宇(yǔ)宙是(shì)“人为制(zhì)造(zào)”的？为何会存(cún)在科学(xué)无法解释的“暗(àn)物质”？暗物质又(yòu)究竟(jìng)是什(shén)么？人(rén)类为(wèi)了寻(xún)找暗物质存在的证据(jù)，科学家们在(zài)过去的几十年当中进行了超过50次的长(zhǎng)期实(shí)验，但(dàn)是(shì)却(què)没有发现(xiàn)任何的有(yǒu)效(xiào)证据。除(chú)了(le)一个地(dì)方，在(zài)1687年出版的自然哲学数学原理(lǐ)一书中(zhōng)，埃萨克牛(niú)顿发表了万有引力定(dìng)律(lǜ)，它揭示了(le)宇宙中天(tiān)体(tǐ)运动的规律(lǜ)。往后的几百年来，当天(tiān)文(wén)学家们发现某些天(tiān)体运行轨道出现异常，不符合万(wàn)有引力(lì)定律的时候，他们就(jiù)会知道，周围(wéi)一定有未知(zhī)的天体通过引力在摄动它的轨(guǐ)道。比如在睡午觉和不睡午觉有什么区别，为什么不爱午睡的孩子智商高1846年，奥本勒维耶(yé)就通过天(tiān)王(wáng)星运(yùn)行轨道的异常，推算并且(qiě)发现了海王(wáng)星的存在。另外，哈雷彗星、冥王星的发现都是应用万有引力定(dìng)律(lǜ)所取得重大天文成(chéng)就的例子。但是这(zhè)些发现都是(shì)在恒星系统的尺(chǐ)度当中，可当我们(men)上(shàng)升(shēng)到星系或(huò)者是星(xīng)团的尺(chǐ)度，事情就(jiù)开始变得(dé)诡(guǐ)异了(le)。

1933年，瑞(ruì)士的物理学家弗里(lǐ)茨(cí)兹威基正(zhèng)在研究和测量后发星系团的(de)质(zhì)量。这是一个由数(shù)千个星系所组成的巨(jù)大星系团，这些星系(xì)被引力束缚在一起。测量星(xīng)系团(tuán)的质量一般会使用到两种方法(fǎ)，当两种(zhǒng)方法结果(guǒ)一致，就可以确定其质量的范(fàn)围。

第一种(zhǒng)是获得其"光度学的(de)质(zhì)量"，需(xū)要的数(shù)据是测量各个星系的光度(dù)。

第二种是动力学质(zhì)量的计算，是利用光(guāng)谱红移测量星系(xì)团(tuán)中的各个(gè)星系相对于星系团的运(yùn)动(dòng)速度。当测量(liàng)结(jié)果出来之后，兹(zī)威基彻底懵了，“动力学(xué)质(zhì)量(liàng)”竟然是(shì)“光度学(xué)质量”的(de)400倍。这(zhè)意味着，后发座星(xīng)系团(tuán)有(yǒu)99%的质(zhì)量消失了，或者说这99%的质(zhì)量并不(bù)以可见光(guāng)的形(xíng)式所存(cún)在，我们无(wú)法看到。最诡(guǐ)异的是，在(zài)测量(liàng)速度的过程中(zhōng)，兹威(wēi)基发现星系团中很多星(xīng)系的速度(dù)比理(lǐ)论上要快(kuài)得多，按照牛顿的(de)运动学定律，仅靠(kào)这些可见(jiàn)星系的(de)质量(liàng)所产生的引(yǐn)力是无法将它们(men)束缚在星系(xì)团(tuán)内的，它们早(zǎo)就应该被抛出星系团之外了，除非有一种神秘的力(lì)量在起作用，这(zhè)种(zhǒng)力量来(lái)源于某种隐形的物质。

据此，兹维(wéi)基提出了这样部分不可见的暗(àn)质，它不发散光(guāng)、吸(xī)光、反射(shè)光，但是它们(men)却占(zhàn)据(jù)着宇宙中绝大部分(fēn)的质量(liàng)。只是当时的人们对这样的一种(zhǒng)说法不(bù)屑一顾。

