宇宙(zhòu)是“人为制造”的？为何会存在科学无法解释的“暗物质”？暗物质又(yòu)究竟是什么？人(rén)类为了寻找暗物质存在(zài)的(de)证据(jù)，科(kē)学家(jiā)们在过去的几十年(nián)当(dāng)中进行了超(chāo)过50次(cì)的长期(qī)实(shí)验(yàn)，但是却没有发现任何(hé)的有效证据。除(chú)了一个地方(fāng)，在1687年(nián)出(chū)版的(de)自然哲学数学原理一书中，埃萨克牛顿发表了(le)万有(yǒu)引力定律(lǜ)，它揭(jiē)示了宇宙(zhòu)中天体运(yùn)动的规律。往后(hòu)的几百年(nián)来，当天文(wén)学家(jiā)们(men)发现某(mǒu)些天体(tǐ)运行轨道出现异常(cháng)，不符合万有引力定律的(de)时(shí)候，他(tā)们就会知道(dào)，周围(wéi)一定(dìng)有未知的天体通过引(yǐn)力在摄动(dòng)它(tā)的(de)轨道。比如在1846年，奥(ào)本勒维耶就通过天(tiān)王星运行轨道的(de)异常，推算并且发现了海王星的存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发现都是(shì)应用万有引力定律(lǜ)所取(qǔ)得(dé)重大(dà)天文成就的例子(zi)。但是这些发现都是在恒星系统(tǒng)的尺度当中，可当我们上升(shēng)到星(xīng)系(xì)或者是(shì)星(xīng)团的尺度，事情就(jiù)开始变得(dé)诡(guǐ)异了(le)。

1933年，瑞士的物理学家弗里(lǐ)茨兹威基正(zhèng)在(zài)研究(jiū)和测量后发星系(xì)团的质量。这是(shì)一(yī)个由数千个星系所组成的巨大星系(xì)团，这些星系(xì)被引力束缚在一起。测量(liàng)星系团的质(zhì)量一般会(huì)使用到两(liǎng)种方法，当两种方法(fǎ)结果(guǒ)一致，就可以确(què)定其(qí)质量的范围。

第一(yī)种是获得其"光度学的(de)质(zhì)量(liàng)"，需(xū)要的数据是测量各个星系的光度。

第二种是(shì)动(dòng)力学质量的计算，是利用光谱红(hóng)移测量星系团(tuán)中的各个星(xīng)系(xì)相对(duì)于星(xīng)系团的运动速度。当测量结(jié)果出来之(zhī)后，兹威基彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光度学质量”的400倍。这意味着，后发座星(xīng)系(xì)团有(yǒu)99%的质量(liàng)消失了，或者说这99%的质量并不(bù)以(yǐ)可见光的形式所存在(zài)，我(wǒ)们无法看到。最诡异的是，在(zài)测量速度的过程(chéng)中，兹威(wēi)基发现星系团中很(hěn)多(duō)星(xīng)系的(de)速度比理论上(shàng)要快得多，按(àn)照牛顿的运动学(xué)定律，仅(jǐn)靠(kào)这些可见星系的(de)质量所产生(shēng)的引(yǐn)力是无法将它们束(shù)缚在(zài)星(xīng)系(xì)团(tuán)内的，它们(men)早就应该(gāi)被抛出星系团之外了，除非有一种神秘的力量(liàng)在(zài)起作用(yòng)，这种力(lì)量来源于某种隐(yǐn)形的物质。

据此，兹维基提出(chū)了这样(yàng)部分不可(kě)见的暗质，它不(bù)发(fā)散光(guāng)、吸光、反(fǎn)射光，但是它们却占据着(zhe)宇宙中绝(jué)大部分的质(zhì)量。只是当时(shí)的人(rén)们对(duì)这样的一种说法(fǎ)不屑一顾。

