宇(yǔ)宙是“人为制造”的？为何会存(cún)在科学无(wú)法解释的“暗物质”？暗物质又(yòu)究竟是(shì)什么？人类为了寻找暗(àn)物(wù)质存(cún)在的(de)证(zhèng)据，科学家们在过去的几十年当中进(jìn)行了超过50次的长期实验，但(dàn)是却(què)没有发现任(rèn)何的有效证据。除了(le)一个地(dì)方，在1687年(nián)出版的自然哲学数学原(yuán)理(lǐ)一(yī)书中，埃(āi)萨克牛顿发表了万有引力定律，它(tā)揭示了宇(yǔ)宙(zhòu)中天体运动的规律。往(wǎng)后的几百年来，当天文学家们发现某些天体运行轨道出现(xiàn)异常，不符(fú)合(hé)万(wàn)有(yǒu)引力定(dìng)律的时候，他们就会(huì)知道，周围(wéi)一定有未知的天体通(tōng)过(guò)引力在摄动它(tā)的(de)轨道。比如在(zài)1846年，奥本勒维耶就(jiù)通过天王星运行轨道的异(yì)常，推(tuī)算并且发(fā)现了海王星的存在。另外，哈(hā)雷彗星、冥王(wáng)星的发(fā)现都是应用万有引(yǐn)力定律(lǜ)所取得(dé)重(zhòng)大天(tiān)文成就的(de)例子。但(dàn)是这些发现(xiàn)都是在恒(héng)星系统的(de)尺度(dù)当中，可当我们上升到星系或者是星(xīng)团的尺度(dù)，事情就开始变得诡异(yì)了。

1933年，瑞士的物理学家弗里茨兹威(wēi)基正在(zài)研究和测(cè)量(liàng)后发星(xīng)系(xì)团的质(zhì)量。这(zhè)是一个由数(shù)千个星系(xì)所组成(chéng)的巨大星系团，这些星系被引力束缚在(zài)一起。测量星系团(tuán)的质量(liàng)一般会使用到两种方法(fǎ)，当两(liǎng)种方法(fǎ)结果一致，就可(kě)以确定其质量的范(fàn)围。

第一种是获(huò)得其"光度学的质量"，需(xū)要(yào)的数据是测量(liàng)各个星系的光度。

第(dì)二种是(shì)动力学质(zhì)量的计算，是利用光谱红(hóng)移测量星系团中的各(gè)个星系(xì)相对于星系(xì)团的运(yùn)动速度。当测量(liàng)结果出来之后，兹威(wēi)基彻(chè)底懵了，“动力学(xué)质量”竟然是(shì)“光(guāng)度学质(zhì)量”的400倍。这意味(wèi)着，后发座星(xīng)系团有99%的质(zhì)量消失了，或者说这(zhè)99%的(de)质量并不(bù)以可(kě)见光的形式所存在，我们(men)无法看到。最诡异的是，在(zài)测(cè)量速度的过程(chéng)中，兹威基(jī)发现(xiàn)星系(xì)团中很多星系的(de)速度比理论上要快得多，按照牛顿(dùn)的运动(dòng)学定律，仅靠这些(xiē)三维向量叉乘公式矩阵，三维向量叉乘公式行列式可见星系的(de)质(zhì)量所产生(shēng)的引力是无法将它们束缚三维向量叉乘公式矩阵，三维向量叉乘公式行列式在星系团内的，它(tā)们早就应该被抛出(chū)星系团之(zhī)外了，除非有一种(zhǒng)神秘(mì)的力(lì)量在起(qǐ)作(zuò)用(yòng)，这(zhè)种力量(liàng)来源于某种隐(yǐn)形的物质。

据此(cǐ)，兹维(wéi)基三维向量叉乘公式矩阵，三维向量叉乘公式行列式提出(chū)了这样部分(fēn)不(bù)可见的暗质，它不发散(sàn)光(guāng)、吸光、反射光，但是它们(men)却占据着宇宙中(zhōng)绝大(dà)部分的质(zhì)量。只是当时的(de)人们对这样的一种说(shuō)法(fǎ)不屑一顾。