直到40年之后(hòu)，“暗物质”这(zhè)个词才再一次出现。天(tiān)文学家维拉鲁(lǔ)宾和肯(kěn)特福特在观测仙(xiān)女(nǚ)座星系中的(de)恒星运动(dòng)。理论上来说，距离中(zhōng)心越远(yuǎn)的恒(héng)星(xīng)在(zài)其轨道上的(de)运行速度就会越(yuè)慢。但是他们观测的结果却(què)让人感(gǎn)到(dào)不(bù)可思议。

随(suí)着与中心距离的增(zēng)加，恒星(xīng)的旋(xuán)转速度几(jǐ)乎保持不变。可是根据牛(niú)顿(dùn)的万(wàn)有引力定(dìng)律，在星系当中如果没有足(zú)够(gòu)大的(de)质量来吸(xī)引它们，这些外围的恒星早就被甩到宇宙当中了。基于这种现象(xiàng)，科学(xué)家们会(huì)使用一种相对(duì)标准的方法来解释暗物质的存(cún)在，这种(zhǒng)方法就是测量星系当中气体在X轴上距(jù)离星系中心的距离，以及在(zài)Y轴上气(qì)体的旋转速度。如果出现(xiàn)异常的(de)结果，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于(yú)是科学家们通过射(shè)电望远镜测(cè)量了(le)距离(lí)星系(xì)中心更远距(jù)离的氢元素，发现它们的旋(xuán)转速度并(bìng)不符合牛(niú)顿的力学定(dìng)律(lǜ)。我们(men)的太阳系也不例外，太阳系位于银河系的第三悬臂之上(shàng)，距离银(yín)河系中心2.6万光年，根据万有引力定律进行计(jì)算(suàn)，太(tài)阳系的(de)运行速度应该是160千米/秒，但(dàn)实际上，太阳(yáng)系正在(zài)以220千(qiān)米/秒(miǎo)的速度(dù)围绕银河系旋转，这个实际速度远(yuǎn)远大于理论速度，那(nà)么产生以上这种向心加速(sù)度的原因很可(kě)能就(jiù)是存在着一种我们(men)看不(bù)到的物质，是(shì)这(zhè)些暗物质的引力效应将星系(xì)聚集在了一起。

也是从这(zhè)时开始(shǐ)，越来越(yuè)多的(de)研究人员(yuán)开始相信暗物质的(de)存(cún)在(zài)。科学家根据星系(xì)外恒星轨道的速度，估算在(zài)星系当中暗物质的质量占整(zhěng)个星系(xì)质量的85%。但是，暗物质并不是(shì)唯一(yī)可以解释(shì)这个现象的原因。在一项新的研究当中，科学(xué)家们发(fā)现，几乎没有(yǒu)引力效应的遥远恒星之间，也会出现速度上的微小差异。另外，天(tiān)文学家还发现了(le)一个反常的星(xīng)系，叫做(zuò)Agc114905。这个(gè)星系距离地球(qiú)大(dà)约2.5亿光年，大小和银(yín)河(hé)系不多，但是(shì)星(xīng)系当中存在的(de)恒(héng)星数量却只有(yǒu)银河系的千分(fēn)之(zhī)一。

