宇(yǔ)宙是“人(rén)为制造(zào)”的？为何会存在科学无法解释的“暗物质”？暗(àn)物(wù)质又究竟(jìng)是什么(me)？人(rén)类为了寻找暗(àn)物(wù)质存在的证据(jù)，科学家(jiā)们在过去的(de)几十年当(dāng)中进行(xíng)了超(chāo)过50次(cì)的长期实验，但(dàn)是却(què)没有(yǒu)发现(xiàn)任何的有效证据。除了一个地方，在1687年出版的自(zì)然哲学数学原理一书(shū)中，埃萨克牛顿发表了(le)万有引力(lì)定律(lǜ)，它揭示(shì)了宇(yǔ)宙中天体运动的规(guī)律。往后(hòu)的几百(bǎi)年来，当天(tiān)文学家们发现某些(xiē)天(tiān)体(tǐ)运(yùn)行轨道出现异常，不符合万有引力(lì)定律(lǜ)的时(shí)候，他们就会知道，周围一定有未知(zhī)的天体(tǐ)通过引力在摄动它(tā)的轨道。比如在1846年，奥本勒维(wéi)耶(yé)就通过天王星运行轨道的异常，推算(suàn)并且发现了海王星的存在。另(lìng)外，哈雷彗星、冥王星(xīng)的发现都(dōu)是(shì)应用万有引力定律所取(qǔ)得重大天(tiān)文成就的例(lì)子(zi)。但是这(zhè)些发现(xiàn)都是(shì)在恒星(xīng)系统的尺度当中(zhōng)，可当我们上升到星系或者是星(xīng)团的(de)尺度，事情就开(kāi)始变得(dé)诡(guǐ)异了。

1933年，瑞士的物理学(xué)家(jiā)弗(fú)里茨兹威基正在(zài)研究和测(cè)量后(hòu)发星(xīng)系团的质量。这(zhè)是一个(gè)由数千个星系所组成的巨大星(xīng)系团，这些(xiē)星系被引(yǐn)力束缚在一起。测量星(xīng)系团的质(zhì)量一般(bān)会使(shǐ)用(yòng)到两种方(fāng)法，当两(liǎng)种方法结果一致，就可以确定(dìng)其质(zhì)量的范围(wéi)。

第一种是获得其"光(guāng)度(dù)学的质量(liàng)"，需要(yào)的数据是测(cè)量各个星系的光度。

第二种(zhǒng)是动力学质量的计算(suàn)，是利(lì)用光谱(pǔ)红移测量星(xīng)系团(tuán)中的(de)各个星系相(xiāng)对于星系团(tuán)的(de)运动速度。当测(cè)量结果出来之后，兹威基(jī)彻(chè)底懵了，“动力学质量”竟然是“光(guāng)度学质量”的400倍(bèi)。这意(yì)味(wèi)着，后发座(zuò)星系团有99%的(de)质量消失了，或者说这99%的质量并不以可见光的形式所存在，我们(men)无法看到。最诡异(yì)的是，在测(cè)量速度的(de)过(guò)程中，兹威(wēi)基发现(xiàn)星系团中很(hěn)多星(xīng)系(xì)的速度比理(lǐ)论上要快得多，按(àn)照牛顿的(de)运动学(xué)定律，仅靠这些可见(jiàn)星系的质量所产(chǎn)生的引力(lì)是(shì)无法将它(tā)们束缚在星(xīng)系(xì)团(tuán)内(nèi)的，它们早就应该被抛(pāo)出星系团之外了，除非有一(yī)种神秘(mì)的(de)力(lì)量在起作用，这(zhè)种(zhǒng)力(lì)量来源于某(mǒu)种隐形(xíng)的物质。