直到(dào)40年之后，“暗(àn)物质”这(zhè)个词才(cái)再一次出现。天文学家维拉鲁宾(bīn)和肯特福特在观测(cè)仙(xiān)女座星系中(zhōng)的(de)恒(héng)星运动。理论上来(lái)说，距离中心越远(yuǎn)的恒星在其轨(guǐ)道上的(de)运行(xíng)速度就会越慢(màn)。但是(shì)他们观测的(de)结(jié)果却让(ràng)人感到(dào)不可思议。

随着与(yǔ)中心距离的增加，恒(héng)星(xīng)的旋转速度几乎保持不变。可(kě)是根据(jù)牛顿的万有引力定(dìng)律，在(zài)星系当中如果没有足够大的质量来吸引它(tā)们，这些外(wài)围的恒星早就被甩到宇宙当中了。基于这种现象，科(kē)学家们(men)会使用一种相对标准的方法来解释暗物质的(de)存在，这(zhè)种方法就是测量星系当中(zhōng)气体(tǐ)在X轴(zhóu)上距离星系(xì)中心的(de)距离，以及在(zài)Y轴(zhóu)上气体的旋转(zhuǎn)速度。如果出现(xiàn)异常(cháng)的结果，就认为(wèi)是由暗物质的力(lì)量进入其中。

于是科学家们通过射(shè)电望远(yuǎn)镜测量了距离星(xīng)系中心更远(yuǎn)距离的氢元素(sù)，发(fā)现它(tā)们的旋转速度(dù)并(bìng)不符合(hé)牛顿(dùn)的(de)力学(xué)定律。我们的太(tài)阳系也不例外(wài)，太阳系(xì)位于银河系的第三悬臂之上，距离银河系中心2.6万光(guāng)年(nián)，根据万有(yǒu)引力定律(lǜ)进行计(jì)算，太阳(yáng)系的运(yùn)行速度应该是(shì)160千米/秒，但实(shí)际上，太阳系正(zhèng)在以220千米/秒的速度围绕银河(hé)系旋转，这个实(shí)际(jì)速度远远大于理论速度(dù)，那(nà)么产生以上这种向(xiàng)心加速度的原(yuán)因(yīn)很可能就是存在着一种我们看(kàn)不(bù)到的物(wù)质，是这些暗物质的引(yǐn)力效应将星(xīng)系聚集在了(le)一起。

也是从这时开始，越来越多的研究人员(yuán)开始相信暗(àn)物质(zhì)的存在(zài)。科学家(jiā)根据星系外恒星轨道(dào)的速(sù)度(dù)，估算在星(xīng)系当中暗物质的质量(liàng)占整个星系(xì)质量(liàng)的(de)85%。但是，暗物质并(bìng)不是唯一可以解释这个现(xiàn)象的原因。在一项新的研究当中，科(kē)学(xué)家们发(fā)现，几乎没有引力效应的遥远恒星之间，也会(huì)出现(xiàn)速度上(shàng)的微小差(chà)异。另外，天(tiān)文(wén)学家还发现了一个反常的(de)星系，叫做Agc114905。这个星系(xì)距离地球大约2.5亿光年，大小(xiǎo)和银河系不(bù)多，但是星系当中存在的(de)恒星数量(liàng)却只有银(yín)河系的(de)千分之(zhī)一。

