宇宙是“人为制造”的？为何会存在科学无法解释的“暗物(wù)质(zhì)”？暗物质又究竟是什么？人(rén)类为了寻(xún)找暗物质存在(zài)的证据，科学家们在(zài)过(guò)去(qù)的几十年当中(zhōng)进行了超过50次的长期实验，但是却没(méi)有(yǒu)发(fā)现任(rèn)何的(de)有效证据(jù)。除(chú)了一(yī走后门是一种怎样的体验知乎，走后门是什么感受)个地方，在1687年(nián)出版的自然哲学数学原理一书(shū)中，埃(āi)萨克牛顿发表了万有引力定律，它揭示了宇宙中天(tiān)体运动(dòng)的规(guī)律。往(wǎng)后的几百年(nián)来，当天文(wén)学家们(men)发现某些天体(tǐ)运行轨道出(chū)现(xiàn)异常，不符合(hé)万有引力定律的时(shí)候(hòu)，他们就会知道，周围一定有未知的天体通过引力在摄动它的(de)轨(guǐ)道(dào)。比如在1846年，奥(ào)本勒维耶就通过天(tiān)王星运行轨(guǐ)道(dào)的异常，推算并(bìng)且发现了海王星的存(cún)在。另外，哈雷彗(huì)星、冥王星的发现都是应用万有引力(lì)定律所取得重大天文成(chéng)就的(de)例子。但是这些发现都是在恒(héng)星系统的尺度(dù)当中，可当我们上升到星系(xì)或者是星团的(de)尺度(dù)，事(shì)情就(jiù)开始变得诡异(yì)了(le)。

1933年，瑞士的(de)物理学家弗(fú)里茨兹威基正在(zài)研究和测(cè)量后发星系(xì)团的质量。这(zhè)是一个由数千个星系所组(zǔ)成(chéng)的(de)巨(jù)大星系团，这些(xiē)星(xīng)系被引力束缚在一起(qǐ)。测(cè)量星系团(tuán)的质量一般会(huì)使用到两(liǎng)种方法，当两(liǎng)种方法结果一致(zhì)，就可以确定其质(zhì)量的范(fàn)围。

第一(yī)种(zhǒng)是获得其"光度学的质量"，需要的(de)数据是测量各个星(xīng)系的光度。

第(dì)二种是(shì)动力学质(zhì)量(liàng)的计(jì)算，是利用光(guāng)谱(pǔ)红移测量星系团(tuán)中的各(gè)个星系(xì)相(xiāng)对于(yú)星系团的运动速度。当测量结(jié)果出来之后(hòu)，兹(zī)威基彻底懵(měng)了，“动力(lì)学质量”竟然(rán)是“光度学(xué)质量”的400倍。这意味着，后发(fā)座星系团有(yǒu)99%的质量消失了，或者说(shuō)这99%的质量(liàng)并不以可见(jiàn)光的(de)形式所存在(zài)，我们无法看到。最诡异的是，在(zài)测量速(sù)度(dù)的(de)过程(chéng)中，兹威基发现(xiàn)星(xīng)系团中很(hěn)多星系的速度比(bǐ)理论上(shàng)要快得多，按(àn)照牛(niú)顿(dùn)的(de)运动学定律，仅靠(kào)这些(xiē)可见(jiàn)星(xīng)系的质量所(suǒ)产生的(de)引(yǐn)力是(shì)无法将它们束缚在星(xīng)系团内的，它们早就(jiù)应该被抛出星系团之外了，除非有一(yī)种神(shén)秘的力(lì)量在(zài)起(qǐ)作用，这(zhè)种力量来源于某(mǒu)种隐形的物质(zhì)。

据(jù)此，兹维基提出了这样部(bù)分不可(kě)见的暗(àn)质，它不(bù)发散光(guāng)、吸(xī)光(guāng)、反射光，但是它们(men)却占据(jù)着宇宙中绝大部分的质量。只(zhǐ)是当(dāng)时(shí)的人们对这样(yàng)的一种说法(fǎ)不屑一顾。

