宇宙是“人为(wèi)制造”的？为何(hé)会存在(zài)科学(xué)无(wú)法解释的“暗物质”？暗(àn)物质又(yòu)究竟是什么？人类为了寻找暗物质存在的证据，科学家们在(zài)过去的几(jǐ)十年当中进行(xíng)了超过50次的长期实验(yàn)，但是却没有(yǒu)发现任何的有(yǒu)效证据。除了一个地方，在1687年出(chū)版的(de)自(zì)然哲学数学原(yuán)理一书中，埃萨克牛顿发表了万有引力定律(lǜ)，它揭示了宇宙中天(tiān)体运动的(de)规律。往后的几百(bǎi)年来，当天文学家们发现某些天体运(yùn)行轨道出(chū)现异常，不(bù)符(fú)合万有引(yǐn)力定律(lǜ)的时(shí)候(hòu)，他们就(jiù)会(huì)知道，周(zhōu)围(wéi)一(yī)定(dìng)有未知的天(tiān)体(tǐ)通过引力在摄动它的轨道。比如在1846年，奥本勒维耶(yé)就(jiù)通过(guò)天王(wáng)星运行轨道的异常，推(tuī)算并且发现了海王星(xīng)的(de)存在。另外，哈雷彗星、冥王星的发现都是应用(yòng)万有(yǒu)引(yǐn)力定律(lǜ)所取得重(zhòng)大天(ti非练实不食的练实是什么意思，练实指的是什么ān)文成就(jiù)的例子(zi)。但是(shì)这些发现(xiàn)都(dōu)是在(zài)恒星系(xì)统的尺度当中(zhōng)，可当(dāng)我们(men)上(shàng)升(shēng)到星系或者是星团的尺度，事(shì)情就(jiù)开始变得诡异了。

1933年，瑞(ruì)士(shì)的物理学家弗(fú)里茨(cí)兹威基正(zhèng)在研究和测量(liàng)后发星系(xì)团的(de)质量。这是(shì)一个(gè)由数千个(gè)星系所组成的(de)巨大星系(xì)团，这些星系被引力束缚在一起。测量星系团的质(zhì)量一般会使用到两种方法，当两种方法结果一致(zhì)，就可以确定其质(zhì)量的范(fàn)围。

第一种(zhǒng)是获(huò)得其"光度学(xué)的质量(liàng)"，需要的数据是(shì)测(cè)量各(gè)个(gè)星系(xì)的光度。

第二种(zhǒng)是动力学质量的计算，是利用光谱红移测量星(xīng)系(xì)团中(zhōng)的各个星系相(xiāng)对(duì)于(yú)星系团的运动(dòng)速度。当(dāng)测量结(jié)果出来(lái)之后(hòu)，兹(zī)威基彻底懵了，“动力学质(zhì)量”竟然是“光(guāng)度学质(zhì)量”的400倍。这意味着，后(hòu)发(fā)座星系团有99%的质量消失了(le)，或者说这99%的质量并不以(yǐ)可见光的形式所存在，我(wǒ)们无法看(kàn)到(dào)。最(zuì)诡(guǐ)异的是，在测(cè)量(liàng)速度的过(guò)程中，兹威基发现星系团中很多星(xīng)系的(de)速度比理论上要(yào)快得(dé)多，按照牛(niú)顿的运(yùn)动学定律，仅靠这些可见(jiàn)星(xīng)系的质量所(suǒ)产生的引力是无法将它们束缚在星系团内的，它们早就(jiù)应该被抛出星系团之外了，除非有一种神秘的力量在起(qǐ)作用，这种(zhǒng)力量(liàng)来源于(yú)某种隐形的物质。

据此，兹维基提出了这样部分不可见(jiàn)的暗质(zhì)，它不发散光(guāng)、吸光、反射光，但(dàn)是它们却(què)占据着宇(yǔ)宙中绝大部分的质量。只(zhǐ)是当(dāng)时的人们对(duì)这样(yàng)的(de)一种(zhǒng)说(shuō)法(fǎ)不屑一顾。

