宇宙(zhòu)是“人为(wèi)制(zhì)造”的(de)？为何会存在科(kē)学无法(fǎ)解(jiě)释的“暗(àn)物质”？暗物质又究竟是什么？人类为(wèi)了寻(xún)找(zhǎo)暗物质存在的证据(jù)，科学家们在过去(qù)的几(jǐ)十年当中进行了超过50次的长(zhǎng)期实(shí)验，但是(shì)却没有发现任何的有效证据。除了一个(gè)地方，在1687年出版的(de)自(zì)然哲学数学原理一书中，埃(āi)萨克牛顿发表了万有引力定(dìng)律(lǜ)，它揭(jiē)示了宇宙(zhòu)中天体运动的规律。往(wǎng)后的几百年来，当天文学家(jiā)们发现某些天体运行轨道出现异常，不(bù)符合万(wàn)有引力定(dìng)律的时候，他(tā)们就会知(zhī)道(dào)，周(zhōu)围一(yī)定有未知(zhī)的天(tiān)体通过(guò)引力在(zài)摄(shè)动它的轨道(dào)。比如(rú)在1846年，奥(ào)本勒维耶就通过天(tiān)王星运(yùn)行轨道的异常(cháng)，推算并且发(fā)现了(le)海王星(xīng)的存在。另外，哈雷彗星、冥王星的(de)发现都是应用(yòng)万有引力定律(lǜ)所取得重(zhòng)大天文成就的例子。但是这些(xiē)发现(xiàn)都是在(zài)恒星系(xì)统(tǒng)的(de)尺度当中，可当我们上(shàng)升(shēng)到(dào)星系或者是星团的尺度，事(shì)情就开始变(biàn)得诡异了(le)。

1933年(nián)，瑞士的(de)物(wù)理学(xué)家弗里(lǐ)茨(cí)兹威基正在(zài走后门是一种怎样的体验知乎，走后门是什么感受)研究和测量后发星系团的质量。这是(shì)一个由数千个星系所组成的(de)巨大星系(xì)团，这些星系被引力束缚(fù)在一起(qǐ)。测量星系(xì)团的质量一般(bān)会使(shǐ)用到两(liǎng)种(zhǒng)方法，当(dāng)两种方法结果一致，就(jiù)可以确定其质量的(de)范(fàn)围。

第一种是(shì)获(huò)得其"光(guāng)度(dù)学的质量(liàng)"，需要(yào)的数据是测量(liàng)各个星系的光(guāng)度。

第二种是动力学质量的计算(suàn)，是利用(yòng)光(guāng)谱红移测量(liàng)星(xīng)系(xì)团中的各个星系相(xiāng)对于星(xīng)系(xì)团的运(yùn)动速度(dù)。当测量结(jié)果(guǒ)出来之后，兹威基彻底(dǐ)懵了，“动力学质量”竟然是“光度学质量(liàng)”的400倍。这意(yì)味着，后发座星系团有99%的质(zhì)量消(xiāo)失(shī)了，或者说这99%的质量并(bìng)不以可见光的形式所(suǒ)存在(zài)，我们无法(fǎ)看(kàn)到(dào)。最诡异(yì)的是(shì)，在(zài)测量(liàng)速度的过程(chéng)中(zhōng)，兹威基发现(xiàn)星系(xì)团(tuán)中很(hěn)多星系的速度比理论上要快得多，按照牛顿(dùn)的运动学定律(lǜ)，仅靠(kào)这些可(kě)见星系的(de)质(zhì)量所产生的引力是无(wú)法将它们(men)束缚在星系团内(nèi)的，它们早就应该被抛出星系团之外了，除非(fēi)有一(yī)种神秘的力量在起作用(yòng)，这种力量来源于某种隐形的(de)物(wù)质。

据此，兹维(wéi)基(jī)提(tí)出了这样部分(fēn)不可(kě)见(jiàn)的(de)暗(àn)质，它不发散(sàn)光、吸光(guāng)、反射光，但是它们却占(zhàn)据(jù)着宇宙中绝(jué)大部(bù)分的质量(liàng)。只是当时(shí)的(de)人们对这(zhè)样的一(yī)种说法不屑(xiè)一顾。

直到(dào)40年之后，“暗物(wù)质”这(zhè)个(gè)词才(cái)再一(yī)次(cì)出现。天文学家维(wéi)拉鲁宾和肯特福特在观测仙女(nǚ)座星系(xì)中的恒星运动。理(lǐ)论上(shàng)来说(shuō)，距离(lí)中心越(yuè)远的恒星在其轨道上(shàng)的运行速度就(jiù)会越(yuè)慢。但是他们观测的(de)结果(guǒ)却让人感(gǎn)到不可思议(yì)。

