宇(yǔ)宙是“人(rén)为(wèi)制造”的？为何会存在科(kē)学无法解释的“暗物质”？暗(àn)物质又(yòu)究竟是(shì)什么？人(rén)类为了寻找暗物(wù)质存(cún)在的证据，科(kē)学(xué)家们在过去的几十年当中(zhōng)进行了超过50次的(de)长(zhǎng)期实验，但是却没(méi)有(yǒu)发现任何的有效证据(jù)。除(chú)了一个地方(fāng)，在1687年出版的(de)自(zì)然哲学数学(xué)原(yuán)理一书中，埃萨克牛顿(dùn)发表了万有引力定律，它揭示了宇宙中(zhōng)天(tiān)体运动的规律。往后的几(jǐ)百年来，当天文学(xué)家们发现某些天体(tǐ)运行轨道出现异常，不(bù)符合万(wàn)有引力定律的时候，他(tā)们就会知道，周围一(yī)定(dìng)有未知(zhī)的天体通过引力(lì)在(zài)摄动(dòng)它的轨道。比如在(zài)1846年(nián)，奥本(běn)勒(lēi)维耶就通过(guò)天王(wáng)星运行轨道的异常(cháng)，推算并且(qiě)发现了海王星的存在(zài)。另外(wài)，哈雷彗星(xīng)、冥王星(xīng)的发现都(dōu)是应(yīng)用万有引力定律所取得重大天文成就(jiù)的例子(zi)。但是这些发现都是在恒星系统的尺度(dù)当中，可当我们上升到星(xīng)系或者(zhě)是星团的尺(chǐ)度，事情就开始变(biàn)得诡异了。

1933年，瑞士的物理(lǐ)学家弗(fú)里茨兹(zī)威基正在研究和测量(liàng)后发星系团的质量(liàng)。这是(shì)一个由数千个星系所组(zǔ)成的巨大星系团，这(zhè)些星系(xì)被引力束缚(fù)在一起。测量星系团(tuán)的(de)质量(liàng)一般会(huì)使用到(dào)两(liǎng)种方法，当两种方法(fǎ)结果一致，就可以确(què)定(dìng)其质量的范围。

第一种是获得其"光度学的质量"，需要(yào)的数(shù)据(jù)是测量各(gè)个星系(xì)的光度。

第二种(zhǒng)是动力学质(zhì)量的计算(suàn)，是利用光谱红移测量(liàng)星系团中的各个(gè)星系相对于星系团的运动速度(dù)。当测量(liàng)结果出来之(zhī)后，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力学(xué)质量”竟然是(shì)“光度学(xué)质量”的(de)400倍。这意味着，后发座星系团(tuán)有99%的(de)质量(liàng)消失了，或者说这99%的质量并不以可见光的形式所存(cún)在，我们无法看到。最诡异的是，在(zài)测(cè)量速(sù)度的(de)过程中，兹威基发现星系(xì)团中很多星系的速度比理论上要快得多，按照(zhào)牛顿的运动学定(dìng)律(lǜ)，仅靠这些可见星系(xì)的(de)质量所(suǒ)产生(shēng)的引(yǐn)力是(shì)无法将它们束缚在星系团内的，它们早(zǎo)就应该被抛(pāo)出星系团之外(wài)了，除非有(yǒu)一种神秘的力量在起作用(yòng)，这种力量来源于某(mǒu)种隐(yǐn)形的(de)物(wù)质。

据此，兹维基提(tí)出了(le)这样部分不(bù)可见的(de)暗质(zhì)，它不发散光、吸光、反射光，但是它们却占据着(zhe)宇宙中绝大(dà)部分的(de)质量。只(zhǐ)是当时的人们对这样(yàng)的(de)一(yī)种说(shuō)法不屑一顾。

直到40年之后，“暗(àn)物质”这个(gè)词才再一次(cì)出现。天文学家维(wéi)拉(lā)鲁宾(bīn)和(hé)肯特福特在(zài)观(guān)测仙(xiān)女座星(xīng)系(xì)中(zhōng)的恒星运(yùn)动。理论上来说，距离中心越(yuè)远的恒星在其轨道上(shàng)的运行(xíng)速度就会越慢(màn)。但是他(tā)们观测的结(jié)果(guǒ)却让人(rén)感到不可思(sī)议。

随着(zhe)与中心距离的(de)增加，恒星(xīng)的旋转速度几乎保持不(bù)变。可是(shì)根据牛(niú)顿的万有引(yǐn)力定律，在星系当中如果没有(yǒu)足够大(dà)的质(zhì)量来吸引它(tā)们(men)，这(zhè)些外围(wéi)的(de)恒星早就(jiù)被甩到(dào)宇宙当中了。基于这种现象，科学家们会使用一(yī)种相对标准的方(fāng)法来解释暗物质的存在，这种方法(fǎ)就(jiù)是测量星系当中气体(tǐ)在X轴上距离星系中心的距(jù)离，以及在Y轴上气体的旋(xuán)转速度。如果(guǒ)出现异常的结果，就认为(wèi)是由暗物(wù)质的(de)力量进入其中。