直到40年之后，“暗物质”这个(gè)词才再一次出现。天(tiān)文学家维拉鲁宾(bīn)和肯(kěn)特福(fú)特在(zài)观测仙女(nǚ)座(zuò)星(xīng)系(xì)中的恒(héng)星运(yùn)动。理论上来说，距离中心越远的恒(héng)星在(zài)其轨道上的运行速度就(jiù)会越慢。但(dàn)是他(tā)们观测的结果(guǒ)却让人感到不可思议。

随着与中心距离(lí)的增(zēng)加，恒星的旋转速(sù)度(dù)几乎保(bǎo)持不变。可是根据牛顿的(de)万有引力定律(lǜ)，在星系当(dāng)中如(rú)果没(méi)有(yǒu)足(zú)够(gòu)大的(de)质量来吸引它(tā)们，这些外围(wéi)的恒星早就被甩到(dào)宇宙当中(zhōng)了。基于这种(zhǒng)现象，科学家们会使用(yòng)一(yī)种相对标准(zhǔn)的方法来解(jiě)释暗物(wù)质的(de)存在(zài)，这种(zhǒng)方法(fǎ)就是测量星系当中气体在X轴上距(jù)离星系中心的距(jù)离，以及在Y轴(zhóu)上(shàng)气(qì)体(tǐ)的旋转速(sù)度。如果出现异(yì)常(cháng)的结果，就认为是由暗物(wù)质的力量进入其中。

于是科(kē)学家们通过射(shè)电(diàn)望远镜测量了距离星系(xì)中心(xīn)更(gèng)远距(jù)离的氢元素，发现它们的旋转(zhuǎn)速(sù)度并不符合牛顿的(de)力学定律。我们的太阳系也不例(lì)外，太阳系(xì)位(wèi)于银河系的第三悬(xuán)臂(bì)之上，距离银河系中心2.6万光年(nián)，根据万(wàn)有引力定律进(jìn)行计(jì)算，太阳系的运(yùn)行速度应该是160千(qiān)米/秒(miǎo)，但实际上(shàng)，太阳系正在以(yǐ)220千(qiān)米(mǐ)/秒的速度(dù)围绕银河(hé)系旋转，这个实际速度远远大于理论速度(dù)，那么产生以上(shàng)这(zhè)种向心加速度的原(yuán)因(yīn)很可能就(jiù)是存在(zài)着一(yī)种我们(men)看不到的(de)物质，是这些暗(àn)物质的引力效应将(jiāng)星系聚(jù)集在(zài)了一起。

也是从这时开始(shǐ)，越来越多的研究人员(yuán)开始(shǐ)相(xiāng)信暗物质的存在。科学家根据星系外恒星(xīng)轨道(dào)的速度(dù)，估算在星(xīng)系当中暗物(wù)质的(de)质量占(zhàn)整个星(xīng)系质(zhì)量的85%。但是，暗物质并不是(shì)唯一可以解释这个现(xiàn)象的原因。在一(yī)项新的研究当中，科(kē)学家们发(fā)现，几乎(hū)没有引力效(xiào)应的遥远恒(héng)星(xīng)之间，也会出现(xiàn)速度上的微小差异。另外(wài)，天文学家还发现了一(yī)个(gè)反(fǎn)常的星系，叫做Agc114905。这(zhè)个(gè)星系距离地球大约2.5亿光年，大小和(hé)银河系不多，但是星系当中存在的(de)恒星(xīng)数量却(què)只(zhǐ)有银(yín)河(hé)系的千分之一。

