宇(yǔ)宙(zhòu)是“人为制造(zào)”的？为何(hé)会存(cún)在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又究竟是什么？人类为了寻找(zhǎo)暗(àn)物质存在的(de)证据，科学家(jiā)们在(zài)过去的几十年当中进(jìn)行(xíng)了(le)超过50次的长(zhǎng)期实验，但是却没有发现任何的(de)有(yǒu)效证据。除了一个地方(fāng)，在1687年出(chū)版的自然(rán)哲(zhé)学数(shù)学原理一(yī)书中，埃萨(sà)克牛(niú)顿发表了万有引力定(dìng)律，它揭示了宇(yǔ)宙中天体运动(dòng)的规律。往后的几百年来，当天文学家们(men)发现某些天(tiān)体运行轨道出现异常，不符(fú)合万有引力(lì)定律的(de)时(shí)候，他们就会知(zhī)道，周围一定有未知(zhī)的(de)天(tiān)体通过引力在摄动它(tā)的轨道。比如在1846年(nián)，奥本(běn)勒(lēi)维(wéi)耶就通过天王星运行轨道的异(yì)常，推算并且发(fā)现了(le)海王星(xīng)的存在。另外，哈雷彗星(xīng)、冥王星的发现都是应用万有引力定律所(suǒ)取得(dé)重大天文(wén)成就的例子。但是这些发现都是(shì)在恒星系(xì)统(tǒng)的尺(chǐ)度当中，可当我们上升到星系或者是星团的尺度，事情(qíng)就(jiù)开始变(biàn)得诡(guǐ)异了(le)。

1933年，瑞士的物理(lǐ)学家弗里茨兹(zī)威基(jī)正在研究(jiū)和测量后发星系团(tuán)的(de)质(zhì)量。这是一(yī)个(gè)由数(shù)千(qiān)个星系(xì)所组成(chéng)的巨大星系(xì)团，这些星(xīng)系(xì)被引力(lì)束缚在一起。测量星系团(tuán)的质量一般会使(shǐ)用到(dào)两种方法，当(dāng)两(liǎng)种(zhǒng)方法(fǎ)结果(guǒ)一致，就可(kě)以确定其质量的(de)范围。

第一种(zhǒng)是获(huò)得其"光度(dù)学的(de)质量"，需要(yào)的数据是(shì)测量各个星系的(de)光度。

第二种(zhǒng)是动力学质(zhì)量的计算，是利用光谱(pǔ)红(hóng)移测量星(xīng)系团(tuán)中的各个(gè)星系相(xiāng)对于(yú)星系团的(de)运动速(sù)度(dù)。当测(cè)量结果出来之后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然(rán)是“光度学质(zhì)量(liàng)”的400倍。这意味着，后发座星系团(tuán)有(yǒu)99%的质量消失了(le)，或者(zhě)说这99%的质量并不以可见(jiàn)光的(de)形式所存(cún)在，我们(men)无(wú)法看到。最诡异的(de)是，在测量(liàng)速(sù)度的(de)过程中(zhōng)，兹威(wēi)基发现星(xīng)系(xì)团中很多星系的速度比(bǐ)理论上要快得多，按照牛顿(dùn)的运(yùn)动学定律(lǜ)，仅靠这些可见星系的质量(liàng)所产生的(de)引力是无法将它(tā)们束(shù)缚在星系团内的，它们早就应该被抛出星系(xì)团之(zhī)外(wài)了，除非有(yǒu)一(yī)种(zhǒng)神秘(mì)的力量(liàng)在起(qǐ)作用，这种力量来源于某种隐形的(de)物质。

据此，兹(zī)维基提出了这(zhè)样部(bù)分不可见的暗(àn)质，它不发散光、吸光(guāng)、反射光，但是它们却(què)占据着宇宙中绝(jué)大部分的(de)质量。只是当时的人们对这(zhè)样的一种说法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质”这个词(cí)才(cái)再(zài)一次出现(xiàn)。天文学家维拉鲁宾和肯(kěn)特福特(tè)在观测(cè)仙女(nǚ)座(zuò)星系中的恒星运动(dòng)。理论上来说(shuō)，距离中心越远的恒星在其轨道上(shàng)的运行速度就(jiù)会(huì)越慢。但是他们观测(cè)的结(jié)果却让人感到不可(kě)思议。