于(yú)是科学家(jiā)们通过射电望(wàng)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(xuán)转速度并不符合牛顿的力学(xué)定(dìng)律(lǜ)。我们的太阳系也不例外(wài)，太阳系位于银河系的(de)第三悬(xuán)臂之上，距(jù)离银河系中心(xīn)2.6万光(guāng)年，根据万有(yǒu)引力定律(lǜ)进行计算，太阳(yáng)系的运行速度应(yīng)该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但实际上，太(tài)阳(yáng)系正在以220千米(mǐ)/秒的速(sù)度(dù)围绕银河系(xì)旋转，这(zhè)个(gè)实际速(sù)度远远大于理论(lùn)速度(dù)，那么产(chǎn)生以(yǐ)上这种(zhǒng)向(xiàng)心加速度的原因很可能(néng)就是(shì)存在着一种我(wǒ)们看不到的物质，是(shì)这些暗物质(zhì)的引力效应将(jiāng)星系聚集在了一起。

所以在理论(lùn)上，该星系(xì)必须存在(zài)暗物质，否则就会分崩离析。但是科学家们使(shǐ)用最先进(jìn)的望(wàng)远镜对其进行(xíng)了40个(gè)小时(shí)的(de)详细测(cè)量之后(hòu)，发现(xiàn)星系中的(de)恒星运(yùn)动(dòng)是可(kě)以用正常的物质和(hé)力学(xué)定律来解释的。那么又(yòu)有(yǒu)人提出(chū)，也许(xǔ)该星(xīng)系的暗物质，已经被附近的(de)另(lìng)一个大(dà)星系剥离了。奇怪(guài)的是，它的附(fù)近没有任何星系(xì)存(cún)在。造成这(zhè)些(xiē)现象的(de)除(chú)了暗物质(zhì)的假说之外(wài)，另一(yī)种可(kě)能(néng)就是人类对引力的理(lǐ)解还不够(gòu)全面，引力很(hěn)可(kě)能(néng)在不同尺度空间中的(de)工作方(fāng)式是不(bù)同的，这意味着在行星系尺度中的天体会沿着它们的轨道，按照(zhào)我们所理(lǐ)解的方式运动。但(dàn)是上(shàng)升(shēng)到星系和(hé)星团的尺度，引力之间的相互(hù)作用则是不同(tóng)的方式。对于(yú)在星系团之间的相互作(zuò)用，科(kē)学家还(hái)引(yǐn)入了外(wài)部场效应的概念，指的是在数百万光年(nián)的(de)规(guī)模上，巨大的质量之间会(huì)产生对(duì)彼此特殊的效果，这个理(lǐ)论叫做MOND蒙德理论(lùn)。如(rú)果MOND蒙德(dé)理(lǐ)论成立，这意味着我们需要对现在的物理定律(lǜ)进行修正，这些发现也(yě)让很多人认为暗物质假说理(lǐ)论就此终(zhōng)结。但是在宇宙当中还(hái)有关于暗(àn)物质存在的其他的理论证据，这(zhè)些理论证据(jù)是蒙(méng)德理论所没法解释的“引(yǐn)力透镜(jìng)”。

径向距离为37亿光年的子(zi)弹星系团，由(yóu)两个碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样的星团，它们大(dà)部分(fēn)的普(pǔ)通(tōng)质量都在星系的气体当中。当星团以(yǐ)1000万公里(lǐ)/小时发生碰撞的时候，星际气(qì)体的相互作(zuò)用(yòng)就会导致温(wēn)度的急(jí)剧(jù)升高，速度大(dà)幅降(jiàng)低。所以在(zài)理论上，在碰撞之(zhī)后(hòu)，子弹星系团大(dà)部(bù)分的质(zhì)量将位于所有这些(xiē)气体所在的中间区域。那么我(wǒ)们通(tōng)过什么来验(yàn)证它的质量区域到底是(shì)不(bù)是(shì)集中在(zài)中间呢(ne)？前不(bù)久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回(huí)了宇宙(zhòu)当中第一张全(quán)彩的(de)高清照片，在照片中我们可(kě)以明(míng)显(xiǎn)地看到(dào)很多星系似乎被(bèi)拉伸产生(shēng)了巨大的形变。其实这些星(xīng)系本身并不(bù)是真的被扭曲了，也不是韦伯望远镜出(chū)了什么(me)问题，而是这样极遥(yáo)远的天体和我们地(dì)球上(shàng)的观测者之间。被一个质量超级巨(jù)大的天体(tǐ)遮(zhē)挡，这个超大质(zhì)量的东西的引力(lì)，会使(shǐ)身(shēn)后更(gèng)遥远星系的(de)光(guāng)都发生了(le)扭曲。这个现象就是引力透(tòu)镜效应。这个(gè)巨大的天体(tǐ)可能是超大质(zhì)量的黑(hēi)洞或者(zhě)是暗物(wù)质。