所以在理论上，该星系必须存(cún)在暗(àn)物质，否则就会分崩离析(xī)。但是科学家们使用最先进的望(wàng)远镜对其进(jìn)行了40个小时的详(xiáng)细(xì)测量之(zhī)后，发现星系中的恒(héng)星(xīng)运动是可以用正常的物质和力学定(dìng)律(lǜ)来解(jiě)释的。那么又有(yǒu)人提(tí)出，也许该星系的暗物质，已经被附近的另一个大星系(xì)剥离了。奇怪(guài)的是，它的(de)附(fù)近没有任何星系存(cún)在(zài)。造(zào)成(chéng)这(zhè)些现象的除了暗物质(zhì)的假(jiǎ)说之外，另一(yī)种可(kě)能就(jiù)是人(rén)类对引力的理(lǐ)解还不够全面，引力很可能在(zài)不同尺度空间中的工作(zuò)方式是不(bù)同的，这(zhè)意(yì)味着(zhe)在行星系尺度中的天体(tǐ)会沿着(zhe)它们的轨道，按照我们所理解的方式运动。但是上升到星系和星(xīng)团的尺度，引力之间的相互作用则是不(bù)同(tóng)的方式。对于在星系团(tuán)之间的相互作用，科学家还引入了(le)外部场(chǎng)效应的概念(niàn)，指的(de)是在数百万光(guāng)年(nián)的规(guī)模上，巨大(dà)的质量(liàng)之间会产生(shēng)对(duì)彼此(cǐ)特殊的效(xiào)果，这个理论叫做MOND蒙德理论。如果MOND蒙德理论成(chéng)立，这(zhè)意味着我(wǒ)们需要(yào)对(duì)现在的物理(lǐ)定律进行修正，这些发现(xiàn)也让(ràng)很多人认为暗物质假说理论就(jiù)此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还有关于暗物质存在的其他的理论证据，这些(xiē)理论证(zhèng)据是蒙德理论所没法解(jiě)释的“引力透镜”。

径向距离为37亿光年的子弹星系团，由两个(gè)碰撞(zhuàng)的星(xīng)系团(tuán)所(suǒ)组(zǔ)成(chéng)，类(lèi)似这样(yàng)的星团，它(tā)们大部分的普通质量都在星系的气体当中。当(dāng)星团(tuán)以1000万公里/小时发生碰撞的时(shí)候，星际气体的相互作(zuò)用(yòng)就会(huì)导致温(wēn)度的急剧(jù)升高，速度大幅(fú)降低。所以在理论上，在碰(pèng)撞之后，子(zi)弹(dàn)星系(xì)团(tuán)大部分(fēn)的质量将位(wèi)于所有这些(xiē)气体所在的中间(jiān)区域。那么我们(men)通过(guò)什么来(lái)验(yàn)证它的质量区域(yù)到底是不(bù)是集中(zhōng)在中间呢？前(qián)不久，詹姆斯韦(wéi)伯太空望远镜传回了宇宙(zhòu)当(dāng)中第一张全彩(cǎi)的高清照(zhào)片，在照片中我(wǒ)们可以明(míng)显地看到很多星系似乎被(bèi)拉(lā)伸产(chǎn)生了巨(jù)大的形(xíng)变(biàn)。其非练实不食的练实是什么意思，练实指的是什么(qí)实这些星(xīng)系本身(shēn)并不是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦伯望远镜出(chū)了什么(me)问题，而(ér)是这样极遥(yáo)远(yuǎn)的天体和我们地球(qiú)上的观测(cè)者之间。被一个质量超级(jí)巨(jù)大的(de)天体遮挡，这个超大质量的东西的引力，会使身(shēn)后更遥远星系(xì)的光都发生了扭曲。这(zhè)个(gè)现(xiàn)象就是引(yǐn)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(zhě)是(shì)暗物质。

所(suǒ)以当人们对子(zi)弹星系团(tuán)观测的时候，发(fā)现它的大质(zhì)量区域并不是在中(zhōng)间，而(ér)是在两(liǎng)侧(cè)。所以最好的解释方(fāng)法就是当星团发(fā)生全部的碰撞时，可被观测到的质(zhì)量气体被卡在了(le)中间，暗物质则直接通(tōng)过了这个(gè)区域，并在两边形成了引力透(tòu)镜。对(duì)子弹(dàn)星(xīng)系团的引力透镜(jìng)研究也被认为(wèi)是暗(àn)物质(zhì)存在的(de)迄今为止最好(hǎo)的理(lǐ)论证据(jù)。