随(suí)着与中(zhōng)心距(jù)离的增加，恒(héng)星的旋(xuán)转速度几乎保持不变。可是(shì)根据牛顿的(de)万有引(yǐn)力定律，在(zài)星系当中如果没有(yǒu)足够大(dà)的质(zhì)量来吸引它们，这些(xiē)外围的恒星(xīng)早(zǎo)就(jiù)被甩到宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)了(le)。基于这种现(xiàn)象，科学家们会使用一种相对标(biāo)准的方法来解(jiě)释暗(àn)物(wù)质的存在(zài)，这种(zhǒng)方法就是测量星系(xì)当中气体在X轴上(shàng)距离星系中心的距(jù)离，以及在Y轴上(shàng)气体(tǐ)的(de)旋转速度。如果出(chū)现异常(cháng)的结果，就认为是由暗物质的(de)力量进入(rù)其中。

于是(shì)科学家们通(tōng)过射电(diàn)望远镜(jìng)测量(liàng)了(le)距离星系中心(xīn)更远距离的氢元素，发现它们的旋转速度并不符(fú)合牛顿的(de)力学定律。我们的太阳(yáng)系也(yě)不(bù)例外(wài)，太阳系位于银河系的第三悬臂之上，距离(lí)银河系中心2.6万光年，根(gēn)据万(wàn)有引力定律进(jìn)行(xíng)计算(suàn)，太阳系的运行速度应(yīng)该是(shì)160千米/秒，但(dàn)实际上，太阳系(xì)正在(zài)以220千米/秒的速度围绕银(yín)河系旋转，这(zhè)个实际速度远远(yuǎn)大于理论速度，那么产生(shēng)以上(shàng)这种向心加速度的(de)原因(yīn)很(hěn)可能就(jiù)是存在(zài)着(zhe)一(yī)种我们看不到的物质，是这些暗物质的引力效(xiào)应将星系聚(jù)集在(zài)了一起。

也是从这时开(kāi)始，越(yuè)来越(yuè)多的研究人员开始(shǐ)相(xiāng)信(xìn)暗物质(zhì)的存在(zài)。科学家(jiā)根据星系外恒(héng)星轨(guǐ)道(dào)的(de)速度，估(gū)算在星(xīng)系当中暗物质的质(zhì)量占整个星系质量的85%。但是，暗(àn)物质并不是唯一(yī)可以解释这(zhè)个现(xiàn)象的原因(yīn)。在一项新的研究当中，科(kē)学(xué)家们发现，几乎没有引力效应(yīng)的遥(yáo)远(yuǎn)恒星之间，也(yě)会(huì)出现速度上的微小差(chà)异。另外，天文(wén)学家还发现(xiàn)了一个反常(cháng)的星系，叫(jiào)做Agc114905。这(zhè)个(gè)星系距离地球大(dà)约2.5亿光年(nián)，大小和银(yín)河系不(bù)多(duō)，但(dàn)是(shì)星系当中存在的恒星数(shù)量却只有银河系(xì)的千分(fēn)之一(yī)。