所以在理(lǐ)论(lùn)上，该(gāi)星系必须存在(zài)暗物质，否则就会分(fēn)崩离析。但是科学家(jiā)们(men)使用最先进的(de)望远(yuǎn)镜对(duì)其进行了40个小时的(de)详细测量之(zhī)后，发现星系中的恒星运(yùn)动是可以用(yòng)正常的物质(zhì)和力学(xué)定(dìng)律(lǜ)来解释的。那么又有人提出，也许该星(xīng)系的(de)暗物质，已经(jīng)被(bèi)附近的另一个大星(xīng)系(xì)剥离了。奇怪的是，它的附近没有任(rèn)何星系(xì)存在。造成这些现象(xiàng)的(de)除了暗物质的假说之外(wài)，另一(yī)种可(kě)能就是人类对引力(lì)的(de)理解(jiě)还不(bù)够全面，引力很(hěn)可(kě)能在不同尺度空间中的工作方式(shì)是(shì)不同的，这意味(wèi)着在行星系尺度中的天(tiān)体(tǐ)会(huì)沿着它(tā)们的轨道，按照我们所理解的方式运动(dòng)。但是上升到星系和星团的(de)尺度，引力(lì)之间的(de)相互作用则是不(bù)同的方式(shì)。对于(yú)在星系团之间的相互作用(yòng)，科学家还引入(rù)了外部场效应的概念，指(zhǐ)的是在数(shù)百万光年的规模上，巨(jù)大的质(zhì)量之(zhī)间(jiān)会产生对彼此特殊的效果，这(zhè)个(gè)理论叫做MOND蒙(méng)德理论。如果MOND蒙德理论成立，这意(yì)味着(zhe)我们(men)需要(yào)对(duì)现在的物理(lǐ)定(dìng)律进行(xíng)修(xiū)正(zhèng)，这些发现(xiàn)也让很多人认为暗物质(zhì)假说理论就此(cǐ)终结。但是在宇宙(zhòu)当(dāng)中还有关于暗物(wù)质存在(zài)的(de)其他的理(lǐ)论证据(jù)，这些理论证据是蒙(méng)德理(lǐ)论所(suǒ)没(méi)法解释的“引力透镜(jìng)”。

径向距离为(wèi)37亿光年(nián)的子弹星系团，由两个碰撞的(de)星系(xì)团所(suǒ)组成(chéng)，类似这样(yàng)的星团，它们大(dà)部分的(de)普通质(zhì)量都在(zài)星系的(de)气体当(dāng)中(zhōng)。当星团(tuán)以(yǐ)1000万公里/小时发生碰撞的时候，星际气体的(de)相互作(zuò)用就(jiù)会导致温度(dù)的急(jí)剧升高(gāo)，速(sù)度大幅降(jiàng)低。所以在理论上，在碰撞之后，子弹星系团大(dà)部分(fēn)的质量(liàng)将位于所有这些气(qì)体所(suǒ)在的中间区域。那么我们(men)通过什么(me)来验证它的质量区域(yù)到底(dǐ)是不是集中在中间呢(ne)？前不久(jiǔ)，詹姆斯(sī)韦伯太空望远(yuǎn)镜传(chuán)回了宇(yǔ)宙当中第一(yī)张全彩(cǎi)的高清照片，在(zài)照片中我们可以明显地看到很多星系似乎被拉伸产生了巨大的(de)形变。其(qí)实这些星系(xì)本身(shēn)并不(bù)是真的被扭曲了，也不(bù)是韦伯望远镜出了什么问题(tí)，而是这样极遥远的天体(tǐ)和我(wǒ)们地球上的(de)观测者(zhě)之间。被一个质量(liàng)超级巨大(dà)的天体遮挡，这个超大质量的(de)东西的引力(lì)，会使身后更遥(yáo)远星系的光都发生了扭曲。这个现象就是引力透镜效(xiào)应。这个巨大(dà)的天体可(kě)能是(shì)超大质量的黑洞或者(zhě)是暗物质。

所以当(dāng)人们对子弹星系团(tuán)观测的时(shí)候(hòu)，发现它的大质量(liàng)区(qū)域并(bìng)不是(shì)在中间(jiān)，而(ér)是在两(liǎng)侧。所以最(zuì)好的解(jiě)释方法就是当星(xīng)团发生全部(bù)的碰撞(zhuàng)时，可被观测(cè)到(dào)的质(zhì)量气体被卡在了中间，暗物质则直接通(tōng)过了这个区域(yù)，并在两(liǎng)边形成了引力透镜。对(duì)子弹星系团的引力透镜研究也(yě)被(bèi)认为(wèi)是(shì)暗物质存在的迄(qì)今为止最好的(de)理论证(zhèng)据(jù)。

