宇宙是“人为制(zhì)造”的？为何会存在科学无法解释(shì)的“暗物(wù)质”？暗物质又(yòu)究(jiū)竟(jìng)是什么？人类为了寻找暗(àn)物质存在的证据，科学家们在过去的几(jǐ)十年当中进行了超过(guò)50次的长期实验(yàn)，但是却没有(yǒu)发现任何的有效(xiào)证据(jù)。除了一个地(dì)方，在1687年出(chū)版的自然(rán)哲学数学原(yuán)理(lǐ)一(yī)书中，埃萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭示了宇宙(zhòu)中天(tiān)体运动的规律。往后(hòu)的几百(bǎi)年(nián)来(lái)，当天(tiān)文学家们发现某(mǒu)些天(tiān)体运(yùn)行轨道出(chū)现(xiàn)异常，不(bù)符合万有引力定(dìng)律的时候，他们就会(huì)知道，周围一定有未知的天体通过引力在摄动它的轨(guǐ)道。比如在1846年(nián)，奥本勒维耶就通过天王(wáng)星运行轨(guǐ)道的异常，推(tuī)算并且(qiě)发现了(le)海王(wáng)星的存在。另(lìng)外，哈(hā)雷彗星、冥王(wáng)星的(de)发现都是应用万有引力定(dìng)律所取(qǔ)得重大天文(wén)成就的例子。但是这些发现都是(shì)在恒星系统的尺度当(dāng)中，可当(dāng)我们上升(shēng)到星(xīng)系或者是星团的(de)尺(chǐ)度，事(shì)情(qíng)就(jiù)开始(shǐ)变(biàn)得诡(guǐ)异了。

1933年(nián)，瑞士的物理学家弗里茨(cí)兹(zī)威基(jī)正在研究(jiū)和(hé)测量后(hòu)发星系团的(de)质量(liàng)。这是一个由数(shù)千个(gè)星系(xì)所组成的巨大星系团，这些星(xīng)系被引(yǐn)力束缚在一(yī)起。测量星(xīng)系团的质(zhì)量(liàng)一般会(huì)使用到两种方法，当两种方(fāng)法结果一致，就可以确定其(qí)质(zhì)量的范(fàn)围。

第一种是获得其"光度(dù)学的质量"，需(xū)要的数据是测(cè)量各(gè)个星(xīng)系的光度。

第二(èr)种是动力学(xué)质量的计算，是利用光(guāng)谱红移测量星系团中的各个(gè)星系相(xiāng)对(duì)于星系团的运动速度。当测(cè)量结(jié)果出来之后，兹(zī)威基彻底懵了，“动(dòng)力学(xué)质(zhì)量(liàng)”竟然是“光度学(xué)质(zhì)量”的400倍。这意味着，后发座星(xīng)系团有99%的质量消失了，或者(zhě)说这99%的质量并不以可见(jiàn)光的形式所存(cún)在(zài)，我们无法看到。最诡异的是，在测量速度(dù)的过程中，兹(zī)威基发现星系团(tuán)中很多(duō)星(xīng)系的速度比(bǐ)理论(lùn)上要(yào)快得多，按照牛(niú)顿的运动学定(dìng)律，仅靠这些(xiē)可见星系的(de)质量所产生的引力是无(wú)法将它们束缚在(zài)星系团内的，它们早就应(yīng)该被(bèi)抛出星系团之外了(le)，除非有一种(zhǒng)神秘的力(lì)量在起作用(yòng)，这种(zhǒng)力量(liàng)来(lái)源于某种隐形的物质(zhì)。

据此(cǐ)，兹(zī)维基提(tí)出(chū)了这样部分不(bù)可见的(de)暗质，它(tā)不(bù)发(fā)散光(guāng)、吸光、反(fǎn)射光，但是(shì)它们(men)却占据着宇宙中绝大(dà)部分的(de)质量。只是当时的人们(men)对这(zhè)样的一种说法不(bù)屑一顾。