直到40年之后(hòu)，“暗物(wù)质”这(zhè)个(gè)词才再一次出现。天文学家维拉(lā)鲁宾和(hé)肯特福特在观测(cè)仙女(nǚ)座星系中的恒星运动(dòng)。理(lǐ)论上来说，距(jù)离中心越(yuè)远的恒星(xīng)在(zài)其轨道上的运行速度(dù)就会越慢。但是他们观测的结果(guǒ)却(què)让人感到不(bù)可思(sī)议。

随着(zhe)与中心(xīn)距离的增加(jiā)，恒星的旋转速度几乎保持不(bù)变。可是根据(jù)牛顿的万有(yǒu)引力定律(lǜ)，在星系当中如(rú)果没有足够(gòu)大(dà)的质量来(lái)吸引(yǐn)它们(men)，这(zhè)些外围的恒星早(zǎo)就被(bèi)甩到宇宙(zhòu)当中了。基(jī)于这种(zhǒng)现象，科学家们会(huì)使(shǐ)用一(yī)种相对标准的方法来解释暗物质的存在(zài)，这种方(fāng)法就是(shì)测量星系当中气(qì)体在X轴上(shàng)距(jù)离星系中心的距离，以及在(zài)Y轴上气体的(de)旋(xuán)转速度。如果出(chū)现异(yì)常(cháng)的结果，就认为是由暗物(wù)质(zhì)的(de)力(lì)量进入其中。

于是科学家们通(tōng)过(guò)射电望远(yuǎn)镜测量了距离星系中心更远距离的氢元素，发现(xiàn)它(tā)们的(de)旋转速度并(bìng)不(bù)符合牛(niú)顿的力学定律(lǜ)。我们的(de)太阳系也不例(lì)外，太(tài)阳(yáng)系位于银河系的第(dì)三(sān)悬臂(bì)之上，距(jù)离银河系(xì)中心2.6万光(guāng)年，根据万有(yǒu)引力(lì)定律进(jìn)行计(jì)算，太阳(yáng)系的运行速度应该是(shì)160千米/秒，但实际(jì)上，太阳(yáng)系正在以220千米/秒的速度(dù)围绕银河系旋转，这个(gè)实际(jì)速度(dù)远远(yuǎn)大于理(lǐ)论速(sù)度，那么产生以上这种向心加速(sù)度(dù)的原因很(hěn)可能就是存在着一种我们(men)看不到的物质(zhì)，是这些暗物(wù)质的引力(lì)效应将星(xīng)系(xì)聚集在了一起。

也是从这时开始，越来越多的研究人员开始相信暗物质的存在。科(kē)学家根据星系外恒(héng)星轨道的速度，估算在星系当(dāng)中(zhōng)暗物质的质(zhì)量占整(zhěng)个星系质量的85%。但是，暗物质并(bìng)不(bù)是唯一可以解释(shì)这(zhè)个(gè)现象的原因(yīn)。在(zài)一项新的研究当(dāng)中，科学家们发现，几乎没有引力效应的遥远恒星之间，也会(huì)出(chū)现速度上(shàng)的微小差异。另外，天文学家还发现了一(yī)个反常的星(xīng)系，叫做Agc114905。这个星系距离地球(qiú)大约2.5亿光年，大小和银(yín)河系不多，但是星系(xì)当中存在的恒星数量却只有银河系的千分之一。

