宇宙是“人(rén)为(wèi)制造”的？为何会存(cún)在科学无(wú)法(fǎ)解(jiě)释(shì)的(de)“暗物质”？暗物(wù)质又究竟是(shì)什(shén)么？人类为了(le)寻找暗物质存在的证据，科学家(jiā)们在过去的几十年当中(zhōng)进行了超过50次的长期实验，但是却没有发(fā)现(xiàn)任何的有效证据。除了(le)一个(gè)地方，在1687年出版的自然哲学数学原理一书中(zhōng)，埃萨克(kè)牛顿发表了万有(yǒu)引力定律，它揭示了宇宙(zhòu)中(zhōng)天(tiān)体(tǐ)运动的(de)规律(lǜ)。往后(hòu)的几百(bǎi)年来，当天文学(xué)家(jiā)们发现某些天体(tǐ)运行轨道出现异常，不符合万有引力定(dìng)律(lǜ)的时(shí)候，他们(men)就会知道(dào)，周围一定有未(wèi)知的天体通过引力在(zài)摄动(dòng)它(tā)的轨道。比如在(zài)1846年，奥本勒(lēi)维耶就通(tōng)过天王星(xīng)运行轨(guǐ)道的(de)异常，推(tuī)算并且发现了海王星的存在。另外，哈雷彗星、冥王(wáng)星的发现(xiàn)都是应用万有引力定律所取得重大(dà)天文(wén)成就(jiù)的例(lì)子。但是(shì)这些发现都是在恒星系统的(de)尺度当中，可当我们上升到星(xīng)系或者是星(xīng)团(tuán)的尺度，事情就开(kāi)始变(biàn)得诡异了(le)。

1933年(nián)，瑞士的物理学家弗里茨兹威基正在(zài)研究(jiū)和测量后发(fā)星(xīng)系团的质(zhì)量。这是一个由数千个(gè)星(xīng)系所组成的巨大(dà)星系团，这些星系被引力束缚在一(yī)起。测量星系团的质量一般会使(shǐ)用到两种方(fāng)法，当两种(zhǒng)方法结(jié)果一致，就可以确定其质(zhì)量的范围(wéi)。

第(dì)一种(zhǒng)是获得其(qí)"光度学的质量"，需(xū)要(yào)的数据是(shì)测量(liàng)各个星系的光度。

第(dì)二种(zhǒng)是(shì)动(dòng)力学(xué)质量的计(jì)算，是利用(yòng)光谱(pǔ)红(hóng)移测量星系(xì)团中(zhōng)的各个星系相对于星系团的运动速度。当测(cè)量结(jié)果(guǒ)出来之后，兹威基彻底懵(měng)了，“动力学质量”竟然(rán)是“光度(dù)学质量”的400倍。这(zhè)意味(wèi)着，后发(fā)座星系(xì)团有(yǒu)99%的(de)质量(liàng)消失了，或者(zhě)说这99%的质量并不以可见光的(de)形式所存在(zài)，我们无(wú)法看到。最诡异的是，在测(cè)量(liàng)速度(dù)的过程中，兹威基发(fā)现星系(xì)团中很多星系的速度比(bǐ)理(lǐ)论上要快(kuài)得多(duō)，按照牛顿的运动学定(dìng)律，仅(jǐn)靠(kào)这些可见(jiàn)星系(xì)的质量所产生的引力是(shì)无法将它(tā)们束缚(fù)在星系团内的，它(tā)们早就应该(gāi)被抛出(chū)星系(xì)团之外了，除非有一(yī)种神(shén)秘的(de)力量在起作用，这种力量(liàng)来源(yuán)于某种隐形的物质(zhì)。

据此(cǐ)，兹维基(jī)提出了这样(yàng)部分不可见(jiàn)的暗质，它不发散光、吸光、反射光，但是它们却占据(jù)着宇(yǔ)宙中绝大(dà)部分的质量。只是(shì)当(dāng)时的人们对(duì)这样的一种说(shuō)法不屑一(yī)顾。