除此之外(wài)，还有来自宇宙当(dāng)中最(zuì)古老(lǎo)的(de)光。从宇宙大爆炸开始，38万年之(zhī)后，可见光终于可以畅通无阻地穿越在宇宙当中了。经过了130多亿年之(zhī)后(hòu)，这些光在(zài)宇宙(zhòu)空间背(bèi)景上留(liú)下了(le)各相同性的(de)微波辐射(shè)。其中红色的(de)部分表示温(wēn)度较(jiào)高的区域，蓝色(sè)则(zé)表示相对较冷的区域(yù)，但实际上它们之(zhī)间的(de)温差(chà)只有万分之一。

科学家们通过对前景背景分离后(hòu)的二值图(tú)像进行连通(tōng)域(yù)提取(qǔ)和标记之后发现(xiàn)，如果宇宙当中没(méi)有(yǒu)暗物质，图形看起来不应该是这样的，而随着暗物质(zhì)的增加，一些峰(fēng)值的(de)幅度会减小，才变得看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背景辐射的测量值，我们(men)需要(yào)的暗物质大约是(shì)普通物质(zhì)的5倍。这个数字与(yǔ)解释星(xīng)系当(dāng)中恒星运动所需要的暗物(wù)质比例是一致的。这就(jiù)意味(wèi)着。

用了(le)一个简单的理论框(kuāng)架，就很好地(dì)解释了(le)很多(duō)不(bù)同的观(guān)测结果(guǒ)。而暗物质的(de)本质就是宇宙当中(zhōng)存在着某种类型的粒子，它们(men)不参与任何其他(tā)的电(diàn)磁(cí)作用，只(zhǐ)通过引力来(lái)相互作(zuò)用(yòng)。所以如果能(néng)够找到(dào)这种粒子的(de)存在，就相当于找到了暗(àn)物质存在的实际证据。这(zhè)种粒子到底(dǐ)是(shì)什么？科学家们已经提出了(le)数十种的(de)假想目标，而要寻找这些(xiē)不同的(de)目(mù)标粒子(zi)所需要的实验方(fāng)式(shì)也不相同。在过(guò)去的几十年(nián)当中(zhōng)，人(rén)类为了寻找这(zhè)些看不见(jiàn)、摸不到，几乎(hū)不会与常规物(wù)质相互作用(yòng)的“暗物质”，科学家们(men)已经进行了超过50次的实验，却没有任何实质性(xìng)的发现，除了一个(gè)地(dì)方(fāng)，意大(dà)利的格兰萨索山，隶(lì)属于阿尔卑斯山脉。

在(zài)山下(xià)1400米处的地下矿井当中，藏着地球上最大的地学实验(yàn)室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有(yǒu)一(yī)个三层楼高(gāo)的探(tàn)测(cè)器，一直致力(lì)于寻找(zhǎo)暗物质粒子的(de)周期性震荡。

自1997年(nián)以来，这里的科学家声称观测(cè)到了某种信号。经过了(le)20多年的数据收(shōu)集(jí)，人们发现(xiàn)了一个(gè)有趣(qù)的事情(qíng)。探测率会(huì)在每年(nián)的6月份(fèn)达到(dào)峰值，然后在11月降到最低，而(ér)且在20年(nián)当(dāng)中每(měi)年都是一样。一(yī)些(xiē)科(kē)学(xué)家认(rèn)为这可能是人类发(fā)现暗物质(zhì)的第一个直接证据。

