宇宙是“人为制造”的？为何会存在科学(xué)无法解(jiě)释的(de)“暗物质”？暗物(wù)质又究竟是(shì)什么？人类为了寻找暗物质存在的(de)证据，科学家们在(zài)过去的几十年当中进(jìn)行了(le)超过50次的(de)长期实验，但是却没有发(fā)现任何(hé)的有效证(zhèng)据(jù)。除了一(yī)个地方，在1687年(nián)出(chū)版的(de)自(zì)然哲学数学原理一书中，埃萨克(kè)牛顿(dùn)发表了万有引(yǐn)力定律，它(tā)揭(jiē)示(shì)了(le)宇宙中天体运动的规律。往(wǎng)后的(de)几百(bǎi)年来，当天文学家们发现某些天体运行轨道(dào)出现(xiàn)异常，不(bù)符合万有引力定(dìng)律的(de)时(shí)候，他们就会知道，周围(wéi)一定有未知的天(tiān)体通过引(yǐn)力在(zài)摄动它的(de)轨道。比如在(zài)1846年，奥本勒(lēi)维耶就通过天王星运行轨道的异(yì)常，推(tuī)算并(bìng)且发现(xiàn)了海王星的存在。另外，哈(hā)雷(léi)彗星、冥王(wáng)星的发现都是应(yīng)用(yòng)万有(yǒu)引力定律所取得重大(dà)天文成就(jiù)的例子(zi)。但是这些发现都是在(zài)恒星系统的尺度(dù)当中，可当(dāng)我们上升到星系或者是星团的尺度，事情(qíng)就开始变得诡异了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨(cí)兹威基正在研究(jiū)和测(cè)量后发星系团的质量(liàng)。这(zhè)是(shì)一个由(yóu)数千个星系所组(zǔ)成的巨大星系(xì)团(tuán)，这(zhè)些星系(xì)被(bèi)引力束缚(fù)在一起。测量星系(xì)团的(de)质(zhì)量一般会使用到两种方(fāng)法，当两种(zhǒng)方法结果(guǒ)一致(zhì)，就可(kě)以(yǐ)确定其质量的(de)范围。

第一种是获得其"光度学的质量"，需要的数据(jù)是测量各个星系的光度(dù)。

第二种是动力学(xué)质(zhì)量(liàng)的计算，是利用光谱(pǔ)红移测(cè)量星系团中的各个星系相对(duì)于(yú)星系(xì)团的运(yùn)动速(sù)度(dù)。当测量结果出来(lái)之后，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力学质量”竟然是“光(guāng)度(dù)学(xué)质量”的400倍。这意味(wèi)着，后发座星(xīng)系团有99%的质量消失(shī)了(le)，或者(zhě)说这99%的质量并不以可见光(guāng)的形式所(suǒ)存(cún)在(zài)，我们无法看(kàn)到。最(zuì)诡异的是(shì)，在测(cè)量速度的过(guò)程中，兹威基(jī)发现星系团中很多(duō)星系(xì)的速度(dù)比(bǐ)理论(lùn)上要快(kuài)得(dé)多，按照牛顿的运动学定(dìng)律，仅靠这些可见(jiàn)星系(xì)的质量所产生的引力是(shì)无法将它们束缚在星系(xì)团(tuán)内的，它们早就应该被抛出星系团(tuán)之外了，除非有一种(zhǒng)神秘的力量在起作用，这种力量来源于某种隐形的物质。

据此(cǐ)，兹维(wéi)基提(tí)出了这样(yàng)部分不可(kě)见的暗质，它不发散光(guāng)、吸光、反射光，但(dàn)是它(tā)们(men)却(què)占据着宇宙中绝大(dà)部分的质量。只是当时(shí)的人们对(duì)这样的一种(zhǒng)说法不屑(xiè)一顾(gù)。