除(chú)此(cǐ)之外，还有(yǒu)来(lái)自宇宙当中(zhōng)最(zuì)古老的光。从宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见(jiàn)光终(zhōng)于可以畅通无(wú)阻地穿(chuān)越(yuè)在(zài)宇宙当中了(le)。经过(guò)了130多(duō)亿年之后，这些光(guāng)在(zài)宇(yǔ)宙空间背景(jǐng)上留下了各(gè)相(xiāng)同性的微波辐射。其中红色的部(bù)分表示温(wēn)度较高的区域，蓝(lán)色则表示相对较冷的区域，但实际(jì)上它们之间的温差只有万分之一。

科学(xué)家们通(tōng)过(guò)对(duì)前景背景分(fēn)离(lí)后的二值(zhí)图像进行连通域提(tí)取和标(biāo)记之后发现，如果宇宙当中没有暗物(wù)质，图形看起来不(bù)应该是这(zhè)样的，而随着暗(àn)物质的增(zēng)加，一些峰(fēng)值的幅度(dù)会(huì)减小，才(cái)变得看起来“和谐”。为了匹配宇宙微波背(bèi)景辐射的测量值，我们需要的暗物质大约是普通(tōng)物质(zhì)的(de)5倍。这个数(shù)字与解释星系当中恒(héng)星运动所(suǒ)需要的(de)暗物(wù)质比(bǐ)例是(shì)一致的。这(zhè)就意味着。

用了(le)一个简单的理论框架，就很好地解释了很(hěn)多不同(tóng)的观测结果。而暗物质的本质就是宇宙当中存在着某种类型的粒子，它们不(bù)参与任何其他的电磁(cí)作用(yòng)，只(zhǐ)通过引力(lì)来(lái)相互作用。所以如果能够找到(dào)这种粒子(zi)的存在，就相(xiāng)当于找到了暗物质(zhì)存在的实际证据。这种粒子(zi)到(dào)底是什么(me)？科(kē)学家们已经提出了数十种的假想目标(biāo)，而(ér)要(yào)寻找这些不同(tóng)的目(mù)标粒子所需要的实(shí)验方式也不相(xiāng)同。在(zài)过(guò)去的几十(shí)年当中，人类为(wèi)了寻找这些看不见、摸不到，几(jǐ)乎不会与常(cháng)规物质(zhì)相互作用(yòng)的“暗物质(zhì)”，科(kē)学家们已经进行了超过50次的实验，却没有任何(hé)实质性(xìng)的(de)发现，除(chú)了(le)一个(gè)地方，意大利(lì)的格兰(lán)萨索山，隶(lì)属于阿尔卑斯山(shān)脉。

在山下(xià)1400米处的地下矿井当中，藏着(zhe)地球(qiú)上最大(dà)的地学实(shí)验室，这个实验(yàn)室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的探测器，一直致力于(yú)寻找(zhǎo)暗物质粒子(zi)的周期性震荡。

自1997年(nián)以来，这里的科学家声(shēng)称观测(cè)到了某种信号。经过了20多(duō)年的数据收集，人(rén)们发现了一个有趣的事情。探测率会在每(měi)年的6月(yuè)份达到峰值，然后在(zài)11月降到最低，而且在20年当中每年都是一样。一些科学家(jiā)认为这可能是人(rén)类发现暗物质(zhì)的第一个直接(jiē)证(zhèng)据。