所(suǒ)以在理论上，该星系必须存在暗物质，否则就(jiù)会分崩(bēng)离析。但是科学家们(men)使用最(zuì)先(xiān)进的望远(yuǎn)镜对其进行了(le)40个小时的详细测量之后，发现星系中的恒星运动是可以用正常的(de)物质和力(lì)学定律(lǜ)来(lái)解释的(de)。那么又有人提出，也许该星系的暗物质(zhì)，已经(jīng)被附近的另一(yī)个大星系剥离了(le)。奇怪的(de)是，它(tā)的附近没有任何(hé)星系(xì)存在。造成(chéng)这些(xiē)现象的除了(le)暗物质的假(jiǎ)说之外，另(lìng)一种(zhǒng)可(kě)能就是人类对(duì)引力的理解还不够全面，引力(lì)很可能在不同(tóng)尺度空间(jiān)中(zhōng)的工作方式是不同(tóng)的，这意味着在行星系尺度(dù)中的(de)天体会(huì)沿着它们的轨道，按照我们所理(lǐ)解(jiě)的方式运动(dòng)。但是(shì)上升(shēng)到(dào)星系(xì)和(hé)星团的尺度，引力之间的(de)相互作(zuò)用则是不同的方式。对于在星系(xì)团之间(jiān)的相互作用，科学家还引入了外部场效应(yīng)的(de)概念，指的是(shì)在数百万光年的规(guī)模上，巨大的质量之间会产生对彼(bǐ)此特殊(shū)的(de)效(xiào)果，这个理论(lùn)叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理(lǐ)论成立，这意(yì)味(wèi)着我们需要(yào)对现在的物(wù)理定律进行(xíng)修正，这(zhè)些(xiē)发现也让很多人认为暗物(wù)质(zhì)假说理论就此(cǐ)终结。但是在宇宙当中还有(yǒu)关(guān)于(yú)暗物质存在的其他的理(lǐ)论证据，这(zhè)些理论证据(jù)是蒙德理论(lùn)所没法(fǎ)解(jiě)释的(de)“引力(lì)透镜”。

径向(xiàng)距离为37亿光年的子弹星(xīng)系团，由两个碰撞的星(xīng)系团所组成，类似(shì)这样的星团，它们(men)大部分的普通(tōng)质量都(dōu)在(zài)星系的气体当(dāng)中。当星团以(yǐ)1000万(wàn)公(gōng)里/小时发生碰撞的时候，星(xīng)际气体的相互(hù)作用(yòng)就会导致(zhì)温度的(de)急剧升高，速度(dù)大幅(fú)降低。所以(yǐ)在理论上，在碰撞(zhuàng)之后，子(zi)弹(dàn)星系团大部分的质(zhì)量将位(wèi)于所有这些(xiē)气体所(suǒ)在的中间区域。那么我们通(tōng)过什么(me)来验证它的质量区域到底(dǐ)是不是集中(zhōng)在中间呢？前(qián)不久(jiǔ)，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了宇(yǔ)宙当(dāng)中第一张全彩的高清照片，在照片中我(wǒ)们可(kě)以明显地看到(dào)很多星系似乎被拉伸(shēn)产生了巨大的形变。其实这些星系本身并不是真(zhēn)的被(bèi)扭曲(qū)了，也不(bù)是韦伯(bó)望远镜出(chū)了什么问题，而是这样极(jí)遥远的天体(tǐ)和我们(men)地球上(shàng)的观测(cè)者之间。被(bèi)一个质量(liàng)超(chāo)级巨大的天(tiān)体遮(zhē)挡，这个(gè)超大质(zhì)量(liàng)的东(dōng)西的(de)引力，会使(shǐ)身后更遥远星系的(de)光都(dōu)发生了扭曲。这(zhè)个(gè)现象就是引力(lì)透(tòu)镜效(xiào)应。这个巨大的天体可能是超大质量(liàng)的(de)黑洞或者(zhě)是暗物质(zhì)。

所以当人(rén)们对子弹星系团观测的时(shí)候(hòu)，发现(xiàn)它的(de)大质量区域并不是在中间，而是(shì)在两(liǎng)侧。所以最好的解释方法(fǎ)就是当星团发(fā)生全部的碰撞时，可被观测到的质量气(qì)体(tǐ)被卡(kǎ)在了中(zhōng)间，暗物质则直接通(tōng)过了(le)这个(gè)区域(yù)，并(bìng)在两边(biān)形成了引力透镜。对子弹星系(xì)团(tuán)的(de)引力透镜研究也被(bèi)认为是暗物质(zhì)存在的(de)迄(qì)今为止(zhǐ)最好的理论证据。

