宇宙是“人为制造”的(de)？为何会存(cún)在(zài)科学无(wú)法(fǎ)解释的“暗物(wù)质(zhì)”？暗物质又究(jiū)竟(jìng)是什么？人类为了寻找暗(àn)物质存(cún)在的证(zhèng)据，科学(xué)家(jiā)们在(zài)过(guò)去的(de)几十(shí)年(nián)当(dāng)中进(jìn)行了超过50次(cì)的长期实验，但是却没(méi)有发现任何(hé)的有效证据。除(chú)了一(yī)个地方，在(zài)1687年出版的自然(rán)哲学(xué)数学原理一书中，埃萨克牛顿发表(biǎo)了万(wàn)有引力定(dìng)律，它揭示(shì)了宇宙(zhòu)中(zhōng)天体运动的规律(lǜ)。往后的几(jǐ)百(bǎi)年来，当天文学(xué)家们发现(xiàn)某些天体运行(xíng)轨道出现异(yì)常，不符合万有(yǒu)引力定(dìng)律的时候，他们就会知(zhī)道，周(zhōu)围一定有未知的天体通过(guò)引力在摄(shè)动它的轨道。比如在1846年，奥(ào)本勒维耶就通(tōng)过天王星运行轨道(dào)的异常，推算并且发现(xiàn)了海王星的存在。另外，哈雷彗星、冥(míng)王星的发(fā)现都是应用万有引(yǐn)力(lì)定律所取(qǔ)得重大天(tiān)文成就的例子。但是这些发现都是(shì)在(zài)恒星系统(tǒng)的尺(chǐ)度当(dāng)中，可当我(wǒ)们上升到星系或者是星团的尺度，事(shì)情(qíng)就(jiù)开始变得诡异了(le)。

1933年，瑞士的物理学(xué)家(jiā)弗里茨(cí)兹威基正在(zài)研究和测量后发星(xīng)系团的质量。这是一个(gè)由数千个星系所组成(chéng)的巨大星(xīng)系(xì)团(tuán)，这(zhè)些(xiē)星系被引力束(shù)缚在一(yī)起。测量星系团的质(zhì)量一般会(huì)使(shǐ)用到两种方法，当两(liǎng)种方法结(jié)果一(yī)致，就可以确定其质量的范围。

第一(yī)种(zhǒng)是获得其"光度(dù)学的(de)质量(liàng)"，需要的数据(jù)是测量各个星系的光度。

第二(èr)种是动力学(xué)质量的计算，是利用(yòng)光谱红(hóng)移测(cè)量星系团(tuán)中的各个星(xīng)系相对于星系(xì)团的(de)运动速度。当(dāng)测量(liàng)结(jié)果出来之后(hòu)，兹威基(jī)彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光度(dù)学质量(liàng)”的400倍。这(zhè)意味着，后发座星系(xì)团(tuán)有99%的质量消失了，或者说这99%的质(zhì)量并不以可见光的(de)形(xíng)式所(suǒ)存在，我们无法看到。最诡异(yì)的是，在测量速(sù)度(dù)的过程中，兹威(wēi)基(jī)发现星系团(tuán)中很多星系的(de)速度比理论上要快得多(duō)，按照牛顿(dùn)的(de)运动学定律(lǜ)，仅靠这(zhè)些可(kě)见星系的质量所产生的引(yǐn)力是无法将它们(men)束缚在星系团内的，它们(men)早就应该被(bèi)抛出(chū)星(xīng)系团之外了(le)，除非(fēi)有一种神秘(mì)的(de)力量在起(qǐ)作(zuò)用，这种力量来源于某种隐形的(de)物质。

据(jù)此(cǐ)，兹维基(jī)提出了这(zhè)样部分(fēn)不可见的暗质，它不发散(sàn)光、吸光、反射光，但是(shì)它们(men)却占(zhàn)据着宇宙中绝大部分的质量。只是当时的人(rén)们对这样(yàng)的一种说法不屑一顾。