直到(dào)40年之后，“暗物质”这(zhè)个词才再一次出现。天文学家维拉鲁宾和(hé)肯特福特在观(guān)测仙女座星系(xì)中的(de)恒星(xīng)运(yùn)动。理论上来说，距(jù)离中心(xīn)越(yuè)远的恒星(xīng)在其轨道上的运行(xíng)速(sù)度就会越(yuè)慢。但是他们观测的结果却让人感到不可(kě)思议。

随着与(yǔ)中(zhōng)心距离(lí)的(de)增加，恒星的旋转速度几(jǐ)乎保(bǎo)持不(bù)变。可是根据牛顿的万有引力(lì)定律(lǜ)，在星系(xì)当中如(rú)果(guǒ)没有足够(gòu)大的质量来吸引它们，这些外围的恒星早就被(bèi)甩到宇宙当中了。基于这种现象，科学家们会使用一(yī)种相(xiāng)对标(biāo)准的方法来解释暗物质的(de)存在，这种方法就是测量星系当中气体在X轴上距离星系中心(xīn)的距离，以(yǐ)及在Y轴(zhóu)上气(qì)体的旋转速度。如果(guǒ)出现异常的结果，就(jiù)认为(wèi)是由暗物质的力量进入(rù)其中。

于是科学家们通过射(shè)电望远镜测量了距离(lí)星系中心更远距离(lí)的氢元素，发现它们的旋(xuán)转速(sù)度并不(bù)符(fú)合(hé)牛顿的力学定律。我们的太(tài)阳系(xì)也不(bù)例外，太阳系位于(yú)银河(hé)系的第三悬臂之上，距离(lí)银河(hé)系中心2.6万光年，根据万有引力定律进行计算，太阳(yáng)系的运行(xíng)速(sù)度(dù)应该是160千(qiān)米/秒，但(dàn)实际(jì)上，太阳系正在以220千米/秒的速度(dù)围绕银河系旋转(zhuǎn)，这个(gè)实际(jì)速度远远大(dà)于(yú)理(lǐ)论速度，那(nà)么产生以上这种(zhǒng)向心加速度的(de)原因很可(kě)能就是存(cún)在着一(yī)种我们看不到的物质，是这些(xiē)暗物质的引力效应将星系聚集(jí)在了(le)一起(qǐ)。

也(yě)是从这时开(kāi)始，越来越多的(de)研究人(rén)员开始相信暗(àn)物质(zhì)的存在(zài)。科学家根据星系外(wài)恒星轨道的(de)速度(dù)，估算在(zài)星系当中暗物质(zhì)的质量占(zhàn)整个星(xīng)系质量的85%。但是，暗物(wù)质并不是唯一可(kě)以(yǐ)解释这个现象的(de)原(yuán)因。在一项新(xīn)的研(yán)究(jiū)当中(zhōng)，科学家(jiā)们(men)发现(xiàn)，几乎(hū)没有引力效应(yīng)的(de)遥远恒星之间，也会出现速度上的微小(xiǎo)差异(yì)。另外(wài)，天文学家还发现了一个反常的星系，叫做Agc114905。这个星系(xì)距离(lí)地球(qiú)大约2.5亿光年，大小(xiǎo)和银河系不多，但(dàn)是(shì)星系(xì)当中(zhōng)存在的恒星(xīng)数量(liàng)却只(zhǐ)有银河系(xì)的千分之一。