直(zhí)到(dào)40年之后(hòu)，“暗物质”这个(gè)词才再一次出现。天文(wén)学家维拉鲁宾和肯特福特在观测仙女座星系中的恒星运(yùn)动。理论上来说，距离中(zhōng)心(xīn)越远的恒星(xīng)在其轨道上(shàng)的运(yùn)行速度就会越慢(màn)。但是他们(men)观测的结果却让(ràng)人感到不可思议。

随着(zhe)与中心距离的(de)增加，恒星的旋转速度几乎保持(chí)不(bù)变。可是根(gēn)据牛顿的万(wàn)有(yǒu)引力定(dìng)律，在(zài)星系当中(zhōng)如果(guǒ)没有足够大的质(zhì)量(liàng)来吸引(yǐn)它们，这(zhè)些(xiē)外围(wéi)的恒(héng)星(xīng)早就(jiù)被甩到宇(yǔ)宙当中了。基(jī)于这种现(xiàn)象，科学家们会使用一种相对标准的(de)方(fāng)法来解释(shì)暗物质的存在，这种(zhǒng)方法就是测量(liàng)星系当中气(qì)体在X轴(zhóu)上距离星(xīng)系(xì)中(zhōng)心(xīn)的(de)距离，以及在Y轴上气体的(de)旋转速(sù)度。如(rú)果(guǒ)出现(xiàn)异常的结果，就认为(wèi)是(shì)由暗物质的力量(liàng)进入其中。

于是科学家们通过射电望远镜测量了距离星系中心更远距离的氢元素，发现它们的旋转速度并不符合牛顿(dùn)的(de)力学定律。我(wǒ)们的太阳(yáng)系也(yě)不例(lì)外，太阳系位于银河系的(de)第三悬臂之上(shàng)，距离银河系(xì)中心2.6万光年，根(gēn)据万有(yǒu)引力定律进行计算，太阳系的运行(xíng)速度(dù)应该是(shì)160千米/秒，但实际上，太(tài)阳(yáng)系正在以(yǐ)220千米/秒的(de)速度围绕银(yín)河系旋转，这个实际速度远远大于理论(lùn)速度，那么产生以上这种向心加(jiā)速度的原因(yīn)很可能(néng)就(jiù)是存在着一种我们看(kàn)不到的物质(zhì)，是(shì)这些暗物质的引(yǐn)力(lì)效应将星系聚集在了(le)一起(qǐ)。

也是从这时开始，越来越多的研究(jiū)人(rén)员开始相信(xìn)暗(àn)物质的(de)存在。科(kē)学家根据星系外恒(héng)星轨(guǐ)道(dào)的(de)速(sù)度(dù)，估(gū)算在星系(xì)当中暗物质的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物(wù)质并(bìng)不是唯一可以解(jiě)释这个现象的原因。在(zài)一(yī)项新(xīn)的研究当中，科学(xué)家(jiā)们发现(xiàn)，几乎没有引力效应的(de)遥远恒星(xīng)之(zhī)间，也会出现速度上的微小(xiǎo)差异。另外，天文学(xué)家还发(fā)现了一个反常的(de)星系(xì)，叫做(zuò)Agc114905。这个星系距离(lí)地(dì)球大(dà)约(yuē)2.5亿光年，大小和(hé)银河(hé)系不(bù)多，但是(shì)星系(xì)当中(zhōng)存在的恒星(xīng)数量却只有银河系(xì)的千分(fēn)之一。