直到40年之(zhī)后，“暗物质”这个词(cí)才(cái)再一(yī)次(cì)出现。天文学家维(wéi)拉(lā)鲁(lǔ)宾和肯(kěn)特福(fú)特在(zài)观测仙(xiān)女座星系(xì)中(zhōng)的恒星运动。理论上来(lái)说，距(jù)离中(zhōng)心越远的恒星在其轨道上的运碳的相对原子质量是多少，氮的相对原子质量行(xíng)速度就会越(yuè)慢。但是他们(men)观测(cè)的结果却让人感到不可思(sī)议。

随着与中心(xīn)距离的增加，恒星的旋(xuán)转速度几乎保(bǎo)持(chí)不变。可是根据(jù)牛(niú)顿的万有(yǒu)引力(lì)定(dìng)律，在星系(xì)当中如果没有(yǒu)足够大的(de)质量来吸引(yǐn)它(tā)们，这些(xiē)外围的恒星早就被甩到宇宙当中了。基于这(zhè)种(zhǒng)现(xiàn)象，科学家们会使用一种(zhǒng)相对(duì)标准(zhǔn)的(de)方法来解释暗物质的(de)存在，这种方法就是测量(liàng)星系当中气体在(zài)X轴(zhóu)上距(jù)离星系中心的距离，以及在Y轴上气体的旋转速度。如果(guǒ)出现异常的结果，就认为是由暗物质的力量(liàng)进入其中。

于是(shì)科学家们通过(guò)射电望(wàng)远镜测量了距离星系中心更远距离的氢元素(sù)，发现它们的旋转速度并不符合牛顿的力学定律。我们的太阳系也不例外，太阳系(xì)位于银河系(xì)的(de)第三悬臂之(zhī)上(shàng)，距(jù)离银河系中心2.6万(wàn)光年，根据万有引(yǐn)力(lì)定律进行计算，太阳(yáng)系的(de)运行(xíng)速(sù)度应该是160千米/秒，但实际上，太阳系正在以220千米/秒的(de)速度围(wéi)绕银河系旋转，这个实际速度远远(yuǎn)大于理(lǐ)论速(sù)度，那么产生以上(shàng)这种向心加速度(dù)的(de)原因很可能就是存在着一种我们看不到的物质，是这些暗物质的引力效应将星系聚集在了一起(qǐ)。

也是(shì)从这(zhè)时开始(shǐ)，越来越多的研究人员开(kāi)始相信暗物质的(de)存(cún)在。科学家(jiā)根据星系外恒星轨道的速度，估算在星系(xì)当中暗物质的质量占整个(gè)星系质量的(de)85%。但是(shì)，暗物质并(bìng)不是(shì)唯(wéi)一可以解释这(zhè)个现象的原因。在(zài)一项新的研究(jiū)当中，科学家们发现，几乎没有引力效应的遥(yáo)远恒星之(zhī)间，也会出现速度上的微(wēi)小(xiǎo)差(chà)异。另外，天(tiān)文学家还(hái)发(fā)现了一个反常(cháng)的星系(xì)，叫做Agc114905。这(zhè)个(gè)星系(xì)距离(lí)地球大约2.5亿(yì)光年，大小和银河系不多，但是星系当中存在(zài)的恒星数(shù)量却(què)只有银河系的(de)千分之一(yī)。