但是(shì)为什(shén)么暗物质(zhì)会产生周期(qī)性(xìng)的年(nián)度信号呢？刚才我们讲了太阳系正在以220公里/秒的速度(dù)围绕着银(yín)河系(xì)进行移动，那么如果(guǒ)暗物质(zhì)存在宇宙当中，这意味着(zhe)我们也在以这(zhè)样的速(sù)度在穿越着(zhe)暗物质流，这个(gè)过程中会产生相应的振荡，同时(shí)地球又以30公里(lǐ)/秒的(de)速度围绕太阳进行旋(xuán)转。所以(yǐ)有(yǒu)半年(nián)的时间，地球围(wéi)绕太阳(yáng)的方向与太阳(yáng)环绕(rào)银河系的方向是一致的，而(ér)另(lìng)外半年(nián)则与(yǔ)之(zhī)相反。

而在6月份的时候，地球与(yǔ)太阳(yáng)的方向正好达(dá)到完(wán)全一致(zhì)，这是理论上地球(qiú)穿越暗(àn)物质流最快(kuài)的时段。而(ér)在11月份(fèn)，又恰好达到了最(zuì)慢(màn)值。尽管(guǎn)在实际(jì)的情(qíng)况中(zhōng)，太阳系相(xiāng)对银河系(xì)的平面呈现了60度的倾斜，但(dàn)是这并不影响这(zhè)个(gè)理(lǐ)论的有效(xiào)性(xìng)。

因此科学(xué)家(jiā)认(rèn)为这可以用来解释，研究人员们所(suǒ)观测到的周期性信号。当然也(yě)可能(néng)有(yǒu)其他(tā)的情况，造成这种年度(dù)周期信(xìn)号的差(chà)异也可(kě)能是温度(dù)、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪(xuě)，甚至(zhì)连(lián)意(yì)大(dà)利游客的数量也符合这个周期的规律。

所(suǒ)以，科学家们又在(zài)南半球(qiú)建立了一个(gè)几乎(hū)相同的实验室，这(zhè)里的季节与之前的实验室正好相反，而在这里，地球穿过暗(àn)物质流的运动特(tè)征(zhēng)和第(dì)一个(gè)实验(yàn)室是一样的(de)。

因此，如果在这里可以得到相同的信(xìn)号，就可(kě)以成为(wèi)暗物质(zhì)所存在的非常(cháng)有力的证据(jù)了。但是由于这个实验室刚(gāng)刚建成不久，所以截至目前还(hái)无(wú)法提供相应(yīng)的(de)数(shù)据支(zhī)持。另外，在2025年，NASA将会发射一台(tái)新的望(wàng)远镜，这台太空望远镜叫做(zuò)“南(nán)希(xī)格雷斯罗(luó)曼”，它的主镜大小跟哈勃望远镜相同，但它的(de)宽(kuān)视场仪器提(tí)供的视野是哈勃(bó)红外仪器的100倍。南(nán)希格(gé)雷斯罗曼太空望远镜其中一个关(guān)键的用(yòng)途就是探索(suǒ)暗物(wù)质(zhì)背后的奥秘，对于探测的结(jié)果，我们(men)只(zhǐ)能拭目以待了。费米实验(yàn)室粒子天体物理中心的科(kē)学家(jiā)丹琥珀和贾森斯特(tè)芬研究发现，如(rú)果暗物质存在，它(tā)们极有可能拥有(yǒu)另(lìng)一(yī)种神(shén)秘(mì)的效应，这种(zhǒng)暗物质(zhì)效应(yīng)，会(huì)支持宇宙(zhòu)当(dāng)中生(shēng)命的诞生，或(huò)者说(shuō)是(shì)生命进化的一个重要因素(sù)。

如(rú)果这一(yī)理论得到进一(yī)步的证实，那么(me)遍布宇宙当中的暗(àn)物质会不会意味着人类并不孤单呢？或许(xǔ)在宇宙(zhòu)当中某(mǒu)个角落的行星上，暗物质正在通(tōng)过这样的效应创(chuàng)造生命。当然，这些推论的大前提是要先(xiān)找到暗物质存(cún)在的实际(jì)证据(jù)。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉得暗物(wù)质到底存不存在呢(ne)？喜欢(huān)请点赞(zàn)，你的支持(chí)是我更新的动力！

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