所以在理论上，该星系必(bì)须(xū)存(cún)在暗物质，否则就会分(fēn)崩离析(xī)。但是科学家们使用(yòng)最先进的(de)望远镜(jìng)对其(qí)进行(xíng)了40个小时的详(xiáng)细测量(liàng)之(zhī)后，发现星系(xì)中的恒星运动是可以用正常的(de)物质和(hé)力(lì)学定律来解(jiě)释的。那么又有(yǒu)人提(tí)出，也许该星系的(de)暗物质，已经被(bèi)附(fù)近的另一(yī)个大星(xīng)系剥离了。奇怪(guài)的(de)是，它的附近(jìn)没有任(rèn)何星系存在(zài)。造成这(zhè)些(xiē)现(xiàn)象(xiàng)的(de)除了暗物质的假说之外，另一种可能就是人类对引(yǐn)力的(de)理(lǐ)解还(hái)不够全面，引(yǐn)力很可能在(zài)不同尺(chǐ)度空间中的工作(zuò)方式(shì)是(shì)不同(tóng)的，这意味着在行星系(xì)尺度(dù)中的天体会沿着它(tā)们的轨道，按照我们(men)所理解的方式运(yùn)动。但是上升到星系(xì)和星团的尺度，引(yǐn)力之间的相互作用则是不同的方式。对于在星系团之(zhī)间的相互作用，科(kē)学家还引入了外部场效(xiào)应的概念，指的是在数(shù)百(bǎi)万光年的规模上，巨大的质量之间会产生对彼此特(tè)殊的效果，这个理论叫做(zuò)MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意味(wèi)着我(wǒ)们需要(yào)对现在的(de)物理定律进行修正，这些发现也让(ràng)很(hěn)多人认为暗物质(zhì)假说(shuō)理论就此终结。但(dàn)是在宇宙(zhòu)当中还有关于暗物(wù)质存在的其他的(de)理(lǐ)论证据，这(zhè)些理论证据是(shì)蒙德理论(lùn)所没(méi)法解释的“引力(lì)透镜”。

径向距离为37亿光年的子弹星系(xì)团，由两个(gè)碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样的星(xīng)团，它们大部分(fēn)的普通质(zhì)量都(dōu)在星系(xì)的气体(tǐ)当中。当星团以1000万公里/小(xiǎo)时发(fā)生碰撞(zhuàng)的时(shí)候，星际气(qì)体的(de)相互作用(yòng)就会导致温(wēn)度(dù)的(de)急剧升(shēng)高(gāo)，速度大幅降低。所以在理论上(shàng)，在碰撞之后，子弹星系(xì)团大部分的质量将位于所有这(zhè)些气体所(suǒ)在(zài)的中间区域。那(nà)么我(wǒ)们通(tōng)过什么来验证它的质量区域(yù)到底是不是集中在(zài)中间(jiān)呢？前不久(jiǔ)，詹姆斯韦伯太空望远镜(jìng)传回了(le)宇宙当(dāng)中第一张全彩的高清照(zhào)片，在照片中(zhōng)我们可以明显地看到很多星系似乎被拉伸产生了巨大的形变(biàn)。其实这些(xiē)星(xīng)系本身并不是真的被扭曲(qū)了(le)，也(yě)不是韦伯望远镜出了什么问题，而是这样极遥远的天体和我们(men)地球上的观测者之(zhī)间。被一(yī)个质量超级巨大的(de)天体遮挡，这(zhè)个(gè)超大质量的东(dōng)西的引力，会(huì)使(shǐ)身后(hòu)更遥远星系的光都发生了扭曲。这(zhè)个(gè)现象就是引力(lì)透镜(jìng)效(xiào)应。这个巨大的天体(tǐ)可能(néng)是超大质量的黑洞或者(zhě)是(shì)暗物(wù)质。

所以当(dāng)人们(men)对(duì)子(zi)弹星系团(tuán)观测的(de)时候(hòu)，发(fā)现它(tā)的大质(zhì)量区域并不(bù)是在中(zhōng)间，而(ér)是在两侧(cè)。所以最好的(de)解释方(fāng)法就(jiù)是(shì)当星团发生(shēng)全部的碰撞时，可被观测到(dào)的(de)质(zhì)量气(qì)体被卡(kǎ)在了中间，暗物(wù)质则直(zhí)接(jiē)通过了这个区域，并在两边形成了引力(lì)透镜。对子弹星系团的引力透镜研究也(yě)被认(rèn)为是暗物质(zhì)存在的(de)迄今为止最好的理论证据。