据此(cǐ)，兹维基提出(chū)了(le)这样部分不(bù)可见的暗(àn)质，它不发散光、吸光、反射光，但是它们(men)却占据着(zhe)宇宙中绝大部分的质量。只(zhǐ)是当时的人(rén)们(men)对这(zhè)样的(de)一种说(shuō)法不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质(zhì)”这(zhè)个(gè)词才再一次出现。天(tiān)文学家(jiā)维拉鲁(lǔ)宾和肯(kěn)特福(fú)特(tè)在(zài)观测仙女(nǚ)座星系中的恒星(xīng)运动。理论上来(lái)说，距离(lí)中心越远的恒星在其轨道上的运行速度就会越慢(màn)。但是他们观(guān)测的结(jié)果却让人(rén)感到不(bù)可思(sī)议(yì)。

随着(zhe)与中(zhōng)心(xīn)距离的增加，恒星(xīng)的旋转速度几乎保(bǎo)持不变。可是根据牛顿的万有引力定律(lǜ)，在星系当(dāng)中如果(guǒ)没有足够大的质(zhì)量来吸引它们，这些外围的恒星(xīng)早(zǎo)就被(bèi)甩到宇宙当中了。基于这种现象，科学家(jiā)们会使用一种相对标准的方(fāng)法来解释暗物质的(de)存在，这种方法就是测量星系当中气体(tǐ)在X轴上距(jù)离(lí)星系中心的(de)距离(lí)，以及在Y轴上气体的旋转(zhuǎn)速(sù)度。如(rú)果出现(xiàn)异(yì)常的结果，就认为是由(yóu)暗物质的力(lì)量进入(rù)其中。

于是科学家们通过射电(diàn)望远(yuǎn)镜测量了距离星(xīng)系中心更远(yuǎn)距离(lí)的氢元素(sù)，发现它们的旋转速(sù)度并不符合牛(niú)顿的力学定律。我们的太阳系也(yě)不(bù)例(lì)外，太阳系(xì)位于银河系的第三悬臂之上，距(jù)离银(yín)河系中心2.6万光年，根据(jù)万有引力(lì)定律(lǜ)进(jìn)行计算(suàn)，太阳系(xì)的运行速度应该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但(dàn)实际上，太阳系正在以220千米/秒的速度围绕银(yín)河系旋转(zhuǎn)，这个实际速度远远大(dà)于理论速度，那么产(chǎn)生(shēng)以(yǐ)上这种向(xiàng)心加速度的(de)原因很(hěn)可(kě)能(néng)就是存(cún)在着一种我们看(kàn)不到的(de)物质，是(shì)这些暗物质的(de)引力(lì)效应(yīng)将星系聚集在(zài)了一(yī)起。

也是从这(zhè)时开始，越来越多的研究人员开始(shǐ)相信暗物质的(de)存在。科学家根据星系外恒星轨(guǐ)道的速度，估算在星系当(dāng)中暗物质的质量占整(zhěng)个星系质量的85%。但是，暗(àn)物质并不是唯一可以解释(shì)这个现象的原因。在一项新的研(yán)究当中，科(kē)学家们发现，几乎没有(yǒu)引(yǐn)力(lì)效应的(de)遥远恒星之间，也(yě)会出现速(sù)度上的(de)微(wēi)小差(chà)异。另外，天文学家还发现(xiàn)了(le)一个反常的星系(xì)，叫做Agc114905。这个星系距离地球大约(yuē)2.5亿光年(nián)，大小和银河系不多，但(dàn)是星系当中(zhōng)存(cún)在的(de)恒(héng)星数量却只有(yǒu)银河系(xì)的(de)千分之一(yī)。