所以在理(lǐ)论上，该星系必须存在暗(àn)物质，否则就会分(fēn)崩离(lí)析。但(dàn)是科学家们(men)使(shǐ)用(yòng)最先(xiān)进(jìn)的(de)望远镜对其进行了40个小时的详细测量之后，发现(xiàn)星系(xì)中的恒星运(yùn)动(dòng)是可以用正常(cháng)的物质和力学(xué)定律来解释的。那么又有人(rén)提出(chū)，也许该星系的暗物质，已(yǐ)经被附(fù)近(jìn)的另一个大(dà)星系剥离了。奇(qí)怪的是(shì)，它的附近(jìn)没有(yǒu)任何星系(xì)存在(zài)。造成(chéng)这些现象的(de)除(chú)了暗物质的假说之外，另(lìng)一种(zhǒng)可能就是(shì)人(rén)类对引力的理解还不(bù)够(gòu)全面(miàn)，引力很可(kě)能在(zài)不同尺度空间中的工作方式(shì)是(shì)不同的(de)，这意味着在行星(xīng)系尺(chǐ)度中的天体(tǐ)会沿(yán)着它们的轨道，按照我(wǒ)们所理解的方式(shì)运动。但是上升到星系和星团的尺度，引力(lì)之(zhī)间的相互作(zuò)用则(zé)是(shì)不同的方式。对于在星系团(tuán)之间的(de)相互作(zuò)用，科学家还引(yǐn)入了外部(bù)场(chǎng)效(xiào)应的(de)概念，指(zhǐ)的是在数(shù)百万光(guāng)年的规模(mó)上，巨大的质(zhì)量之间会产(chǎn)生(shēng)对彼此(cǐ)特殊的效果，这个理论叫做MOND蒙德理(lǐ)论。如果MOND蒙德(dé)理论成立(lì)，这意味着我们(men)需(xū)要对现(xiàn)在的(de)物(wù)理定律进行(xíng)修正，这些(xiē)发现也让很多(duō)人认为暗物质假(jiǎ)说理论就此终结。但是在(zài)宇宙当中还有关于(yú)暗物质存在(zài)的其他(tā)的理论证据，这些(xiē)理论(lùn)证据是蒙德理(lǐ)论所(suǒ)没(méi)法(fǎ)解释的“引力透镜”。

径向距离为(wèi)37亿(yì)光年的子(zi)弹星系团，由两(liǎng)个碰(pèng)撞的(de)星系团所组成(chéng)，类(lèi)似(shì)这样的星团(tuán)，它们大部分的普通质(zhì)量都在(zài)星系的(de)气(qì)体当中。当(dāng)星(xīng)团以1000万公里/小时发(fā)生(shēng)碰(pèng)撞(zhuàng)的时候，星际气(qì)体的相互作用就会导致(zhì)温度的急(jí)剧升高，速度大幅(fú)降低。所以在理论上，在(zài)碰撞之(zhī)后，子弹星系团大(dà)部分(fēn)的质量将位于所(suǒ)有这些气体所在的中间区域。那么我们通过什么来验证它的质量区域到底是不是集中在中间呢(ne)？前不久，詹(zhān)姆斯(sī)韦伯太空望远镜传回了宇宙当中第一张全(quán)彩(cǎi)的高清照(zhào)片(piàn)，在(zài)照片(piàn)中我(wǒ)们可以明显地看到很(hěn)多星系似乎被拉(lā)伸产生(shēng)了巨大的形(xíng)变(biàn)。其实(shí)这些星系本(běn)身并不是真的被扭曲了，也不是韦伯望远镜出了什么问题(tí)，而是(shì)这样极(jí)遥远(yuǎn)的天体(tǐ)和我(wǒ)们地球上的观测者之间。被一个质量(liàng)超(chāo)级巨大的天体遮挡，这个(gè)超大(dà)质量的东西(xī)的引力(lì)，会使(shǐ)身(shēn)后更遥远(yuǎn)星系的光都发(fā)生了扭曲。这个现象就是(shì)引力透镜效应。这个巨大的天体可能是超大质量的黑(hēi)洞或者是(shì)暗物(wù)质(zhì)。

所以当人们对子弹星系团观测的时候，发现它的大质(zhì)量(liàng)区域并不是在(zài)中间，而(ér)是在两侧。所以最好的解(jiě)释(shì)方法就(jiù)是(shì)当星(xīng)团发生全部的碰撞时，可被(bèi)观测到的(de)质量气(qì)体被卡在(zài)了(le)中间，暗(àn)物质则直接通(tōng)过(guò)了这个(gè)区域(yù)，并在两边(biān)形成了(le)引力透镜。对(duì)子(zi)弹星(xīng)系团的引力透镜研究也被认为是暗物质存(cún)在的(de)迄今(jīn)为止(zhǐ)最(zuì)好的理论证(zhèng)据。