直到40年之后，“暗(àn)物(wù)质(zhì)”这个词才再一次出现(xiàn)。天文学家维拉鲁宾和肯(kěn)特福特在(zài)观测(cè)仙女(nǚ)座星(xīng)系中的恒星运(yùn)动。理(lǐ)论(lùn)上来说，距离中心越远的(de)恒星在其轨道(dào)上的(de)运行速(sù)度就会越慢。但(dàn)是他们观测的结(jié)果却让人感到不可思议。

随着与(yǔ)中心距离(lí)的增加，恒星的旋转速度几乎保(bǎo)持不变。可(kě)是根据(jù)牛(niú)顿的万有引力定(dìng)律，在星系当中如果(guǒ)没有(yǒu)足(zú)够大(dà)的质量来吸引它们，这(zhè)些外(wài)围的恒星早就被甩到宇宙(zhòu)当中了。基(jī)于(yú)这种现象(xiàng)，科(kē)学家们会(huì)使用一种相对标准的方法来解释暗物质的存在，这种方法就(jiù)是测量星系(xì)当中气体在X轴上距离(lí)星(xīng)系中心(xīn)的距(jù)离，以及(jí)在Y轴上气体的(de)旋转速度。如果出(chū)现(xiàn)异(yì)常的结(jié)果，就认为是由暗物质(zhì)的(de)力量(liàng)进入其中。

于是科学(xué)家们通(tōng)过射电望(wàng)远镜测量了距离星(xīng)系(xì)中心更远距离的氢元素，发现(xiàn)它们的旋转速度并不(bù)符合牛(niú)顿的力学定(dìng)律。我(wǒ)们的(de)太阳(yáng)系也不例(lì)外(wài)，太(tài)阳(yáng)系(xì)位于银河系的第三悬臂之上，距离银(yín)河(hé)系(xì)中心2.6万光年，根据万有引力定律(lǜ)进行(xíng)计算，太阳系的运行速度应该是160千米/秒，但实际(jì)上，太阳系正在以220千米(mǐ)/秒的(de)速度(dù)围绕银河系旋(xuán)转，这个实际速(sù)度(dù)远远(yuǎn)大于理论(lùn)速度，那么产生以上(shàng)这种向心加速度的原(yuán)因很可能(néng)就是存在着(zhe)一种(zhǒng)我们看不到(dào)的(de)物质(zhì)，是(shì)这些暗物质的引力效(xiào)应将星(xīng)系(xì)聚集在了一(yī)起。

也(yě)是从这(zhè)时开始，越来越多的研究人员开始(shǐ)相信暗物质的(de)存(cún)在。科(kē)学家根(gēn)据(jù)星系(xì)外恒星轨(guǐ)道的速度，估算(suàn)在星系当中(zhōng)暗物质的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物质并不是唯一可以解(jiě)释这(zhè)个现象的原因。在一项(xiàng)新的研究当中，科学家(jiā)们发现，几乎没有引力效应(yīng)的遥远恒星(xīng)之间，也会出现速度上的微(wēi)小差异(yì)。另外(wài)，天文学(xué)家还发现了一(yī)个反常的(de)星系(xì)，叫做Agc114905。这个星系距离地球大约2.5亿光(guāng)年，大小和银河系不多，但是星系当(dāng)中(zhōng)存在(zài)的恒星(xīng)数量却只有银河系(xì)的千分之一。