所(suǒ)以在理论上，该星系必须存在暗(àn)物质，否则就会分崩离析(xī)。但是科学家们(men)使用(yòng)最先进的(de)望(wàng)远镜(jìng)对其(qí)进行(xíng)了40个小(xiǎo)时的详细测量之后，发现星(xīng)系中的恒星(xīng)运动是(shì)可以(yǐ)用(yòng)正常的物质和(hé)力学定律来(lái)解释的。那(nà)么又有人提(tí)出(chū)，也许该星系(xì)的暗物质，已经(jīng)被附近的另一个大星(xīng)系(xì)剥离了。奇(qí)怪的是，它的(de)附近没(méi)有任何星系(xì)存在。造(zào)成(chéng)这些现象的除了暗物质的假说之外(wài)，另一种可(kě)能就是人类(lèi)对引力的理解(jiě)还(hái)不够全面，引力很可能在(zài)不(bù)同(tóng)尺度空间中的工(gōng)作方式是(shì)不同的(de)，这意(yì)味着在行星系(xì)尺度中(zhōng)的(de)天体会沿着(zhe)它们的轨道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动。但是上(shàng)升到(dào)星系(xì)和星(xīng)团(tuán)的尺度，引力之间的相(xiāng)互作用则是不(bù)同(tóng)的方式。对于在(zài)星系团之间的相(xiāng)互(hù)作用，科(kē)学家还(hái)引入了外部场效应的概(gài)念，指的是在数百万(wàn)光(guāng)年(nián)的规模上，巨大的(de)质(zhì)量(liàng)之间会产生对彼此特殊的效(xiào)果(guǒ)，这个理论叫做(zuò)碳的相对原子质量是多少，氮的相对原子质量MOND蒙德理论。如果MOND蒙(méng)德理论(lùn)成(chéng)立，这(zhè)意味着我(wǒ)们需要对现在的物(wù)理(lǐ)定律进行修(xiū)正，这些发现也让很多人认为暗物(wù)质假说(shuō)理论(lùn)就此(cǐ)终(zhōng)结(jié)。但是(shì)在宇宙当(dāng)中还有(yǒu)关于暗物质存在的其(qí)他(tā)的理论证据，这些理论证据是蒙德理论所(suǒ)没法(fǎ)解释的(de)“引(yǐn)力透(tòu)镜”。

径向距离(lí)为37亿光年的子弹星系团，由两个碰撞的星系团所组成(chéng)，类似这样的星团，它们大部分的(de)普(pǔ)通(tōng)质(zhì)量(liàng)都在星系(xì)的气体当中。当星团(tuán)以(yǐ)1000万公(gōng)里/小时发生碰撞的时候，星际气(qì)体的(de)相互(hù)作(zuò)用就会导致温度的(de)急剧升(shēng)高，速度(dù)大幅降低。所以在(zài)理论上，在碰撞之后(hòu)，子弹星系团大部分的质(zhì)量将位于所(suǒ)有这些(xiē)气体所在(zài)的(de)中(zhōng)间区域(yù)。那么(me)我们(men)通过(guò)什么(me)来验证它的质量区域到底是不是集(jí)中在中间呢？前不久，詹(zhān)姆斯韦伯太空望远镜传回了宇(yǔ)宙当中(zhōng)第一张全(quán)彩的高清照片，在照片中我们可以明显(xiǎn)地看到很多星系似乎被拉伸产(chǎn)生了巨大(dà)的(de)形变。其实(shí)这些星系本身并不是真的被扭(niǔ)曲(qū)了，也不是(shì)韦(wéi)伯(bó)望(wàng)远镜出(chū)了什么问题，而是(shì)这样极遥(yáo)远的天体(tǐ)和我们地球上的观测(cè)者之间。被一个(gè)质(zhì)量超级巨大的天体遮(zhē)挡，这个超大质量的东西的引力，会使身后更遥(yáo)远星系的光(guāng)都(dōu)发生了扭曲(qū)。这(zhè)个现象就是引力透镜(jìng)效(xiào)应(yīng)。这(zhè)个巨大的天体可能是(shì)超大(dà)质量的(de)黑洞或者是暗物质。

所以当人(rén)们对子弹(dàn)星系团观测(cè)的时候，发现它的大质量区域并不是在(zài)中间，而(ér)是在两侧。所以最好的解释方法就是当星团发生全(quán)部的碰(pèng)撞(zhuàng)时，可被观测(cè)到的(de)质量气(qì)体被卡在了(le)中间，暗物质则(zé)直接通过(guò)了(le)这个区域，并(bìng)在两(liǎng)边形成(chéng)了引力透镜。对子(zi)弹(dàn)星系团的(de)引力透(tòu)镜(jìng)研究(jiū)也被认(rèn)为是(shì)暗物质存在的迄(qì)今为止最好(hǎo)的理论证(zhèng)据。