除此(cǐ)之外(wài)，还(hái)有(yǒu)来自宇宙当(dāng)中最古老的(de)光。从宇宙大爆炸开(kāi)始，38万年之(zhī)后，可见(jiàn)光终于可以畅通无阻地穿越在宇宙当中了。经过了130多(duō)亿年之后，这些光在(zài)宇宙空间背景上留下了各相同性的微波辐射。其中红色的部分表示温(wēn)度较高的区域，蓝色则表示相(xiāng)对较(jiào)冷(lěng)的区(qū)域，但实际上它(tā)们之间的温(wēn)差(chà)只有(yǒu)万(wàn)分之一(yī)。

科学家们通(tōng)过对前(qián)景(jǐng)背景分离后的二(èr)值图像进行(xíng)连(lián)通(tōng)域提取和(hé)标记之后(hòu)发现，如果宇(yǔ)宙当中没有暗物(wù)质，图形(xíng)看(kàn)起来不(bù)应该是这样(yàng)的(de)，而随着暗(àn)物质的增加，一(yī)些(xiē)峰(fēng)值的(de)幅(fú)度会减(jiǎn)小，才变得看(kàn)起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景(jǐng)辐射的(de)测量值(zhí)，我们(men)需要的暗物质大约是普通物质的(de)5倍。这(zhè)个数字与(yǔ)解(jiě)释星系当(dāng)中恒(héng)星运动所需(xū)要的暗物(wù)质比例是一致的。这(zhè)就意味(wèi)着(zhe)。

用(yòng)了一个简单的理(lǐ)论框架，就很好地解释了很多不同的(de)观测结果。而暗物质的本质就是宇宙(zhòu)当中存(cún)在(zài)着某种类型的粒子，它们不参与任(rèn)何其(qí)他的电(diàn)磁(cí)作用，只通过(guò)引(yǐn)力(lì)来(lái)相互(hù)作用(yòng)。所以如果能够找到(dào)这种粒子的(de)存在，就(jiù)相当于找(zhǎo)到了(le)暗物质存在的实(shí)际证据。这种(zhǒng)粒子到底是什么？科(kē)学家们已经提出了数(shù)十种的假(jiǎ)想目标，而要寻找这些不同的(de)目标粒子所(suǒ)需要(yào)的(de)实验方式也不相同。在过去的(de)几十年当中，人类为了寻(xún)找这些(xiē)看不(bù)见(jiàn)、摸不到，几乎不会与常规物(wù)质相互(hù)作(zuò)用的“暗物质(zhì)”，科学家们已(yǐ)经进行了超过50次(cì)的实验，却没有任何实质性的发现，除了(le)一个地方(fāng)，意大(dà)利的格(gé)兰萨索山，隶属(shǔ)于阿尔卑斯山脉。

在山(shān)下1400米处的地下矿井当中(zhōng)，藏着地(dì)球(qiú)上最大的(de)地学实验室，这个实验(yàn)室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这里有(yǒu)一个(gè)三层楼(lóu)高的(de)探测器，一直致力于寻(xún)找暗物(wù)质粒(lì)子的周期(qī)性震(zhèn)荡。

自1997年以来(lái)，这里的(de)科学家声称观测到了某种信号。经过了20多(duō)年的数据收(shōu)集，人们发现了(le)一个有趣的事情。探测率会在每年的(de)6月份达到(dào)峰值(zhí)，然后(hòu)在11月(yuè)降到(dào)最低，而且在20年当中每年都是一样。一些(xiē)科学家认为这可(kě)能(néng)是人类发现暗物质的第一个直接(jiē)证(zhèng)据(jù)。

但是(shì)为(wèi)什么暗物质会(huì)产生周(zhōu)期性(xìng)的(de)年度信号呢？刚才我们讲了太阳(yáng)系正在以220公(gōng)里/秒的(de)速度围绕着银河系进行移动，那么如(rú)果暗物质存在(zài)宇宙当中，这(zhè)意味着我(wǒ)们(men)也在以(yǐ)这样的(de)速(sù)度在穿(chuān)越着暗(àn)物质流，这个过(guò)程中会(huì)产生相应的振荡，同时地球又以(yǐ)30公(gōng)里/秒的(de)速(sù)度围绕(rào)太(tài)阳(yáng)进行旋转。所(suǒ)以有半年的(de)时间，地球(qiú)围绕太阳(yáng)的(de)方向(xiàng)与太阳环绕银(yín)河(hé)系(xì)的方向是一致的(de)，而另外半年则(zé)与之相反。