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所以(yǐ)在理(lǐ)论上，该(gāi)星系必须存在暗物质，否则就会(huì)分崩离析(xī)。但是科学(xué)家(jiā)们使用最先进的(de)望远镜(jìng)对其进(jìn)行了40个小时(shí)的详细测量(liàng)之后(hòu)，发(fā)现星系中的恒星运动是可以用正常的物(wù)质(zhì)和力学定(dìng)律来解释的。那么又有人提(tí)出(chū)，也许该星系的(de)暗物质，已(yǐ)经被附(fù)近(jìn)的另一(yī)个大(dà)星系剥离了。奇怪的是，它(tā)的(de)附近没(méi)有(yǒu)任何星系存在。造(zào)成这些现象的除(chú)了暗(àn)物(wù)质(zhì)的假说之外，另一(yī)种可能(néng)就(jiù)是(shì)人类对引力的理解还不够全面，引力很(hěn)可能(néng)在不同(tóng)尺度(dù)空间中(zhōng)的工作方(fāng)式是(shì)不同的，这(zhè)意味着在行星系尺度(dù)中的天体会(huì)沿着(zhe)它们(men)的轨道，按照(zhào)我们所理解的方(fāng)式运(yùn)动。但是(shì)上(shàng)升到星系(xì)和星团的尺度(dù)，引力之间的相互作用则是不同的(de)方式。对于在星系团之间的相互作用，科学家(jiā)还引入(rù)了(le)外部场(chǎng)效应的(de)概念，指的是在数百(bǎi)万光年的规模上，巨大的质(zhì)量之间会产(chǎn)生对彼此特(tè)殊的效果，这个理论叫(jiào)做(zuò)MOND蒙(méng)德理论(lùn)。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意味着(zhe)我们需要(yào)对现在的物(wù)理定律进行修正，这些发(fā)现也(yě)让很多人认为暗物质假说理论就此终结(jié)。但是在宇宙当中还有(yǒu)关于暗(àn)物质存在的其他的理论(lùn)证据(jù)，这些理论证据是蒙德理论所没法解释的(de)“引(yǐn)力透镜”。

径向距离(lí)为(wèi)37亿光年的子弹星系(xì)团，由两个碰撞的星(xīng)系团所组成，类似这样的星(xīng)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(yǐ)1000万公里(lǐ)/小时发生(shēng)碰撞的时候，星际(jì)气体的相互(hù)作(zuò)用就(jiù)会导(dǎo)致温度的急剧升高，速度大幅降低。所以在理(lǐ)论上(shàng)，在碰撞之后，子弹星系团大部分的(de)质量将位于所有这些气体所在的中间区域。那么(me)我(wǒ)们(men)通(tōng)过什么来验证它的(de)质量区域到底是不是集中在中间呢？前不久，詹姆斯(sī)韦伯太空望远(yuǎn)镜传回了(le)宇宙当(dāng)中第一张全彩的高清照片，在照片中我们可以明显地看到很(hěn)多(duō)星系似乎被(bèi)拉伸产生了(le)巨大的(de)形变。其(qí)实(shí)这(zhè)些星系(xì)本(běn)身并不(bù)是(shì)真的被扭曲了，也(yě)不是韦伯望(wàng)远镜(jìng)出了什么问题，而是这样(yàng)极遥(yáo)远(yuǎn)的天体和我们地球上的观(guān)测者之间(jiān)。被一个质(zhì)量超级巨大的(de)天体遮挡，这个(gè)超大质量的东西(xī)的引(yǐn)力，会使身后(hòu)更遥远星系的(de)光都发生了(le)扭曲(qū)。这(zhè)个现象就是引力(lì)透镜效应。这(zhè)个巨(jù)大的(de)天体可能是超大质量的黑(hēi)洞或者是暗物质(zhì)。

所以当人(rén)们(men)对子弹星系(xì)团观测的时候，发现它的(de)大(dà)质量(liàng)区域并不是(shì)在中间，而是在两侧。所以最好的解释方(fāng)法就(jiù)是当星(xīng)团(tuán)发生全部的碰撞时，可被观(guān)测到的质(zhì)量气体(tǐ)被卡(kǎ)在了(le)中间，暗物质则(zé)直接通过了这个区域，并在(zài)两(liǎng)边形成了(le)引力透镜。对子弹星系团的引力透镜研究也被认为是暗物质(zhì)存在(zài)的(de)迄今为(wèi)止最好的理论(lùn)证据(jù)。