所以在(zài)理论上，该星系必须存在暗物(wù)质，否(fǒu)则就会(huì)分崩离析(xī)。但是(shì)科(kē)学(xué)家们使用最先进的望远镜对其进行了40个小时的详细测量(liàng)之后，发现(xiàn)星系(xì)中的恒星(xīng)运动是可以(yǐ)用正常的(de)物质和力学定律来解(jiě)释的(de)。那么又有人(rén)提(tí)出，也许该星系的暗物质，已经被(bèi)附(fù)近的另一个大星系(xì)剥离了。奇怪的是，它的附近没(méi)有任何星系存(cún)在。造成这些(xiē)现(xiàn)象的除了暗物质的假(jiǎ)说之(zhī)外，另一种可能就是人类对(duì)引(yǐn)力的理解还不够(gòu)全面，引(yǐn)力很可能在不同尺度空间中的工作方式是不同的，这意味(wèi)着在(zài)行星系(xì)尺度中的天体会沿着它们的轨(guǐ)道，按(àn)照(zhào)我们(men)所理(lǐ)解的方式(shì)运(yùn)动。但是上升到星系和(hé)星团的尺度，引力之间的相互作(zuò)用则是不同的方式。对于在星系团之间(jiān)的相互作用，科学(xué)家还引(yǐn)入了外部场效应的(de)概念，指(zhǐ)的是在数百(bǎi)万光年的(de)规模上(shàng)，巨大的质量(liàng)之间会产(chǎn)生对彼此特殊的(de)效果，这个理论叫做MOND蒙德理(lǐ)论。如果(guǒ)MOND蒙德理论成立，这意味着我们需要对现在的物理(lǐ)定律进(jìn)行修正，这些发现(xiàn)也让很多人认为暗(àn)物质假说理(lǐ)论(lùn)就此(cǐ)终结。但是在(zài)宇宙当中还有关(guān)于暗物质存在的其(qí)他(tā)的(de)理(lǐ)论证(zhèng)据，这(zhè)些理论证据(jù)是蒙德理论所没法解释的“引力透镜”。

径向距离为37亿光年的子(zi)弹星系(xì)团(tuán)，由两(liǎng)个碰(pèng)撞的星系团所(suǒ)组成，类似这(zhè)样的星团，它们大部分(fēn)的(de)普(pǔ)通质量(liàng)都在星系的(de)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(xiāng)互作用就会(huì)导致温度的急(jí)剧升高，速度大幅降低。所以在理论上，在(zài)碰(pèng)撞(zhuàng)之后(hòu)，子弹星系团大(dà)部分(fēn)的质(zhì)量将位于所(suǒ)有(yǒu)这(zhè)些气体所在的中(zhōng)间(jiān)区域。那么(me)我们通过什(shén)么来验证它(tā)的质量区(qū)域(yù)到底是不是集(jí)中在中间(jiān)呢？前不久，詹姆斯韦(wéi)伯太空望远镜传回了宇宙(zhòu)当中第一张全彩的(de)高(gāo)清照片，在照片中我(wǒ)们可以明显地看到很多星系似(shì)乎被拉(lā)伸产生了(le)巨大的形变。其实(shí)这些星系本(běn)身并不是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦伯望(wàng)远镜出了什么问题，而是这(zhè)样极遥远的天体和我们地(dì)球上(shàng)的(de)观测(cè)者之间(jiān)。被(bèi)一(yī)个质量(liàng)超(chāo)级巨(jù)大(dà)的天体遮挡，这个超大质(zhì)量的东西的引力，会使身后更遥远星(xīng)系(xì)的光都发生(shēng)了扭(niǔ)曲。这(zhè)个现象就是引力透镜效(xiào)应。这个巨大(dà)的天(tiān)体(tǐ)可(kě)能是(shì)超大(dà)质量的(de)黑洞或(huò)者(zhě)是(shì)暗物质。

所以当人们对(duì)子(zi)弹星系团观(guān)测的时候，发现它的大质量区域并不是在中间，而是在(zài)两侧。所(suǒ)以最(zuì)好(hǎo)的(de)解(jiě)释方(fāng)法就(jiù)是当星(xīng)团(tuán)发生全部的(de)碰(pèng)撞时，可被观测(cè)到的质(zhì)量(liàng)气体被(bèi)卡在了中间，暗(àn)物质(zhì)则直(zhí)接通(tōng)过了(le)这个区(qū)域，并在两边形成了引力透镜。对子弹星系(xì)团的引力透镜研(yán)究也被认(rèn)为是暗(àn)物(wù)质(zhì)存在的迄(qì)今为止(zhǐ)最好的(de)理论证据。