直到40年(nián)之后，“暗物质(zhì)”这个词才(cái)元电荷e等于多少？再(zài)一次出现。天文学家维(wéi)拉鲁(lǔ)宾和肯特福特在(zài)观测仙女座星系(xì)中(zhōng)的恒星运动。理论(lùn)上来说，距离中心越远的恒星在其轨道(dào)上的运行速(sù)度就会(huì)越(yuè)慢。但是(shì)他们观测的结果却让(ràng)人感到不可思议。

随着与中心距(jù)离的增加，恒星的旋转(zhuǎn)速度几乎保持不变(biàn)。可是根据牛顿(dùn)的万有引力(lì)定律，在星系当中如果没有(yǒu)足够大(dà)的质量来吸引它们，这些外围(wéi)的恒星(xīng)早就被(bèi)甩到宇宙当(dāng)中了。基于这种现象，科(kē)学家们会使用一种相对标准的方法来解(jiě)释暗(àn)物质(zhì)的存在，这种方法就是测量星系当中气体(tǐ)在X轴上距离星系中心的(de)距离，以(yǐ)及在(zài)Y轴上气(qì)体的(de)旋(xuán)转速度。如(rú)果出现异常(cháng)的结果(guǒ)，就认(rèn)为(wèi)是由暗物质的力量进入其中。

于是科学家们(men)通过射电(diàn)望远镜测量了距离星系(xì)中心更远距离(lí)的氢元素，发现(xiàn)它们的旋转速度并不符合(hé)牛顿的力学定律。我们的太阳系(xì)也(yě)不例外，太阳(yáng)系位于银河系的第(dì)三悬臂之(zhī)上，距(jù)离银河系(xì)中(zhōng)心(xīn)2.6万光年，根(gēn)据万(wàn)有(yǒu)引力定律进(jìn)行计算，太阳系的运(yùn)行(xíng)速(sù)度应该是160千米/秒，但(dàn)实际上，太阳系正在以220千米/秒(miǎo)的速度围绕银河系旋转，这(zhè)个实际速度远远大于(yú)理论速度，那么产生以上这种向心加速度的原(yuán)因很可能就(jiù)是存在着一(yī)种我们看不到的物质，是这些暗物(wù)质的引力(lì)效(xiào)应(yīng)将星(xīng)系聚集(jí)在(zài)了一起。

也是(shì)从这时开始，越来越(yuè)多的研究人员开始相信暗(àn)物质的存在。科学家根据星系(xì)外恒星轨(guǐ)道的速度，估(gū)算在星(xīng)系当中暗物质(zhì)的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物(wù)质并不是(shì)唯一可以解释这个现(xiàn)象的原因。在一项(xiàng)新的研究当中，科学家们发现，几(jǐ)乎没(méi)有引力效(xiào)应的遥远恒星之(zhī)间(jiān)，也会出现(xiàn)速度上(shàng)的微小差异。另外，天文(wén)学家还发(fā)现(xiàn)了(le)一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系距离地球(qiú)大(dà)约(yuē)2.5亿光(guāng)年，大小和银河系不(bù)多，但(dàn)是星系(xì)当中存在的恒星(xīng)数(shù)量却只有银河系的千分(fēn)之(zhī)一。