除(chú)此之外，还有来(lái)自宇(yǔ)宙当(dāng)中最古(gǔ)老的光(guāng)。从宇宙(zhòu)大爆炸开始，38万年之后，可见光终(zhōng)于可以畅通无阻地(dì)穿越在宇宙当中了。经过了(le)130多亿年(nián)之后(hòu)，这些(xiē)光(guāng)在宇(yǔ)宙空(kōng)间背景上留(liú)下了各相(xiāng)同性的微波辐射。其(qí)中红色(sè)的部分表示温度较高的区域，蓝色则表示相(xiāng)对(duì)较(jiào)冷的区域，但实际上它们(men)之间的温差只有万分之(zhī)一。

科(kē)学家(jiā)们通过(guò)对前景背(bèi)景分离后(hòu)的(de)二值图(tú)像进(jìn)行连通域提取和标记之后发现(xiàn)，如果宇宙当中没有暗物(wù)质，图形看起来(lái)不(bù)应该是这样的(de)，而随着暗(àn)物(wù)质(zhì)的增(zēng)加(jiā)，一些峰值(zhí)的幅度会减小，才变得(dé)看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景(jǐng)辐射的测量值，我们需要的暗物质(zhì)大约是普通物质的5倍。这个数字与(yǔ)解释星系当(dāng)中(zhōng)恒星运动(dòng)所(suǒ)需要的暗(àn)物质比例是(shì)一致的(de)。这就(jiù)意(yì)味(wèi)着。

用了一个(gè)简单的理论框(kuāng)架(jià)，就(jiù)很好地(dì)解释了很(hěn)多不同(tóng)的观测结果。而暗物质的本质(zhì)就是(shì)宇宙当中存在着某种类(lèi)型的粒(lì)子，它们不参与任何其他的电(diàn)磁作用(yòng)，只(zhǐ)通过引力来(lái)相互作用。所以(yǐ)如果能够找(zhǎo)到这种粒子的存在(zài)，就相当于找到了暗物质(zhì)存(cún)在的实际(jì)证据。这种(zhǒng)粒子(zi)到底是什(shén)么？科学(xué)家们已经提出(chū)了数十(shí)种的假想目标，而要寻找(zhǎo)这些不同的目标粒子所需要(yào)的实(shí)验方(fāng)式也不相同。在过去(qù)的几十年当中，人类为(wèi)了寻找(zhǎo)这些(xiē)看不见、摸不到，几乎不(bù)会与常规物质相(xiāng)互作用的“暗物质”，科学家(jiā)们(men)已经进行了超过50次(cì)的(de)实验，却(què)没有任何实质性的发现，除了一(yī)个地方，意大(dà)利的格兰萨索山(shān)，隶属于阿(ā)尔(ěr)卑(bēi)斯山脉(mài)。

在山下1400米(mǐ)处的地下矿(kuàng)井当中(zhōng)，藏着地球上(shàng)最大的地学实(shí)验室(shì)，这个实验(yàn)室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一(yī)个三层(céng)楼高(gāo)的探测(cè)器(qì)，一直(zhí)致力于寻找暗(àn)物质粒子的周(zhōu)期性震荡。

自1997年以来，这(zhè)里的(de)科学家(jiā)声称观(guān)测(cè)到了某(mǒu)种信(xìn)号。经过了20多年的(de)数据收集，人们发现了一个有(yǒu)趣的事情(qíng)。探(tàn)测率(lǜ)会在每年的6月份达到峰值，然后在(zài)11月降(jiàng)到最低，而且在(zài)20年当中每年都是一样。一些科学家认为这可能是人类发现暗物(wù)质的第一个直接证据(jù)。