除此之外，还有来自宇宙当中最古(gǔ)老的光。从宇(yǔ)宙大爆炸开始，38万(wàn)年之后，可见光终(zhōng)于可(kě)以(yǐ)畅通无阻地穿越在宇宙当中了。经过了(le)130多(duō)亿年(nián)之后(hòu)，这(zhè)些光在宇宙空(kōng)间背景上留下了各相同性的(de)微波辐射。其中红色(sè)的部分表(biǎo)示(shì)温(wēn)度较高的区域，蓝色(sè)则表(biǎo)示相对较冷(lěng)的区域，但实际上它们之(zhī)间的温差只有万分之一(yī)。

科学(xué)家们通过对(duì)前(qián)景背景(jǐng)分离后的(de)二值图像进行连(lián)通域提取(qǔ)和(hé)标记之后发现，如果(guǒ)宇宙当(dāng)中没有暗(àn)物质，图形看起来不应该是(shì)这(zhè)样的，而随(suí)着暗物质(zhì)的增加，一些峰值的幅度会减小(xiǎo)，才变(biàn)得看起来(lái)“和谐”。为了匹配宇宙微波(bō)背景辐射的测(cè)量值，我们需(xū)要的暗物(wù)质大(dà)约是普通物质的5倍。这(zhè)个数字与(yǔ)解释星系当中恒星运动(dòng)所需(xū)要的(de)暗物(wù)质比(bǐ)例是一致的。这就意味(wèi)着。

用(yòng)了(le)一个(gè)简单(dān)的理论(lùn)框架，就很(hěn)好(cos135度等于多少啊带根号，cos150度等于多少啊hǎo)地解(jiě)释了很多不同的观测结果。而暗物质的本质就是(shì)宇(yǔ)宙当(dāng)中(zhōng)存在(zài)着某(mǒu)种(zhǒng)类型的粒子(zi)，它(tā)们不参与任何(hé)其他(tā)的电(diàn)磁作用，只通(tōng)过引(yǐn)力(lì)来(lái)相互作用。所(suǒ)以(yǐ)如果(guǒ)能够找到这(zhè)种(zhǒng)粒子的存在(zài)，就相当于(yú)找到了(le)暗物质(zhì)存在的实(shí)际证据。这(zhè)种粒子到底是(shì)什么(me)？科学家们(men)已(yǐ)经提(tí)出了数十种(zhǒng)的假(jiǎ)想目标(biāo)，而要寻找这些(xiē)不同的目标粒子(zi)所需要的实验方式也不相同。在(zài)过去(qù)的(de)几十年(nián)当中，人(rén)类(lèi)为了寻找这些看不见、摸不到，几乎不会与常规(guī)物质相互作(zuò)用的“暗物质”，科学(xué)家们已经进行了(le)超过50次(cì)的实(shí)验，却没(méi)有任何实质性的(de)发现，除了一个地方(fāng)，意大利的格兰(lán)萨索山，隶属(shǔ)于(yú)阿尔卑斯(sī)山脉。

在山下1400米(mǐ)处(chù)的地下矿井当中，藏着地球(qiú)上最(zuì)大(dà)的地(dì)学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一(yī)个三(sān)层楼高的探测器，一(yī)直致力于(yú)寻找暗物质粒(lì)子(zi)的(de)周期(qī)性震(zhèn)荡。

自1997年以来(lái)，这里(lǐ)的科学家声称观测(cè)到了某(mǒu)种信号。经过了20多年的数据收集，人们(men)发现了一个有趣的事情。探测率(lǜ)会在每(měi)年的6月份达到峰(fēng)值，然后在(zài)11月(yuè)降到(dào)最低，而且在20年当(dāng)中(zhōng)每年都是一(yī)样。一(yī)些科学家认为(wèi)这可能(néng)是人(rén)类发(fā)现暗物质的(de)第一个直(zhí)接(jiē)证据。