所以当人们对子弹(dàn)星系团观测的(de)时候，发现它的大质(zhì)量区域并不是在(zài)中间，而是在两(liǎng)侧。所以最好的解(jiě)释方(fāng)法就是当星团发生(shēng)全部的碰撞时，可被观测到的质量(liàng)气体被卡在了中间，暗物质则直接通过了(le)这个区域(yù)，并在两(liǎng)边形成了(le)引力(lì)透(tòu)镜(jìng)。对子弹星系团的(de)引力透镜(jìng)研究也被认为(wèi)是暗物质存(cún)在的迄今为止(zhǐ)最好的理论证据。

除此之外(wài)，还有来自宇宙当中(zhōng)最古老的光。从宇(yǔ)宙大(dà)爆炸开始，38万年之(zhī)后，可见(jiàn)光终于(yú)可以畅通无阻(zǔ)地穿(chuān)越在宇(yǔ)宙当中了。经过了130多亿(yì)年(nián)之(zhī)后，这些光(guāng)在宇宙空间背景上留(liú)下了(le)各相同性的微(wēi)波辐(fú)射。其中红色的部分表(biǎo)示温度较高的(de)区域，蓝色则表示相(xiāng)对(duì)较(jiào)冷的区域，但(dàn)实际上它(tā)们之间的温差只有万分之一。

科学家们通(tōng)过对前景背景分离后(hòu)的二值图像(xiàng)进(jìn)行(xíng)连通域提取和标记之后发现，如(rú)果宇宙当中没有暗物质，图形(xíng)看起来不应该(gāi)是这样的，而随着暗物质的增加(jiā)，一些峰值的幅(fú)度会减小(xiǎo)，才变得看起来“和(hé)谐”。为(wèi)了(le)匹配宇宙微(wēi)波背景辐(fú)射的测量值(zhí)，我们需要的暗物质大(dà)约是普通物(wù)质的5倍。这个数字与解释星系当中恒星运(yùn)动所需(xū)要的暗物质比例是(shì)一致的。这就(jiù)意味着。

用(yòng)了一个简单的(de)理(lǐ)论框架(jià)，就很好地解释了很多不同的观测(cè)结(jié)果。而暗物质的本(běn)质就(jiù)是宇宙(zhòu)当(dāng)中存(cú自嘲丁元英是谁写的，卜算子《自嘲》全诗n)在着某种(zhǒng)类型(xíng)的(de)粒子，它们不参(cān)与任何其(qí)他的(de)电磁作(zuò)用，只通(tōng)过(guò)引(yǐn)力来相互作用(yòng)。所以如果能够找到这种粒子的存(cún)在，就相(xiāng)当于找(zhǎo)到了(le)暗(àn)物质(zhì)存在的实际(jì)证(zhèng)据。这种(zhǒng)粒(lì)子到底是什么？科学家(jiā)们已经提出了(le)数十种的假想目标，而要寻找这些不同的目标粒子所需(xū)要(yào)的实验方式(shì)也不(bù)相同。在过去的几十年当(dāng)中，人(rén)类(lèi)为了(le)寻(xún)找这些(xiē)看不见(jiàn)、摸(mō)不到(dào)，几乎不(bù)会与常(cháng)规物质(zhì)相互(hù)作用的“暗物质(zhì)”，科学家们已经进行(xíng)了超过(guò)50次的实验(yàn)，却(què)没有(yǒu)任(rèn)何实质性的发现(xiàn)，除了一(yī)个地方(fāng)，意大利的格兰(lán)萨索山，隶属于阿(ā)尔卑斯山(shān)脉。

在山下1400米(mǐ)处(chù)的地下矿井(jǐng)当中，藏着地球上最大的地(dì)学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这(zhè)里有(yǒu)一(yī)个三层楼高的探测器，一直致力于寻找(zhǎo)暗物(wù)质粒(lì)子的(de)周期(qī)性震荡。

自(zì)1997年以来，这(zhè)里的科(kē)学家声称(chēng)观测到了(le)某种信号。经过了20多(duō)年的数据收(shōu)集，人们发现了一个(gè)有趣的事(shì)情。探测率会在每年(nián)的6月份达到峰值，然后在11月降到最(zuì)低，而且在20年当中每年都(dōu)是(shì)一样。一(yī)些科学家认为(wèi)这(zhè)可能是人类(lèi)发现暗物质(zhì)的第一(yī)个(gè)直接证据(jù)。