所以在理论上，该星系必(bì)须(xū)存在暗物质，否则就会分崩离析。但是(shì)科学家们使用(yòng)最(zuì)先进的望远镜对其进行了40个小(xiǎo)时的详细测量之后，发现(xiàn)星系中(zhōng)的(de)恒星运动是可(kě)以(yǐ)用正常的物质(zhì)和力学定律来解释的。那(nà)么又有(yǒu)人提出(chū)，也许该(gāi)星系的暗(àn)物质，已经(jīng)被附(fù)近的另一个大星系剥离了。奇怪的是，它的(de)附(fù)近没有任何星系(xì)存在。造成这些现(xiàn)象的除了暗物(wù)质(zhì)的(de)假说之(zhī)外，另一种(zhǒng)可(kě)能就是人类对引力的理(lǐ)解还(hái)不够全面，引力很可(kě)能在不(bù)同尺度空(kōng)间中的工作方式(shì)是(shì)不同的(de)，这意味(wèi)着(zhe)在行星系尺度中(zhōng)的(de)天体会(huì)沿着它们的轨(guǐ)道，按照我们所理解的方式运动。但是上升到星(xīng)系和星团的尺度，引力之间的相(xiāng)互作用则是(shì)不同的方(fāng)式。对(duì)于(yú)在星系(xì)团(tuán)之间的相互作用，科学(xué)家还(hái)引入了(le)外(wài)部场(chǎng)效应的概(gài)念(niàn)，指(zhǐ)的是在数百万光年(nián)的规模上(shàng)，巨大(dà)的质量之间会产生对彼(bǐ)此特(tè)殊(shū)的效果，这个(gè)理论叫(jiào)做MOND蒙德理论。如(rú)果MOND蒙德理论成立，这意味着我(wǒ)们(men)需要对现在的物理定律进行(xíng)修(xiū)正，这些发(fā)现也让很多人认为暗(àn)物质假说理论(lùn)就此终结。但(dàn)是在宇宙当中还有关于暗物质(zhì)存在的(de)其他的理论证据，这些理论证据是蒙(méng)德理论所没法(fǎ)解释(shì)的“引(yǐn)力透(tòu)镜”。

径向距离为37亿光年的子弹(dàn)星(xīng)系团，由(yóu)两个碰撞的星系(xì)团所组成，类似(shì)这(zhè)样的星(xīng)团(tuán)，它(tā)们大部分的普通质量都在星系(xì)的(de)气体当中(zhōng)。当星团以1000万公里/小时发生碰撞(zhuàng)的时候，星际(jì)气体的(de)相互作用就(元电荷e等于多少？jiù)会导致温(wēn)度(dù)的急剧升高，速(sù)度大幅降低。所(suǒ)以在理论(lùn)上，在碰撞之后，子弹星系团(tuán)大部分的质(zhì)量(liàng)将位于所(suǒ)有这些(xiē)气体所在的中间(jiān)区域。那(nà)么我(wǒ)们通过(guò)什么(me)来(lái)验证(zhèng)它的质(zhì)量区域(yù)到底是不是集中在中(zhōng)间呢？前(qián)不久，詹姆斯韦伯太空望(wàng)远镜(jìng)传回(huí)了宇宙当中第一张(zhāng)全彩(cǎi)的高(gāo)清(qīng)照(zhào)片，在照片中我们可(kě)以明(míng)显地(dì)看到很多星系似乎被拉伸产生(shēng)了巨大的形(xíng)变。其实这些星系(xì)本(běn)身并不是真的被(bèi)扭曲了，也不(bù)是韦伯望远镜出(chū)了什么(me)问(wèn)题，而是这样(yàng)极遥远的天(tiān)体和我们地球上的观测者之间。被一个质量超级巨大(dà)的天体遮(zhē)挡，这个超大质(zhì)量的东西的引(yǐn)力，会使身后更(gèng)遥远星系(xì)的光都发(fā)生了扭曲(qū)。这个现(xiàn)象(xiàng)就是引力透镜效应(yīng)。这个巨大的天体可能是超大质量(liàng)的(de)黑洞或者是暗物质。

所以当人们对子弹星系团观测的时候(hòu)，发现它的大质量(liàng)区(qū)域(yù)并不是在中间，而是在(zài)两侧。所以(yǐ)最好的解释方(fāng)法就是(shì)当星团发(fā)生(shēng)全部的(de)碰撞(zhuàng)时，可被观测到的质(zhì)量气体(tǐ)被卡在了(le)中间，暗物质则直接(jiē)通过了这个区域，并在(zài)两边形(xíng)成(chéng)了引力透镜(jìng)。对子弹星(xīng)系团的引力透镜研(yán)究(jiū)也被认为是暗物质存在的迄今为止最(zuì)好的理论证据。