除(chú)此(cǐ)之(zhī)外，还有来自宇宙当中最古老的光。从宇(yǔ)宙大爆炸开始(shǐ)，38万(wàn)年之后，可见光(guāng)终于可(kě)以畅通无阻地(dì)穿越在宇宙当中了。经过了130多亿年之后，这些(xiē)光在宇(yǔ)宙空(kōng)间背景上(shàng)留下了各相同(tóng)性(xìng)的微波(bō)辐射。其(qí)中(zhōng)红(hóng)色的部分表示温(wēn)度(dù)较高的区域，蓝色则表示相对较冷的区域(yù)，但(dàn)实(shí)际(jì)上它们之(zhī)间的温差只有万分(fēn)之一。

科学家们通过(guò)对前景背(bèi)景分离(lí)后(hòu)的二值图(tú)像进行连通域(yù)提(tí)取(qǔ)和标(biāo)记之后发现，如(rú)果宇(yǔ)宙当中(zhōng)没有暗物(wù)质，图形看起来不应(yīng)该(gāi)是这样的，而随(suí)着(zhe)暗物(wù)质的(de)增(zēng)加(jiā)，一些峰值的幅度会减小，才变得看起来“和谐”。为了匹配宇(yǔ)宙微波背景辐(fú)射(shè)的测(cè)量值，我(wǒ)们需要的暗物质(zhì)大约是普通物质的5倍。这(zhè)个数字与解释星系当中恒(héng)星运动(dòng)所(suǒ)需要的暗物质比例是一(yī)致的。这就(jiù)意味(wèi)着。

用了一个简单的理论框架，就很好地解释了很多不同的观测(cè)结(jié)果(guǒ)。而暗物质的本(běn)质就(jiù)是宇宙当(dāng)中存在着某种(zhǒng)类型的粒(lì)子(zi)，它们不参与任何其他的电磁作用，只通过引力来相(xiāng)互作(zuò)用。所以如果能够找到(dào)这种(zhǒng)粒子的存在(zài)，就相当(dāng)于找到了(le)暗物质存在的实际证据。这种粒子(zi)到(dào)底是(shì)什(shén)么？科学家们已(yǐ)经提出了数(shù)十种的假想(xiǎng)目标(biāo)，而要寻找这些(xiē)不(bù)同的目标粒(lì)子所需要的实(shí)验(yàn)方(fāng)式也不相同。在过去的几十年当中，人类为了寻找这些看不见、摸(mō)不到(dào)，几乎不(bù)会与常(cháng)规物质相(xiāng)互作用的“暗物质”，科学(xué)家们(men)已经进行了超过50次的(de)实验(yàn)，却(què)没有任何实质性的发(fā)现，除了一个地方，意大利的格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米处的地下矿井当(dāng)中，藏着地球上(shàng)最大的地学实验室，这个实验室叫(jiào)“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有一个三(sān)层楼高的探(tàn)测器，一直(zhí)致力(lì)于寻找暗物(wù)质粒子的周(zhōu)期性震(zhèn)荡。

自1997年以来，这里的(de)科学家声称观(guān)测到了某种信号。经过了20多年(nián)的数据收(shōu)集，人(rén)们发现了(le)一(yī)个(gè)有趣(qù)的事情(qíng)。探测率会在每年的6月份达到峰(fēng)值，然(rán)后在(zài)11月降(jiàng)到(dào)最低，而且(qiě)在20年当(dāng)中每年都是一样。一些(xiē)科学家认为这可能是人类发(fā)现暗(àn)物质的第(dì)一个(gè)直接(jiē)证据。

但是(shì)为什么暗物质会产生周期(qī)性(xìng)的年度信号呢？刚才我们讲了(le)太阳系(xì)正在(zài)以220公里(lǐ)/秒的速度(dù)围绕着银河系进行(xíng)移动，那么如果暗(àn)物(wù)质存在宇宙当中，这意味着我们也(yě)在以这(zhè)样的速度在穿越着暗物质流，这(zhè)个过(guò)程中会产生(shēng)相应(yīng)的振(zhèn)荡碳的相对原子质量是多少，氮的相对原子质量，同(tóng)时地球又以30公里/秒的速度围绕太阳(yáng)进行旋转。所以有半年的时(shí)间，地球围绕(rào)太阳的方向与太阳(yáng)环绕银河系的方向是一致的，而另外半年则与之相反。