除此(cǐ)之外，还有来自宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)最古老的光。从宇宙(zhòu)大爆(bào)炸开始，38万(wàn)年(nián)之后，可见(jiàn)光终(zhōng)于可以畅通无阻地穿(chuān)越在宇宙当中了。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙空间背景上留下了各相(xiāng)同性的微(wēi)波辐(fú)射。其中(zhōng)红色(sè)的部分表示温度较高的区域(yù)，蓝色则表示相对较冷(lěng)的区域，但(dàn)实际上它们之间的温差只有(yǒu)万分之一。

科学家们通过(guò)对(duì)前景背景分离(lí)后的二值图(tú)像进行连(lián)通域提取(qǔ)和(hé)标记之后(hòu)发现，如果(guǒ)宇宙(zhòu)当中没有暗(àn)物质(zhì)，图形(xíng)看起来不应该是这样的，而随(suí)着(zhe)暗物质的增(zēng)加，一(yī)些峰值的幅度会减小，才变得看(kàn)起(qǐ)来(lái)“和谐”。为了(le)匹配宇宙微(wēi)波背景辐(fú)射的测量值，我们(men)需要的暗物质大约是普通物质(zhì)的5倍。这(zhè)个数字与解(jiě)释星系当中恒星运动(dòng)所需要的暗(àn)物质比例是一致的。这就(jiù)意味着。

用了一(yī)个简单(dān)的理论框架，就很好(hǎo)地解释了很多不同(tóng)的观测结(jié)果。而暗物质的本(běn)质就(jiù)是宇宙当中存在着某(mǒu)种类型的粒子，它们不参与任何其(qí)他的电磁作用，只通过引(yǐn)力(lì)来相互作用。所(suǒ)以如果能(néng)够找到这种(zhǒng)粒子的(de)存在，就相当(dāng)于找到了暗物质存在的实际(jì)证据。这种粒子到底是什么？科学(xué)家们已(yǐ)经提出(chū)了数十种的(de)假想目标(biāo)，而要寻找这些不同(tóng)的目标粒子所(suǒ)需要(yào)的实验(yàn)方式(shì)也不相同。在过去(qù)的几(jǐ)十年当中(zhōng)，人类为了寻找这些看不见、摸不到，几乎不会与常规物质相互作用的“暗物质(zhì)”，科(kē)学家们(men)已经进行了超(chāo)过50次(cì)的(de)实验，却没有任何(hé)实质性(xìng)的(de)发(fā)现，除了一个地方(fāng)，意(yì)大利的格兰萨索(suǒ)山，隶属(shǔ)于阿尔卑斯山脉。

在山下1400米睡午觉和不睡午觉有什么区别，为什么不爱午睡的孩子智商高处的(de)地下矿井当(dāng)中(zhōng)，藏着地球(qiú)上最(zuì)大的地学实(shí)验(yàn)室，这个(gè)实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一个(gè)三层楼(lóu)高的探测器，一直(zhí)致力于(yú)寻找暗物(wù)质粒子的周期性震荡(dàng)。

自1997年(nián)以来(lái)，这里的(de)科学家声称观测(cè)到了某种信(xìn)号。经(jīng)过(guò)了20多年的数据收集，人们发现了一个有(yǒu)趣的事情。探测(cè)率会在每年的6月份达到峰值(zhí)，然后在11月降(jiàng)到最低，而且在20年当中每年都是(shì)一样。一些(xiē)科(kē)学家(jiā)认(rèn)为这可能是(shì)人类发(fā)现暗(àn)物质的(de)第一个(gè)直(zhí)接证据(jù)。

但是为什(shén)么暗物质会产(chǎn)生周期性的年度信号呢(ne)？刚(gāng)才我们讲了太阳(yáng)系正在以220公里/秒(miǎo)的速度围(wéi)绕着(zhe)银河系进行移动，那么如果暗物质(zhì)存在宇宙当中，这意味(wèi)着(zhe)我(wǒ)们也(yě)在以(yǐ)这样的(de)速度在(zài)穿越着暗物(wù)质流，这(zhè)个过(guò)程中会(huì)产生(shēng)相(xiāng)应的振荡，同时(shí)地(dì)球又以30公里/秒的速(sù)度围绕太阳进(jìn)行旋转。所以有(yǒu)半年的时间，地球围绕太(tài)阳的方向(xiàng)与太阳环(huán)绕银河系的方向是一致的，而另(lìng)外半年则与之相反。