但是为什么暗(àn)物质会(huì)产(chǎn)生周(zhōu)期性的年度信号呢？刚才(cái)我们讲了太阳系正在以(yǐ)220公里/秒的(de)速(sù)度围绕着银河系进(jìn)行(xíng)移(yí)动，那么如果暗(àn)物质(zhì)存(cún)在(zài)宇宙(zhòu)当中，这意味(wèi)着(zhe)我们也在以这样的速度在穿越(yuè)着暗物质流，这个过程中会产(chǎn)生相应的振荡(dàng)，同时地球又(yòu)以30公里/秒的速度围绕太阳进行(xíng)旋转。所以有半年的时间，地球围绕太阳的方(fāng)向(xiàng)与太阳(yáng)环绕银河系的方向是(shì)一致的，而另外半年则与(yǔ)之相(xiāng)反(fǎn)。

而在6月份(fèn)的时候，地球(qiú)与太阳的方向正好(hǎo)达到(dào)完全一致，这是理论上地球穿越暗物(wù)质(zhì)流最快的时段。而在11月(yuè)份，又(yòu)恰好达到了最慢值。尽管在实际的(de)情况中(zhōng)，太(tài)阳系相(xiāng)对银河(hé)系的平(píng)面呈现了60度的倾斜，但是这(zhè)并不(bù)影响(xiǎng)这(zhè)个理论的(de)有效性。

因(yīn)此科学家认(rèn)为这可以用来解释(shì)，研究(jiū)人(rén)员们所观测到(dào)的周期性(xìng)信号。当然也可能有其他的情况，造成这种(zhǒng)年(nián)度周(zhōu)期信(xìn)号的差异(yì)也(yě)可能是温度、湿(shī)度、土壤(rǎng)中的水分、高山上的(de)积雪，甚至(zhì)连(lián)意大利游客的(de)数量也符合这个周期的规律。

所(suǒ)以，科学家们(men)又在(zài)南半(bàn)球建立了一个几乎相同的实(shí)验室，这里的季节与之(zhī)前的(de)实验室正好相反，而在这里，地球穿过暗(àn)物(wù)质流的运动特征和第一(yī)个(gè)实验(yàn)室是(shì)一(yī)样的。

因此，如果在这里可以(yǐ)得(dé)到相同的信号，就(jiù)可(kě)以(yǐ)成为暗物质所存在的(de)非(fēi)常有力的证据了。但是由于(yú)这个实(shí)验室(shì)刚刚建成不久(jiǔ)，所以(yǐ)截至目前还无(wú)法(fǎ)提供相应(yīng)的数(shù)据(jù)支(zhī)持(chí)。另外，在2025年，NASA将会(huì)发射一台(tái)新的望(wàng)远镜(jìng)，这(zhè)台太空(kōng)望远(yuǎn)镜叫做“南希格雷(léi)斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟(gēn)哈(hā)勃(bó)望远镜相同，但它的宽视场仪器提(tí)供(gōng)的视野是哈(hā)勃红外仪器(qì)的(de)100倍。南(nán)希格雷(léi)斯罗(luó)曼太(tài)空望远镜其中(zhōng)一个关键(jiàn)的用途就是(shì)探(tàn)索暗物(wù)质(zhì)背后的奥秘，对于探测的结(jié)果，我们只能拭目(mù)以待(dài)了。费米实验室(shì)粒子天体物理中(zhōng)心的科学家丹琥珀和贾森斯特(tè)芬研究发现(xiàn)，如果暗物(wù)质存在，它们(men)极(jí)有可能拥有(yǒu)另一种(zhǒng)神秘的(de)效应，这(zhè)种暗(àn)物质效应，会支持(chí)宇(yǔ)宙当中生命的诞生，或者说是生(shēng)命进化的一(yī)个重要因(yīn)素。

如果(guǒ)这一理论得到进一步的(de)证实，那么(me)遍布宇宙当中的暗物(wù)质会不会意味(wèi)着人类并不孤单呢？或许在宇宙当(dāng)中某(mǒu)个角落(luò)的行星上，暗(àn)物(wù)质正在(zài)通过这样的效应创造生命。当然，这些推论的(de)大前(qián)提是要先找到暗物质(zhì)存在的实际证(zhèng)据。那么小伙(huǒ)伴们(men)，你们觉得暗(àn)物质到底(dǐ)存不存在呢(ne)？喜欢(huān)请点赞，你的支持是我更(gèng)新的动力！

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