但是为什么暗物质会产生周期性的年度信号呢？刚才我们讲了太阳系(xì)正在以220公里/秒的速度围(wéi)绕着银河系进行移动，那(nà)么如果(guǒ)暗物质(zhì)存在宇宙当中，这意味着我们也在以这样的速度在穿越着暗(àn)物质流，这(zhè)个过程中(zhōng)会产(chǎn)生相(xiāng)应的振(zhèn)荡，同时地(dì)球又(yòu)以30公里/秒(miǎo)的速度围绕(rào)太阳进(jìn)行旋(xuán)转。所以有半年(nián)的时间，地球围绕太阳的方向与太阳环绕银河(hé)系的方(fāng)向(xiàng)是一致的，而另外半年(nián)则与之相反。

而(ér)在6月(yuè)份(fèn)的时候，地球与太阳的(de)方向正好(hǎo)达到完全一致，这是理论上(shàng)地球穿越暗物质流(liú)最(zuì)快的(de)时段(duàn)。而在11月份(fèn)，又恰好达到了最(zuì)慢值。尽管在实(shí)际(jì)的情况中，太阳系相对银河(hé)系的平面呈现了60度的(de)倾斜，但(dàn)是这并不影响这个理论的有效(xiào)性(xìng)。

因此科学家认为(wèi)这可以(yǐ)用来解释，研究人员们所观测到(dào)的周期性信号。当然也可能有其他的情况，造(zào)成这种年度(dù)周期信号(hào)的差异也可能是温(wēn)度、湿度、土壤中(zhōng)的水分、高山(shān)上(shàng)的积(jī)雪，甚至连意大(dà)利游客的(de)数量也符合这个周期的规律。

所以，科(kē)学家们又(yòu)在(zài)南半球建立了一个几乎相同的实验室(shì)，这里的季(jì)节与(yǔ)之前(qián)的(de)实验(yàn)室正好(hǎo)相反，而(ér)在这里，地球穿过暗物质流的(de)运动特征和第一个实验室是一(yī)样(yàng)的。

因此，如果在这里可以得到相同的(de)信(xìn)号，就(jiù)可以成(chéng)为暗物质所存在(zài)的非常有力的证据(jù)了(le)。但是由于(yú)这个实验室刚刚建成不久，所以截至目前还无(wú)法提(tí)供相(xiāng)应的(de)数(shù)据(jù)支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会发射一(yī)台新的望远镜，这台太(tài)空望远(yuǎn)镜叫做“南希格雷斯(sī)罗曼”，它的(de)主镜大小跟哈勃望远(yuǎn)镜相同，但它的宽视(shì)场仪器提供(gōng)的视(shì)野是哈勃(bó)红外仪器的100倍。南希格雷(léi)斯罗曼太空(kōng)望(wàng)远镜其中一个(gè)关键的用途就是(shì)探索暗物(wù)质背后的奥秘，对(duì)于(yú)探测(cè)的结果，我们(men)只能拭目以待了(le)。费米实(shí)验(yàn)室粒子天(tiān)体物理中心(xīn)的科学家丹琥(hǔ)珀(pò)和贾森斯特芬(fēn)研究发现(xiàn)，如果(guǒ)暗物质存在(zài)，它们极有可能拥(yōng)有另一种神秘的(de)效应，这种暗(àn)物质(zhì)效应，会支持宇(yǔ)宙当中(zhōng)生命的诞(dàn)生，或者(zhě)说是生命进化(huà)的一个重要因素。

如果这一理论得到(dào)进一步的证实(shí)，那么遍布宇宙当中的暗物(wù)质会(huì)不(bù)会意味着人类并(bìng)不孤单呢？或许在宇宙当中某个角落的行星上，暗物质正在通过这(zhè)样的效应创造生(shēng)命。当然，这些推论(lùn)的大(dà)前提是要先(xiān)找到暗(àn)物质存在(zài)的(de)实(shí)际证(zhèng)据。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉得暗物(wù)质到底存不存在呢？喜(xǐ)欢请点赞，你的支持是(shì)我(wǒ)更新的动力！

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