所以(yǐ)在理论(lùn)上，该星(xīng)系必须(xū)存(cún)在暗物质，否则就(jiù)会(huì)分(fēn)崩(bēng)离析。但是科学家们使用最先进的望(wàng)远镜对其进(jìn)行了40个(gè)小时的(de)详细测量之后(hòu)，发现星系中的恒星运动是(shì)可以用正常的(de)物质和(hé)力(lì)学定律来解(jiě)释(shì)的。那么又(yòu)有人(rén)提出，也许该星系的暗物(wù)质，已(yǐ)经被附近(jìn)的另一个大星系剥离了。奇怪的是(shì)，它(tā)的附近没(méi)有任何星(xīng)系存在。造成这些现象的除(chú)了暗物质的假说之外，另一种可能(néng)就(jiù)是人(rén)类对引力(lì)的理解还不(bù)够(gòu)全面，引力很可能(néng)在不同尺度空间中(zhōng)的工作方(fāng)式(shì)是不同(tóng)的，这(zhè)意味着在行(xíng)星(xīng)系尺度中的天体会沿(yán)着它们的轨(guǐ)道(dào)，按照我(wǒ)们所理(lǐ)解的(de)方式运(yùn)动(dòng)。但是上(shàng)升到星系(xì)和(hé)星团的(de)尺(chǐ)度(dù)，引力之间(jiān)的(de)相(xiāng)互作用则是不同的(de)方式。对于(yú)在星(xīng)系(xì)团之间(jiān)的相互(hù)作(zuò)用，科学家(jiā)还引入了外部场效(xiào)应的概念(niàn)，指(zhǐ)的是在数(shù)百(bǎi)万(wàn)光年的规模上，巨(jù)大的(de)质(zhì)量之间会产生对(duì)彼此(cǐ)特殊的效果，这个理论(lùn)叫做MOND蒙德理论。如(rú)果(guǒ)MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成立(lì)，这意(yì)味着我(wǒ)们需要对现在的(de)物理定律(lǜ)进行(xíng)修(xiū)正，这些(xiē)发现也让很多(duō)人认为暗物(wù)质假说理论就此终(zhōng)结。但(dàn)是在宇宙当中还有关于(yú)暗物质存在(zài)的其(qí)他的理论证据，这些理论证据是蒙德(dé)理论所没法解(jiě)释的“引(yǐn)力透镜”。

径(jìng)向距(jù)离为(wèi)37亿光年的子弹星(xīng)系团，由两(liǎng)个碰(pèng)撞的星系团所组成(chéng)，类似这样的(de)星团，它们(men)大(dà)部分(fēn)的(de)普通质量都在星系(xì)的气体(tǐ)当中。当星团以1000万公(gōng)里/小时(shí)发生碰撞的时(shí)候(hòu)，星际(jì)气体的(de)相互作用就(jiù)会导致温度的(de)急剧升高，速(sù)度(dù)大幅(fú)降(jiàng)低。所(suǒ)以在理(lǐ)论上，在碰撞之后，子弹星系团大部分的质量将位(wèi)于(yú)所有这些(xiē)气体(tǐ)所(suǒ)在的(de)中间区域。那么我们通过(guò)什么来验证它的质量区域到底是不是集中在(zài)中(zhōng)间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了宇宙(zhòu)当中第一张全(quán)彩的高清照片，在照(zhào)片(piàn)中(zhōng)我们可以(yǐ)明显地看到很多(duō)星系似乎被拉伸产生了巨大的形变(biàn)。其实这些星(xīng)系本(běn)身并不是真(zhēn)的被(bèi)扭曲了，也不是(shì)韦伯望远镜出了什么问题，而是这(zhè)样极遥远(yuǎn)的(de)天体和我们地球(qiú)上(shàng)的观(guān)测者之间(jiān)。被(bèi)一个质量(liàng)超级巨大的(de)天体遮挡，这个超大质量(liàng)的东西的引力，会(huì)使身(shēn)后更遥远(yuǎn)星系的光都(dōu)发生了(le)扭(niǔ)曲(qū)。这个现象就是(shì)引力透镜效应。这个巨大的天体可能是(shì)超大(dà)质量的黑洞或者是(shì)暗(àn)物(wù)质。

所以当人们对子(zi)弹星系团观(guān)测的时(shí)候(hòu)，发现(xiàn)它的大质(zhì)量(liàng)区域并不是在中间，而是(shì)在两侧。所(suǒ)以最(zuì)好的(de)解(jiě)释方法(fǎ)就是当星团发生全部的碰撞(zhuàng)时，可被(bèi)观测到(dào)的(de)质量(liàng)气(qì)体被卡在了中间，暗物质则直接通过了(le)这个区域，并在两边形成了引力透镜。对子弹星系团(tuán)的引力透镜研(yán)究也被认为是(shì)暗物质存在的迄今为(wèi)止最好的理论证据(jù)。