但是为什么(me)暗物质会产(chǎn)生(shēng)周(zhōu)期性的年(nián)度(dù)信(xìn)号(hào)呢(ne)？刚才我们讲了太(tài)阳(yáng)系正(zhèng)在以220公里/秒的速度围绕(rào)着银河系(xì)进行移(yí)动，那(nà)么如果暗物质存在宇宙当(dāng)中，这意味着我(wǒ)们也在以这样的(de)速度在穿越着暗物质流，这个过程中(zhōng)会(huì)产生相应的振荡(dàng)，同时地球(qiú)又以30公里(lǐ)/秒的速度(dù)围(wéi)绕(rào)太(tài)阳(yáng)进行旋(xuán)转。所以(yǐ)有半年的时(shí)间，地球围绕(rào)太阳的(de)方向与太阳(yáng)环(huán)绕银河系的方向是一致的，而(ér)另外半年则与(yǔ)之相反。

而在6月份的时候，地球与太阳(yáng)的方向正好(hǎo)达到完全一致，这(zhè)是(shì)理(lǐ)论上地(dì)球穿(chuān)越暗物(wù)质(zhì)流最(zuì)快的(de)时段。而在11月份，又恰好(hǎo)达到了最慢值。尽管在实际的情况中，太阳系相对银河系的平(píng)面呈现(xiàn)了60度的倾斜，但是这并不影响这个理论(lùn)的有效性。

因此科学(xué)家认为这(zhè)可以用来解释，研(yán)究人员(yuán)们所观测(cè)到的(de)周期性信号。当然也可能有(yǒu)其他的情况(kuàng)，造(zào)成(chéng)这(zhè)种年(nián)度周期信号的差异也可能(néng)是(shì)温度、湿度(dù)、土壤(rǎng)中的水分、高山(shān)上的积雪，甚至连意大(dà)利游客的(de)数量也符合这个周期(qī)的规律。

所以，科学家们又在南半球(qiú)建立了(le)一(yī)个(gè)几乎(hū)相(xiāng)同的(de)实验室，这(zhè)里的(de)季节(jié)与之前的实验室正(zhèng)好相反，而在(zài)这里，地球穿过暗物质流的运动(dòng)特征和(hé)第(dì)一个实验室(shì)是一(yī)样(yàng)的(de)。

因此，如(rú)果在(zài)这里(lǐ)可以得到相同的信号，就可以(yǐ)成为暗物(wù)质所存在的非常有力的证据了。但是由于这个实(shí)验室刚刚建成不久，所以(yǐ)截至目前还无法提(tí)供(gōng)相应的数(shù)据(jù)支持(chí)。另外，在(zài)2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太(tài)空望(wàng)远镜(jìng)叫做“南(nán)希格(gé)雷(léi)斯罗曼”，它(tā)的主镜大(dà)小跟哈勃望远镜(jìng)相同(tóng)，但它的(de)宽(kuān)视场仪器提供的视(shì)野是哈勃红外仪器的100倍。南希格雷斯罗曼太空望(wàng)远镜(jìng)其中一(yī)个关键的用(yòng)途就是探索暗物质背后的奥(ào)秘，对于探测的结果(guǒ)，我们只能拭目以待(dài)了。费米实验室粒子(zi)天体物理中心的科学家(jiā)丹琥(hǔ)珀和贾森斯特(tè)芬研(yán)究(jiū)发现，如果暗物(wù)质存在(zài)，它(tā)们极有(yǒu)可能拥有(yǒu)另(lìng)一种神秘的效应，这种暗物质效应，会(huì)支持宇宙当中生命的诞生，或者说是(shì)生命(mìng)进化的一(yī)个(gè)重要(yào)因(yīn)素。

如果这一理论得到(dào)进(jìn)一步的证(zhèng)实，那(nà)么遍布宇宙当中的暗物质会不会(huì)意(yì)味着人类(lèi)并不(bù)孤单(dān)呢？或(huò)许在宇宙当中某个(gè)角落的行星上，暗物质正(zhèng)在通(tōng)过这(zhè)样(yàng)的效(xiào)应创(chuàng)造生命。当(dāng)然，这些推论(lùn)的(de)大前提(tí)是(shì)要先(xiān)找到暗物质存(cún)在的实际(jì)证据。那么小(xiǎo)伙伴们，你们觉得暗物质到底(dǐ)存不存在呢？喜(xǐ)欢请点赞(zàn)，你的支持是(shì)我更新的动力！

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