所以(yǐ)在理论上，该星系必须存在暗物质，否则就(jiù)会(huì)分崩离析(xī)。但是科学家们使用最先进的望远镜对其进行(xíng)了40个小(xiǎo)时的详细测量之后，发现星系中的恒(héng)星运动(dòng)是(shì)可(kě)以用正常的物质和力学(xué)定(dìng)律来解释的(de)。那么又有人(rén)提出(chū)，也(yě)许该星系(xì)的暗(àn)物质(zhì)，已经被附近(jìn)的另(lìng)一个大星系剥离了。奇怪的是，它的(de)附近没有任(rèn)何星系(xì)存在。造成这(zhè)些现(xiàn)象的(de)除了暗物质的假说之外(wài)，另(lìng)一种(zhǒng)可能就是人类对引力的理解还不够全(quán)面(miàn)，引力很可能在不同尺度空间中的工作方式是(shì)不同的，这意味着在(zài)行星系尺度(dù)中(zhōng)的天体会(huì)沿着它们(men)的轨道(dào)，按照我们所理解的方式运动。但(dàn)是上升到星系和(hé)星团(tuán)的尺度，引力之间的相互作用则是不同的方式。对于(yú)在星系(xì)团之间的相互作用(yòng)，科学家还(hái)引入了外部场效(xiào)应(yīng)的概(gài)念，指的(de)是(shì)在数百万光年的规(guī)模上，巨大的(d美人刑是什么，古代刑法美人计是什么意思e)质量之间会产生对(duì)彼(bǐ)此特殊的效果，这个理论(lùn)叫做(zuò)MOND蒙德理论。如果(guǒ)MOND蒙德理论(lùn)成立，这意味着我们需要对现(xiàn)在(zài)的物(wù)理定律(lǜ)进行修正(zhèng)，这(zhè)些发现也让很多人认为暗物质假说理(lǐ)论就此终结。但是在宇宙当中还(hái)有关(guān)于暗物质存在(zài)的其他的(de)理论证据，这些理论(lùn)证(zhèng)据是蒙(méng)德理论所没法(fǎ)解释(shì)的“引力透镜”。

径向距离为37亿光年(nián)的(de)子弹星系团，由两个碰撞的星系(xì)团所组成，类似这样的星(xīng)团，它们大部(bù)分的(de)普通质(zhì)量都在星系的气体当中。当星团以1000万(wàn)公里/小时发生碰撞的(de)时候，星(xīng)际气体的相互作用就会导致温度的急(jí)剧升高(gāo)，速度大(dà)幅降低。所以在理论上(shàng)，在碰(pèng)撞之后(hòu)，子弹星系(xì)团大部分(fēn)的(de)质量(liàng)将位于所有这些气(qì)体(tǐ)所在(zài)的中间(jiān)区域。那么我们通过什(shén)么来验证它的质量区域到(dào)底是(shì)不是集中在(zài)中间呢(ne)？前不(bù)久，詹姆(mǔ)斯韦伯太空望远(yuǎn)镜传回了宇宙当中第一张全彩的高清照(zhào)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(jù)大的形变。其实这些(xiē)星系本身(shēn)并不是真的被扭曲了，也不(bù)是韦(wéi)伯望远镜出了什(shén)么问题(tí)，而是这样极遥远(yuǎn)的天体和(hé)我们地球上的观测者之(zhī)间。被(bèi)一个质量(liàng)超级巨大的天体(tǐ)遮挡，这个超大质量的东西的引力，会使(shǐ)身后更(gèng)遥(yáo)远(yuǎn)星系(xì)的光都发(fā)生了扭曲(qū)。这个现象(xiàng)就是引力(lì)透镜(jìng)效应(yīng)。这(zhè)个巨(jù)大(dà)的天(tiān)体可能是超大质量的(de)黑洞(dòng)或者是暗物(wù)质。

所以(yǐ)当人们对子弹星系团观测的时(shí)候，发(fā)现(xiàn)它(tā)的大质(zhì)量区(qū)域并不是(shì)在中(zhōng)间，而是(shì)在两侧。所以最好(hǎo)的(de)解释方法就是当(dāng)星团发生全部的碰撞时(shí)，可(kě)被(bèi)观测到(dào)的质量(liàng)气(qì)体被卡(kǎ)在了中间(jiān)，暗物质(zhì)则直接通过了这个区(qū)域，并(bìng)在两边形成了引(yǐn)力透镜。对子弹星系(xì)团的引力透镜研究也被认为是暗(àn)物质存在(zài)的迄今为(wèi)止最好的(de)理论证据。

除此之外(wài)，还有来自宇宙(zhòu)当中最古老的光。从(cóng)宇宙大爆炸开(kāi)始(shǐ)，38万年之后，可见光终于可以畅通无阻地穿越(yuè)在宇宙(zhòu)当中了(le)。经过了130多亿年之后，这些光在宇(yǔ)宙(zhòu)空间(jiān)背景上留(liú)下了各(gè)相(xiāng)同性(xìng)的(de)微波辐射。其(qí)中红色(sè)的部分表示温度较高的区(qū)域，蓝色则表示相对较冷(lěng)的(de)区(qū)域，但实际上它们之间的温(wēn)差只有万分之一。