除此之外，还有来自宇宙当中(zhōng)最古(gǔ)老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光终于可以畅通无阻地穿越在宇宙当中了(le)。经(jīng)过(guò)了(le)130多亿(yì)年之后，这些光在(zài)宇宙空间背景上(shàng)留下了各相(xiāng)同性的(de)微波辐射。其中红(hóng)色的部分(fēn)表示(shì)温度较(jiào)高(gāo)的区域，蓝色则表示相对较冷的(de)区域，但实(shí)际上它们(men)之(zhī)间的(de)温差只有万分之(zhī)一。

科学家们通过对前(qián)景背景分(fēn)离后的二值(zhí)图像(xiàng)进行连(lián)通(tōng)域提取和标记之(zhī)后(hòu)发(fā)现(xiàn)，如(rú)果宇宙(zhòu)当中没有暗物(wù)质，图形看起来(lái)不应该(gāi)是(shì)这样(yàng)的，而随着暗物质的增加，一(yī)些峰值的幅(fú)度会减小(xiǎo)，才变得看起来(lái)“和(hé)谐”。为(wèi)了匹(pǐ)配(pèi)宇(yǔ)宙微波背景辐(fú)射(shè)的测量值(zhí)，我们需要的暗物质大约是普通物(wù)质的5倍。这个(gè)数字与解释星(xīng)系当中恒星(xīng)运动(dòng)所需要的暗物质(zhì)比(bǐ)例是一致的(de)。这就意味着。

用了一个简单的理论框(kuāng)架，就很好地解释了(le)很多不同的观(guān)测结果。而暗(àn)物(wù)质的本质(zhì)就是宇(yǔ)宙当中存在着某种类型的粒子(zi)，它们不参与(yǔ)任何其他(tā)的电磁作用，只通过(guò)引(yǐn)力(lì)来相互(hù)作用。所以(yǐ)如果(guǒ)能够找到这(zhè)种粒子的(de)存在(zài)，就相当于找到了暗物(wù)质存在的实际(jì)证据。这种粒子到底(dǐ)是什么？科学(xué)家(jiā)们(men)已经(jīng)提出了数十种的(de)假想目标，而(ér)要寻找这些不同的目标(biāo)粒子所需(xū)要的实(shí)验方式(shì)也不相同。在过去的几(jǐ)十(shí)年当(dāng)中(zhōng)，人类为了(le)寻找(zhǎo)这些看不见、摸不到，几乎不会(huì)与常规物质相互(hù)作用的“暗物质”，科学家(jiā)们(men)已经(jīng)进行(xíng)了(le)超过50次的实验，却没(méi)有任(rèn)何实(shí)质性的发(fā)现(xiàn)，除(chú)了一个(gè)地方，意(yì)大利的(de)格兰萨索山，隶属于(yú)阿尔(ěr)卑斯山(shān)脉。

在(zài)山(shān)下(xià)1400米处的地下(xià)矿井当(dāng)中，藏(cáng)着地球上最大的地学实验室，这个实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的探测器，一直(zhí)致力于(yú)寻找暗物质粒子的周期性震荡(dàng)。

自(zì)1997年以来(lái)，这(zhè)里的科学家声(shēng)称(chēng)观测到了某(mǒu)种信号。经过了20多年的数据(jù)收集，人们发现了一个有趣的事情(qíng)。探测率会在每年的6月份达到峰值，然后在(zài)11月(yuè)降到最低，而且在20年当中(zhōng)每年都是(shì)一样。一些(xiē)科学家认为这(zhè)可能是人类发现暗物(wù)质的第一个直接证据。