除(chú)此之外，还有来自宇(yǔ)宙当中(zhōng)最古老的光。从宇宙(zhòu)大(dà)爆炸开始，38万年(nián)之(zhī)后，可见光(guāng)终于(yú)可以畅(chàng)通无(wú)阻地(dì)穿越在宇宙当中(zhōng)了。经过了130多(duō)亿年之后，这些光(guāng)在宇(yǔ)宙空间背景上留下了各(gè)相(xiāng)同性的(de)微波辐射。其中红色的部分表(biǎo)示温度(dù)较高的区域，蓝色则表示(shì)相对较冷的区域，但实际上它(tā)们(men)之间的温差只(zhǐ)有万分之一。

科学家(jiā)们通过(guò)对(duì)前(qián)景背景(jǐng)分离后的(de)二值图像进行连通域提取和(hé)标记之后发现，如(rú)果宇宙当中没有暗物质，图(tú)形看(kàn)起来不应(yīng)该是这样(yàng)的，而随(suí)着暗物质的(de)增加，一(yī)些(xiē)峰值的幅度会(huì)减小，才变得看起来(lái)“和(hé)谐”。为了匹配宇(yǔ)宙微(wēi)波背景辐(fú)射的测量值(zhí)，我们需要的暗物质大约是普通物质(zhì)的5倍。这个(gè)数字与解释(shì)星系(xì)当中恒(héng)星运(yùn)动所需要的(de)暗物质比例是(shì)一致的。这就意味(wèi)着。

用(yòng)了(le)一个简单的理论框架，就(jiù)很好地解释(shì)了(le)很多不同的观测结果。而(ér)暗物质的本(běn)质就是宇宙当中存在着某种类型的粒(lì)子，它们(men)不参与任何其(qí)他的(de)电磁作用，只(zhǐ)通过引力来相(xiāng)互作用。所(suǒ)以(yǐ)如果能够找(zhǎo)到这种粒子的(de)存在(zài)，就相当于找到(dào)了暗物(wù)质存在的实(shí)际(jì)证据(jù)。这种粒子(zi)到底(dǐ)是什么？科(kē)学家们已经提出了数十种(zhǒng)的假想目(mù)标，而要(yào)寻找这些(xiē)不同的目标粒子(zi)所(suǒ)需要(yào)的实验方式也不相同。在过去的几十年当中，人类为了(le)寻找(zhǎo)这些看(kàn)不见(jiàn)、摸不到，几乎不会与常规物质(zhì)相互作用的(de)“暗物质”，科学家(jiā)们已经进行了超过50次的实(shí)验，却没(méi)有任何(hé)实质性的发现(xiàn)，除了一(yī)个地方(fāng)，意(yì)大(dà)利(lì)的格兰萨索山，隶(lì)属于阿尔卑斯(sī)山脉(mài)。

在山下1400米处的(de)地下矿井当(dāng)中，藏着(zhe)地球(qiú)上(shàng)最大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个(gè)三层楼高的(de)探测(cè)器(qì)，一直(zhí)致力(lì)于寻找暗物质粒子的周期性震荡(dàng)。

自1997年以(yǐ)来，这里的科学家(jiā)声(shēng)称观测到了某种信(xìn)号。经过了20多年的数据收集，人们发现(xiàn)了一个有趣的事情。探测率会在每年的6月份(fèn)达到峰(fēng)值，然后在11月降到(dào)最低(dī)，而且在20年当中每(měi)年都是(shì)一(yī)样(yàng)。一些科学家认为(wèi)这可能是(shì)人类发(fā)现(xiàn)暗物质(zhì)的第一个直接证据(jù)。

