)另一(yī)种神秘(mì)的(de)效应，这种暗(àn)物(wù)质效应，会支(zhī)持宇宙当中(zhōng)生命的诞生，或(huò)者说是生命进化的一个(gè)重要因素。

如果这一(yī)理(lǐ)论得到进一步的证实，那么(me)遍布(bù)宇宙当中的暗物(wù)质会不会意味着人类并不孤单呢(ne)？或(huò)许在宇宙当中某个角落的行星上，暗(àn)物质正(zhèng)在通过(guò)这样的效应创(chuàng)造生命。当然(rán)，这些推论的大前提是要先(xiān)找到(dào)暗物(wù)质存在的(de)实际(jì)证据。那么小伙伴(bàn)们，你们觉得暗物(wù)质到(dào)底存不存在呢？喜欢请点赞，你(nǐ)的(de)支持是(shì)我更新(xīn)的(de)动力！

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