科(kē)学家们通过对(duì)前(qián)景背景分离后的二值图像进行连通域(yù)提(tí)取和标记(jì)之(zhī)后发现(xiàn)，如果宇(yǔ)宙(zhòu)当(dāng)中没有(yǒu)暗物(wù)质，图形看起来不应(yīng)该是(shì)这样的，而随(suí)着暗物(wù)质的增加，一(yī)些峰值的幅度会减(jiǎn)小，才变得看(kàn)起(qǐ)来“和(hé)谐”。为(wèi)了匹(pǐ)配宇(yǔ)宙微波背景(jǐng)辐(fú)射的测(cè)量值，我们需要的(de)暗物(wù)质大约是普通物质(zhì)的5倍。这个数字(zì)与解释(shì)星系当(dāng)中(zhōng)恒星运动所(suǒ)需(xū)要的暗物质比(bǐ)例(lì)是一(yī)致的。这就意(yì)味(wèi)着。

用了(le)一个(gè)简单的理论框架，就很好地解(jiě)释(shì)了很(hěn)多不(bù)同的观(guān)测结果。而暗物质的本(běn)质就(jiù)是宇宙当中存(cún)在着某(mǒu)种类型的粒子，它们不参与任何其他的(de)电磁作用，只通(tōng)过引(yǐn)力(lì)来相互作用。所以如果能(néng)够找到这(zhè)种粒(lì)子的存在，就相当于(yú)找到了暗(àn)物质存(cún)在的(de)实际证据。这种粒子到底是什么？科学(xué)家们已经提出(chū)了数十(shí)种(zhǒng)的(de)假想目标，而要(yào)寻找这些不同的目标粒子所需要(yào)的(de)实验方(fāng)式(shì)也不(bù)相同(tóng)。在过去的几十年当中(zhōng)，人类为了寻找这些看(kàn)不见、摸不到(dào)，几乎不会与常规(guī)物(wù)质(zhì)相互作用的“暗物质(zhì)”，科学家们已经进行了超过50次(cì)的实(shí)验，却没有任何实质性的(de)发现，除(chú)了一个地方，意大利的格兰(lán)萨索山，隶(lì)属(shǔ)于阿尔卑斯(sī)山(shān)脉。

在山(shān)下(xià)1400米处(chù)的地下矿(kuàng)井当中，藏着地球(qiú)上最(zuì)大的地学实验室(shì)，这个实验室(shì)叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三层楼(lóu)高(gāo)的探测器，一直致力于寻(xún)找暗物质粒子的周期性震荡(dàng)。

自1997年以来，这里的科学家声称观测到了(le)某种信号。经过了(le)20多年的数据收集，人们发(fā)现了一个有趣的事情(qíng)。探测率(lǜ)会(huì)在(zài)每年的6月份(fèn)达(dá)到峰值，然后在11月降(jiàng)到最低(dī)，而且(qiě)在20年当中每(měi)年都是一样。一(yī)些科学家认为(wèi)这(zhè)可(kě)能是人类(lèi)发现暗物质的第一个直接证据。

但是为什么暗物质会产生(shēng)周期性的年度信号呢(ne)？刚才我们(men)讲了(le)太(tài)阳系正在以220公里/秒的(de)速度围绕着银(yín)河系进行移动，那么如果暗(àn)物质(zhì)存在宇宙(zhòu)当中，这意味(wèi)着我们也在(zài)以这样的速(sù)度在(zài)穿越(yuè)着暗(àn)物质流，这个过程中会产(chǎn)生相应的(de)振荡，同时地球又(yòu)以30公里/秒的速度围绕太阳进行旋转(zhuǎn)。所(suǒ)以有半年(nián)的时间，地球围绕太阳(yáng)的方向与(yǔ)太阳环(huán)绕银河系的方(fāng)向是一致(zhì)的，而另外半年则与之相反。