但(dàn)是为什么暗(àn)物质会产生周期性的年度信号呢？刚才我们讲了太阳系(xì)正在以220公(gōng)里/秒的(de)速(sù)度围(wéi)绕着银河系进行移动，那么如果暗物质存在宇宙当中，这意味着我们也(yě)在以这样的(de)速(sù)度在穿越着暗物(wù)质流(liú)，这个(gè)过程中会(huì)产生相应的振荡，同时(shí)地球又以30公里/秒的速度(dù)围(wéi)绕太阳进行(xíng)旋转。所以有半年的(de)时间，地球围绕太阳的方向与(yǔ)太阳环(huán)绕银河(hé)系的方(fāng)向是一致的，而另外半年则(zé)与之相反(fǎn)。

而在6月份的时候，地球与太阳的方向正好达到(dào)完全一致(zhì)，这是理(lǐ)论(lùn)上(shàng)地(dì)球(qiú)穿越暗物质(zhì)流最快(kuài)的时段。而在11月份，又(yòu)恰好(hǎo)达到(dào)了最(zuì)慢值。尽管在实际的(de)情况(kuàng)中，太阳系相对银河系的平面呈现了60度的倾斜，但(dàn)是这(zhè)并不影响这个理论的有(yǒu)效(xiào)性。

因(yīn)此科学家认为这可以用来解释，研(yán)究人员们所观测(cè)到(dào)的周期性信号。当然(rán)也可能有(yǒu)其他的情况，造成这种年度(dù)周期信号的(de)差异(yì)也可能是温度、湿度(dù)、土壤中的水(shuǐ)分(fēn)、高山上(shàng)的(de)积(jī)雪，甚至连意大(dà)利(lì)游客的数量(liàng)也符(fú)合这个周期的规律。

所以(yǐ)，科学家们又在(zài)南(nán)半球建立了(le)一个(gè)几(jǐ)乎相同的实验室(shì)，这(zhè)里的季节(jié)与之(zhī)前的实验室正(zhèng)好相反，而在这里，地球(qiú)穿过暗物质(zhì)流(liú)的(de)运动特征和第一(yī)个实(shí)验室(shì)是一样的。

因此，如果在这里可以得到(dào)相(xiāng)同(tóng)的信号，就可(kě)以成为暗物质所存在的(de)非(fēi)常有力的证据了。但(dàn)是由(yóu)于这个实验(yàn)室刚刚建成不久，所(suǒ)以截至目前还无(wú)法提(tí)供(gōng)相应的数据支持(chí)。另外，在2025年，NASA将会(huì)发射一台新的望远镜(jìng)，这(zhè)台太空望远镜(jìng)叫(jiào)做“南(nán)希格雷斯罗曼(màn)”，它的主镜大小跟哈勃望远镜相同，但它的宽视场仪器提供的(de)视野(yě)是哈勃红(hóng)外(wài)仪(yí)器的100倍。南(nán)希格雷斯罗(luó)曼(màn)太空望(wàng)远镜其(qí)中(zhōng)一个关键的用途(tú)就(jiù)是(shì)探(tàn)索暗物(wù)质背后的奥秘，对(duì)于(yú)探测(cè)的结果，我们只能(néng)拭目以待了。费米实验室粒子天体物(wù)理(lǐ)中心(xīn)的科学家丹琥珀和贾森斯(sī)特芬研究发现，如果暗物质存(cún)在，它(tā)们极有(yǒu)可(kě)能拥有另一种神秘的(de)效应，这种暗物质效应，会支持宇宙当(dāng)中生命的诞生，或者说是生命进化的一个重(zhòng)要因素。

如果这一理(lǐ)论(lùn)得到进一(yī)步的证实，那么遍布(bù)宇(yǔ)宙当中的暗物质会不会(huì)意味着(zhe)人类并不孤单呢？或许在(zài)宇宙当中某个角落的行星上(shàng)，暗物质(zhì)正在通过这样的(de)效应(yīng)创造生命。当然，这(zhè)些(xiē)推(tuī)论(lùn)的大前提是(shì)要先(xiān)找到暗(àn)物质存在的实际证据。那么小(xiǎo)伙(huǒ)伴们(men)，你们觉得暗物质(zhì)到底(dǐ)存(cún)不存(cún)在呢？喜欢请点赞(zàn)，你(nǐ)的支持是我更新的动力！

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