除此(cǐ)之外，还有来自宇宙当中最古老的光。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光(guāng)终于可以畅通无阻地(dì)穿越在(zài)宇宙当中了(le)。经过了(le)130多亿年之后(hòu)，这些光在(zài)宇(yǔ)宙空间背景上留下了各相同性(xìng)的微波(bō)辐(fú)射。其中红色的(de)部分(fēn)表示温度较高(gāo)的区域(yù)，蓝色则表示相(xiāng)对较冷(lěng)的区(qū)域，但实际上它们(men)之间的温(wēn)差只(zhǐ)有万分(fēn)之一。

科(kē)学家们(men)通过对前景背景(jǐng)分(fēn)离后的二(èr)值图(tú)像(xiàng)进行(xíng)连通域提取(qǔ)和标记之后(hòu)发现，如果(guǒ)宇(yǔ)宙当(dāng)中没有暗物质，图(tú)形(xíng)看起来不应(yīng)该是这样的，而随着暗物质的增加，一(yī)些(xiē)峰值(zhí)的幅度(dù)会减(jiǎn)小，才变得(dé)看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景辐射(shè)的测量值，我们需要的暗物(wù)质大约是(shì)普通物质的5倍。这个数字与(yǔ)解释星系(xì)当中恒(héng)星运动所需要的暗(àn)物质(zhì)比(bǐ)例是一致的。这就意味着。

用了一个简(jiǎn)单的(de)理论(lùn)框架，就很好地解释了很多不同的(de)观测(cè)结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在着某种(zhǒng)类(lèi)型的(de)粒子，它(tā)们(men)不参与任(rèn)何其他的电磁作用，只通(tōng)过引(yǐn)力来相互作(zuò)用。所以(yǐ)如果能够找(zhǎo)到这种(zhǒng)粒子(zi)的存在，就相当于找到了暗物质存在的实际证据。这种(zhǒng)粒(lì)子到底是什么？科学家们已经提出了数(shù)十种的(de)假(jiǎ)想(xiǎng)目标(biāo)，而要(yào)寻找这些不同(tóng)的目(mù)标(biāo)粒(lì)子(zi)所需要的实(shí)验方式也(yě)不相同。在过去的几十年当中，人类(lèi)为了寻找这些看不见、摸不到(dào)，几(jǐ)乎不会与常规物质相互作(zuò)用的“暗物质”，科学家们(men)已经进行了超过50次的实验，却(què)没(méi)有任何实质(zhì)性的发(fā)现，除了一个地方，意大利的(de)格(gé)兰萨索山，隶属于阿尔(ěr)卑(bēi)斯山脉。

在山下1400米处的地(dì)下矿井(jǐng)当中(zhōng)，藏着地球上最大(dà)的地学实验室，这个实验(yàn)室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层(céng)楼高的探测(cè)器(qì)，一直致(zhì)力于寻找暗物质粒(lì)子(zi)的周期性震荡。

自1997年以来，这(zhè)里的科学家声称观(guān)测到了某(mǒu)种信号。经过了20多年的数据(jù)收集，人(rén)们发(fā)现了一个有趣的事情。探(tàn)测率会在每年(nián)的(de)6月份达(dá)到峰值，然后在11月(yuè)降到最低，而(ér)且在20年当中每年(nián)都是一(yī)样。一些科学家认为这(zhè)可能是人类(lèi)发现暗物(wù)质的第一个(gè)直(zhí)接证据。