而在6月份的(de)时候，地球与太阳的方向正好达到完全一致(zhì)，这是(shì)理论上地球穿(chuān)越(yuè)暗物质流最快的时段。而在11月份，又恰好达到(dào)了最慢(màn)值。尽管在实际的(de)情况中，太阳系相对银河系(xì)的平面呈现了60度(dù)的倾斜，但是这并不影(yǐng)响这个理论的有效性(xìng)。

因此(cǐ)科学家认为(wèi)这可以用来解释，研(yán)究人员们所观测(cè)到的周期(qī)性信号(hào)。当然也(yě)可(kě)能有其他的情(qíng)况，造成这种(zhǒng)年度(dù)周期信(xìn)号的差异也可能是温度、湿度、土壤中的(de)水分、高山上的积(jī)雪(xuě)，甚(shèn)至连意大利游客的数量也符合这个周期的(de)规律。

所以，科学家们又(yòu)在(zài)南半(bàn)球(qiú)建立了一个几乎(hū)相同(tóng)的实(shí)验(yàn)室，这里(lǐ)的季节与之前(qián)的实验室正好相反，而在这(zhè)里，地球穿过暗(àn)物质流(liú)的运动(dòng)特征和第一个实验室是一样的。

因此，如果(guǒ)在这(zhè)里可以得到(dào)相同的信号，就可(kě)以成为暗(àn)物(wù)质所存(cún)在的非常(cháng)有(yǒu)力(lì)的(de)证据了。但是由(yóu)于(yú)这(zhè)个(gè)实验室刚刚建成不久，所以截至目前还无(wú)法提供相(xiāng)应的数据支持。另外，在2025年(nián)，NASA将会发射一台新(xīn)的望远镜，这台(tái)太空望(wàng)远镜叫做“南(nán)希(xī)格(gé)雷斯罗曼”，它的主镜(jìng)大小跟哈勃望(wàng)远(yuǎn)镜(jìng)相同，但它(tā)的宽视(shì)场(chǎng)仪器(qì)提供的(de)视野是哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太空(kōng)望远镜其中一个(gè)关键(jiàn)的用(yòng)途就(jiù)是(shì)探索暗物质背后的(de)奥(ào)秘，对于探测的结(jié)果，我们只(zhǐ)能(néng)拭目以待了。费(fèi)米实验室粒子天体物(wù)理(lǐ)中心(xīn)的科学(xué)家丹(dān)琥珀(pò)和(hé)贾森(sēn)斯(sī)特芬研(yán)究发现(xiàn)，如果(guǒ)暗(àn)物质存在，它们极有可能拥有另(lìng)一(yī)种神秘的(de)效应，这(zhè)种(zhǒng)暗(àn)物质效应，会支持宇(yǔ)宙当中生命的(de)诞生，或者说是生命(mìng)进化的一个重要因素。

如(rú)果这一理论得到进一步的证(zhèng)实，那么遍布(bù)宇宙当(dāng)中的暗物质会不会意(yì)味着人类(lèi)并不孤单呢？或许(xǔ)在宇宙当中(zhōng)某个角落的行星上，暗物质(zhì)正(zhèng)在通过这样(yàng)的效应创造(zào)生命(mìng)。当然(rán)，这些推论的大(dà)前提是要先找到(dào)暗物质存在的实际证据。那么小伙(huǒ)伴们，你们(men)觉(jué)得(dé)暗(àn)物(wù)质到底存不(bù)存在呢？喜欢请点赞(zàn)，你的支(zhī)持是(shì)我更新(xīn)的(de)动力(lì)！

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