但是为什么(me)暗物质会产生(shēng)周期性(xìng)的年(nián)度(dù)信号呢？刚才我们讲了(le)太阳(yáng)系正(zhèng)在以220公里/秒的速度围绕(rào)着银河系进(jìn)行移动，那(nà)么如果(guǒ)暗物质存在(zài)宇(yǔ)宙当中，这意味(wèi)着(zhe)我们也在以这样的速度在穿越着(zhe)暗(àn)物质(zhì)流，这个过程中会产(chǎn)生相应的(de)振荡，同时地球(qiú)又以30公里/秒的速度(dù)围(wéi)绕太阳进行旋转。所以有半年的(de)时间，地球围(wéi)绕太阳(yáng)的方(fāng)向与太阳(yáng)环绕银(yín)河系的方(fāng)向(xiàng)是一致(zhì)的(de)，而另外半年则(zé)与之相反。

而在6月份的时候，地(dì)球与太阳的方向(xiàng)正好达到完(wán)全一致，这是理论上(shàng)地球穿越(yuè)暗物质流最(zuì)快的时段。而在11月份，又恰(qià)好达(dá)到(dào)了最慢值。尽管(guǎn)在实(shí)际的(de)情况中，太(tài)阳系相对银(yín)河系的(de)平面呈现了(le)60度的(de)倾斜，但是这并不影(yǐng)响这(zhè)个(gè)理论的(de)有效性(xìng)。

因此科(kē)学(xué)家认为(wèi)这可以用来解释，研究人员们所(suǒ)观测(cè)到(dào)的(de)周期性信号(hào)。当然也可能有(yǒu)其他的情况，造(zào)成这种年度周期信号的差异也可能是温度、湿度、土壤中的(de)水分、高(gāo)山上的积雪，甚至连意大利游客的(de)数量也符合(hé)这个周(zhōu)期的规律。

所以，科学家们又(yòu)在南(nán)半球建立(lì)了(le)一个几乎相同(tóng)的实验(yàn)室，这里的(de)季节与之前的(de)实(shí)验室正好(hǎo)相反，而在这里，地球穿过暗物质流的(de)运动特(tè)征和第(dì)一个实(shí)验室是一样(yàng)的。

因此(cǐ)，如果在这里(lǐ)可(kě)以得到(dào)相(xiāng)同的信号，就可以成为暗物质所存在的(de)非常有力的证据了。但是由于(yú)这个实验室刚刚建成(chéng)不久，所以截至目前还无(wú)法(fǎ)提供(gōng)相应的数据支持。另外，在(zài)2025年，NASA将(jiāng)会发射一台(tái)新(xīn)的(de)望远镜，这台(tái)太空望远镜叫做(zuò)“南(nán)希格(gé)雷斯罗曼”，它的(de)主镜大(dà)小跟哈勃望远(yuǎn)镜相同(tóng)，但它的宽视场仪器提(tí)供的视野是哈勃红外仪器(qì)的(de)100倍。南(nán)希格雷斯罗曼太空望远镜其中一个关键的用途(tú)就(jiù)是探(tàn)索暗物质背后(hòu)的奥秘(mì)，对于探测的结果，我们只(zhǐ)能拭目以待了。费米实验室(shì)粒子(zi)天体物理中心(xīn)的科学家丹琥珀和贾森斯特芬研究发现，如果暗物(wù)质存(cún)在(zài)，它们极有可能拥(yōng)有另一种神秘(mì)的效应，这种暗物质效应(yīng)，会支持宇(yǔ)宙当中生命的诞生，或者说是生命(mìng)进化的一个重要(yào)因素。

如果这一理论得到进一步的证实(shí)，那么遍布宇宙(zhòu)当中的暗物质会不会意味着人(rén)类并不孤单呢？或许在宇宙(zhòu)当中某个角落的行星(xīng)上，暗物质正在通(tōng)过这(zhè)样的(de)效应(yīng)创造生命(mìng)。当然，这些推论(lùn)的大(dà)前(qián)提是要先找到暗物质存(cún)在的实际证(zhèng)据。那么小伙伴们，你们觉得暗物质到底存不存在(zài)呢(ne)？喜欢请点(diǎn)赞，你的支(zhī)持是(shì)我更新的动力！

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