而在6月份的时候(hòu)，地球与(yǔ)太阳(yáng)的方向(xiàng)正好(hǎo)达(dá)到完全一致，这(zhè)是理论(lùn)上地球穿(chuān)越(yuè)暗物质流(liú)最(zuì)快的时段。而在11月份，又恰好(hǎo)达到了(le)最慢(màn)值(zhí)。尽(jǐn)管在实际(jì)的(de)情(qíng)况中，太(tài)阳系(xì)相对银(yín)河系的平面呈现了60度(dù)的倾斜，但(dàn)是这并不影(yǐng)响这个理(lǐ)论(lùn)的有效(xiào)性。

因此科学家认为这可以(yǐ)用(yòng)来解释，研究人员们所观测到的(de)周(zhōu)期性(xìng)信号。当(dāng)然也可能有其他的情(qíng)况，造成(chéng)这种年(nián)度周期信号的(de)差异(yì)也可能(néng)是温度、湿度(dù)、土壤中的水分、高山(shān)上的积雪，甚至连意大利游(yóu)客(kè)的数量(liàng)也符(fú)合这个(gè)周期的规律(lǜ)。

所以，科学家们又在南(nán)半球建立了一个几乎相同的实验室，这里(lǐ)的(de)季节与之前的实验(yàn)室正(zhèng)好相反，而在(zài)这里，地球穿过暗物质流(liú)的运动特征和第一个实验(yàn)室是一样的。

因此(cǐ)，如果在(zài)这(zhè)里可以得到相同的(de)信号，就可以成为暗物质所存在(zài)的非常有力(lì)的证(zhèng)据了。但是由于这个实验室刚(gāng)刚建成不久(jiǔ)，所以截至目(mù)前(qián)还无法提供相(xiāng)应的(de)数据(jù)支持。另外(wài)，在2025年，NASA将会发(fā)射一台新(xīn)的望远镜，这台太空望远镜叫做“南希格雷斯(sī)罗曼(màn)”，它的主(zhǔ)镜大小(xiǎo)跟哈(hā)勃望远镜(jìng)相(xiāng)同，但它的宽视场仪器提(tí)供的视野(yě)是哈勃红外仪器(qì)的100倍。南希格雷斯(sī)罗曼太空望远镜其中一(yī)个关键(jiàn)的用途(tú)就(jiù)是探索暗物质(zhì)背(bèi)后的奥秘，对于探测(cè)的结果(guǒ)，我们只(zhǐ)能(néng)拭(shì)目以待(dài)了。费米实(shí)验室(shì)粒子天体物理中(zhōng)心的科学(xué)家丹琥(hǔ)珀和贾(jiǎ)森斯特芬研(yán)究发(fā)现，如果暗物质存(cún)在，它们(men)极有(yǒu)可能拥有另一种神(shén)秘的效应，这种暗(àn)物质效应，会支(zhī)持宇(yǔ)宙(zhòu)当中生命的(de)诞生(shēng)，或者(zhě)说是生命进化的一个(gè)重要(yào)因素(sù)。

如果这一(yī)理(lǐ)论得(dé)到进一步的(de)证(zhèng)实，那(nà)么遍布宇宙当中的暗(àn)物(wù)质会不会意味着人类并不孤单呢？或许在(zài)宇宙当中某个角落的(de)行星上，暗物(wù)质正在通过这样的效应创造生命。当然，这些推(tuī)论的大前(qián)提是要先找到暗物(wù)质存在的(de)实(shí)际证据(jù)。那么(me)小(xiǎo)伙伴们(men)，你们觉得暗物质到底存不存在(zài)呢？喜欢请点赞，你的(de)支持是我(wǒ)更新(xīn)的动力(lì)！

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