而在6月份的时候，地球与(yǔ)太阳的方(fāng)向正好达到完全一致，这(zhè)是理(lǐ)论(lùn)上地(dì)球穿越暗物(wù)质流最(zuì)快的时段(duàn)。而在11月(yuè)份(fèn)，又恰好达到了最慢值。尽管在实际(jì)的(de)情况中，太阳系相对银河系(xì)的(de)平面呈现了60度的倾斜，但(dàn)是这并(bìng)不影响这个理论的有效(xiào)性。

因此科学(xué)家认为这(zhè)可(kě)以用来(lái)解释，研究人员们(men)所观测到的周(zhōu)期性信号。当然也可能有其他的情况(kuàng)，造成这(zhè)种年(nián)度(dù)周期信号的(de)差异也可能是温(wēn)度(dù)、湿度、土(tǔ)壤中的水分、高(gāo)山上的积雪，甚至连意大利游(yóu)客的数量也符合这(zhè)个周期的规律。

所以(yǐ)，科学家(jiā)们又在(zài)南半球(qiú)建(jiàn)立(lì)了(le)一个几乎相同的实验室，这里的季节与之前的(de)实验室正好相反，而在这(zhè)里(lǐ)，地球穿(chuān)过暗物质流的运动特征和第一个实验室是一(yī)样的。

因此，如果(guǒ)在这里可以得到(dào)相同的信号，就可以成为暗物质所存在的非(fēi)常有(yǒu)力的证据了。但是由于这个实验(yàn)室(shì)刚刚(gāng)建成不久，所以(yǐ)截至目前(qián)还无法(fǎ)提供相应(yīng)的数(shù)据(jù)支持。另外，在2025年(nián)，NASA将(jiāng)会(huì)发射一台新的望远(yuǎn)镜，这(zhè)台(tái)太空(kōng)望远镜叫做“南(nán)希格雷斯(sī)罗(luó)曼”，它的(de)主(zhǔ)镜(jìng)大小跟哈勃望远镜相同，但它的宽视场仪器提供的视野是哈(hā)勃红外仪器的100倍(bèi)。南希(xī)格雷(léi)斯罗(luó)曼太空(kōng)望远(yuǎn)镜其中一个关键的用途就是探索暗物质背后的奥秘，对于探测的结果(guǒ)，我们(men)只能拭(shì)目以(yǐ)待了。费米(mǐ)实验室粒子(zi)天体物理中心的(de)科学家丹琥珀(pò)和(hé)贾(jiǎ)森斯特芬(fēn)研究发现(xiàn)，如果暗物质(zhì)存在，它们极有可能拥有另一种神秘的效应，这种(zhǒng)暗物质效应，会支(zhī)持宇宙当中(zhōng)生命的诞生(shēng)，或者说是生命进化的一(yī)个(gè)重要因素(sù)。

如果这一理论(lùn)得到进一步(bù)的证实，那么遍(biàn)布宇宙当中的暗(àn)物(wù)质会不会(huì)意味着人类(lèi)并不孤单(dān)呢？或许在宇(yǔ)宙当中某个角落的行星上(shàng)，暗物质正(zhèng)在(zài)通过(guò)这(zhè)样的(de)效(xiào)应创(chuàng)造(zào)生命。当(dāng)然，这些推论的大前提是(shì)要先(xiān)找到暗物质存在(zài)的实际证(zhèng)据。那么小伙伴们(men)，你们觉得(dé)暗物质到底存不存在呢？喜欢(huān)请(qǐng)点赞，你的支(zhī)持是我更新的(de)动(dòng)力！

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