但是为什么暗物质会产生周期性的年(nián)度信(xìn)号(hào)呢？刚才我们讲了太(tài)阳系正在(zài)以220公(gōng)里/秒(miǎo)的速度围绕(rào)着(zhe)银河系进行移(yí)动，那么如果暗物质存在宇宙当中(zhōng)，这(zhè)意味着我们也在以这样(yàng)的(de)速度在穿越着暗物质流，这(zhè)个(gè)过(guò)程中会(huì)产生相(xiāng)应的振荡，同时地球又以30公里(lǐ)/秒(miǎo)的速(sù)度(dù)围绕(rào)太阳进行旋转。所以有半年(nián)的时间(jiān)，地球围绕太(tài)阳(yáng)的方向与太阳环(huán)绕银河系的方向是一(yī)致的，而另外半年则与之相反。

而在6月份的时候，地球(qiú)与太阳(yáng)的方向正好达到完全一致(zhì)，这是理论上地球穿越暗物质(zhì)流最快的时(shí)段(duàn)。而在(zài)11月(yuè)份，又恰好达到了(le)最慢值(zhí)。尽管在实际(jì)的情况中(zhōng)，太(tài)阳系相对银河(hé)系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这并(bìng)不影响这个理论的有效性。

因此科(kē)学家认为这可以用来解释，研究人员们所观测到的周期性(xìng)信号。当然也可能有其他的情况，造成这(zhè)种年度周期信号的差异也(yě)可能是温度、湿(shī)度、土壤中的水分、高山上的积(jī)雪，甚(shèn)至连意(yì)大(dà)利(lì)游客(kè)的数量也符合这(zhè)个周期的规律。

所以(yǐ)，科学家们又(yòu)在(zài)南半(bàn)球(qiú)建立了一(yī)个几(jǐ)乎相(xiāng)同的(de)实验(yàn)室，这里的季节与之(zhī)前的实(shí)验室正(zhèng)好相反，而在这(zhè)里，地球穿过(guò)暗物质(zhì)流的运动特征和第一个(gè)实验室是一样的。

因(yīn)此，如(rú)果在这里可以得到相同(tóng)的信号，就可以成为暗物质(zhì)所存(cún)在的非(fēi)常有力(lì)的证据了。但是由于(yú)这个(gè)实(shí)验室刚(gāng)刚(gāng)建成不久(jiǔ)，所以截至目前还(hái)无(wú)法提供相(xiāng)应的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发射(shè)一台新的望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫做“南希(xī)格雷(léi)斯(sī)罗曼”，它(tā)的主镜大小跟哈勃望远(yuǎn)镜相同，但(dàn)它的宽视场仪器提(tí)供的视野是哈勃(bó)红外仪器的100倍。南(nán)希格雷斯罗(luó)曼太空望远(yuǎn)镜(jìng)其中(zhōng)一个(gè)关键的用途就是探索暗物(wù)质背后的奥秘，对于(yú)探测的(de)结(jié)果，我(wǒ)们(men)只(zhǐ)能拭目以待了(le)。费米(mǐ)实验(yàn)室粒子天体物理中心的科学家丹琥珀和贾森(sēn)斯(sī)特芬研(yán)究发(fā)现，如果(guǒ)暗物质(zhì)存在，它们极(jí)有(yǒu)可能拥有另一种(zhǒng)神秘的(de)效(xiào)应，这种暗物质效应(yīng)，会支持宇宙(zhòu)当中(zhōng)生(shēng)命的诞(dàn)生，或者说是生命(mìng)进化(huà)的(de)一个重要因素(sù)。

如果这一理论得到(dào)进一(yī)步的(de)证(zhèng)实，那么(me)遍布宇宙(zhòu)当中的暗物质会不会意味着人类并不(bù)孤单呢？或许(xǔ)在宇(yǔ)宙当中某个角落的行星上，暗物质正在(zài)通过这样的效应创造生命。当然，这些推论的大(dà)前提是要先找到暗物质存在的(de)实(shí)际证据。那(nà)么小伙伴们(men)，你们觉得暗物(wù)质到(dào)底存不存在呢？喜欢请点赞，你的支持是(shì)我更(gèng)新的(de)动力！

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