但是为(wèi)什么(me)暗物质会产生周期(qī)性的年(nián)度信号呢？刚才我们(men)讲了太(tài)阳系正在以(yǐ)220公里/秒的速(sù)度围绕着银河系(xì)进行移(yí)动，那么如果暗物(wù)质存在宇宙当中(zhōng)，这意味着我(wǒ)们(men)也在以这样的速度在(zài)穿越着暗物质流，这个过程中会产(chǎn)生相应的(de)振荡，同(tóng)时地球又(yòu)以30公里(lǐ)/秒的(de)速度围绕太阳进行旋转。所(suǒ)以有半年(nián)的时间，地球围绕太阳的方向与太(tài)阳环绕银河系的方(fāng)向是一致的，而(ér)另外半年(nián)则与(yǔ)之相反。

而在6月份的时候(hòu)，地球与太阳的(de)方向正好达到完全一致，这是理论(lùn)上地球穿越暗物质流最快的时段。而(ér)在11月份，又(yòu)恰好达到了最(zuì)慢值。尽管在实际的(de)情(qíng)况中，太(tài)阳(yáng)系相(xiāng)对银河(hé)系的平面呈(chéng)现了60度的倾斜，但是这并(bìng)不影响这个理论的有效性。

因此科学家认为这(zhè)可以用来(lái)解释，研究人(rén)员们(men)所(suǒ)观测到的周期性信号。当然也可能有(yǒu)其(qí)他(tā)的(de)情况，造(zào)成这(zhè)种(zhǒng)年度周期信号的差异也可能是温度(dù)、湿度(dù)、土(tǔ)壤中的水分、高山上的(de)积雪，甚至连意大(dà)利游客的数量也符合这个周期(qī)的规律(lǜ)。

所以，科学家们又在南(nán)半(bàn)球(qiú)建立了一个几乎相(xiāng)同(tóng)的(de)实验室，这里的季(jì)节与(yǔ)之(zhī)前(qián非练实不食的练实是什么意思，练实指的是什么)的实验室正好相反(fǎn)，而在(zài)这里(lǐ)，地球穿过暗物质流的(de)运动特征和第一个实验(yàn)室是一样的(de)。

因此，如果在(zài)这里可以得(dé)到相同(tóng)的(de)信号，就(jiù)可以(yǐ)成为暗物质所存在的非常有(yǒu)力(lì)的证据了。但是由于(yú)这个实验室刚刚建成不(bù)久(jiǔ)，所以(yǐ)截至目前还无法提供相应(yīng)的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发射一台新(xīn)的望远镜，这(zhè)台太空(kōng)望远(yuǎn)镜叫做“南希(xī)格(gé)雷斯罗曼(màn)”，它(tā)的主镜大小跟哈勃望远镜相(xiāng)同，但它的宽(kuān)视(shì)场仪(yí)器提供(gōng)的视(shì)野是(shì)哈勃红外仪器的100倍。南希格雷(léi)斯罗曼太空望远镜其中一个关(guān)键的用途(tú)就是探(tàn)索暗物(wù)质(zhì)背后的奥(ào)秘，对于探测的结果(guǒ)，我们(men)只能拭目以待了(le)。费米实(shí)验室粒子天体(tǐ)物(wù)理中(zhōng)心(xīn)的科学(xué)家丹琥珀(pò)和贾森(sēn)斯特芬(fēn)研究发现，如(rú)果(guǒ)暗物质(zhì)存在，它(tā)们极有可能拥有另一种神(shén)秘的效应，这种暗物(wù)质效应，会(huì)支持宇(yǔ)宙当中生命的诞生，或者(zhě)说是(shì)生(shēng)命进化(huà)的(de)一个重要因素。

如果这一理论(lùn)得到进一步的证(zhèng)实，那么遍布(bù)宇宙(zhòu)当中(zhōng)的暗物质会不会意味着人类(lèi)并不孤单呢？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)这样的(de)效应创造(zào)生命。当(dāng)然，这些推论的(de)大前提是(shì)要先找到暗物质存在的实际证据。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉得暗(àn)物质到底存不存在呢？喜(xǐ)欢请(qǐng)点赞(zàn)，你的(de)支(zhī)持(chí)是(shì)我更新的动(dòng)力！

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