随着与中心距离的增加(jiā)，恒星的(de)旋(xuán)转速度几乎保持不变。可是根据牛顿的(de)万有引力定律，在星系当中(zhōng)如果没有足够大的质量来吸引它们，这些外围的(de)恒星(xīng)早就(jiù)被甩(shuǎi)到宇宙当中(zhōng)了。基于这种现象，科学(xué)家们会(huì)使用一种相对(duì)标准的方法来(lái)解释暗物质的存在(zài)，这种(zhǒng)方(fāng)法(fǎ)就是测量星(xīng)系当(dāng)中气体在X轴上距离星系中心(xīn)的距(jù)离，以及在Y轴上气体的(de)旋(xuán)转速度。如果出现异常的结果(guǒ)，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是科学(xué)家们通过射(shè)电望(wàng)远镜(jìng)测(cè)量了距离星系中心更远距离的氢元素，发现它们的(de)旋转速度并不符合牛顿的(de)力(lì)学定律。我们的太阳系也不(bù)例外，太(tài)阳系(xì)位(wèi)于(yú)银河系的第三悬臂(bì)之(zhī)上，距离银河系中心(xīn)2.6万光年，根据(jù)万有(yǒu)引力定律进(jìn)行计(jì)算，太阳系的运行速度应该是160千米/秒(miǎo)，但实际上(shàng)，太阳系正在(zài)以220千米/秒的速度围(wéi)绕银河系旋转，这个实际速(sù)度远远大于(yú)理论速度，那么产生以上这种向心(xīn)加速度(dù)的原因很(hěn)可能就(jiù)是存在着一种(zhǒng)我们看不到的物质，是这些暗物质的引力效应将(jiāng)星系(xì)聚集在了一起。

也(yě)是从(cóng)这时开始，越(yuè)来越(yuè)多的(de)研(yán)究(jiū)人员开(kāi)始相信暗(àn)物质的存在。科学家根据星系外恒星轨道的速(sù)度，估算在星系当中暗物(wù)质的质量占整(zhěng)个星(xīng)系质(zhì)量的85%。但是，暗物(wù)质并不(bù)是唯一可以(yǐ)解释这(zhè)个现象的原因。在一项(xiàng)新(xīn)的研(yán)究当中，科(kē)学家(jiā)们发现，几乎没有引力效应(yīng)的遥(yáo)远恒星之(zhī)间，也会(huì)出(chū)现速度上的微小差异。另外，天文学家还发现了一个(gè)反常的(de)星系，叫做Agc114905。这个星系距离(lí)地球(qiú)大约(yuē)2.5亿(yì)光年，大小(xiǎo)和银(yín)河系不(bù)多，但是星系当中存在的恒星数量却只有银(yín)河系的千(qiān)分之(zhī)一。

所以在理论(lùn)上，该星(xīng)系必(bì)须存在(zài)暗物质(zhì)，否则就会分崩离析。但是科学家们使用最先进的望远(yuǎn)镜对其进行了40个小时的详细测量之后，发现星(xīng)系(xì)中的(de)恒(héng)星(xīng)运动(dòng)是可以用正常的物质(zhì)和(hé)力学定律来解(jiě)释的。那(nà)么(me)又(yòu)有(yǒu)人(rén)提(tí)出，也(yě)许该星系的(de)暗物(wù)质，已经(jīng)被附近的另一个大星系剥离了。奇怪(guài)的是(shì)，它的附近没有(yǒu)任何(hé)星(xīng)系存(cún)在(zài)。造(zào)成这些现象的除了暗物质的假说之外，另一种(zhǒng)可能就是(shì)人类对(duì)引力的理解还不够全面，引力(lì)很(hěn)可能在不同尺度空(kōng)间(jiān)中(zhōng)的工作方(fāng)式(shì)是不同的，这意味着(zhe)在行(xíng)星系尺度中的(de)天(tiān)体会(huì)沿着它们的轨道，按照我(wǒ)们(men)所理解的方式运动。但是上升(shēng)到星系(xì)和星(xīng)团的尺(chǐ)度(dù)，引力(lì)之间的相互作用则是(shì)不同(tóng)的方式(shì)。对于在星系团之间的(de)相(xiāng)互作用，科(kē)学家还引(yǐn)入了外部场效(xiào)应的(de)概念(niàn)，指的(de)是在数百(bǎi)万光年(nián)的规模上，巨(jù)大(dà)的质量之间会产生对彼此特(tè)殊(shū)的效果(guǒ)，这个理论叫做MOND蒙德理(lǐ)论。如(rú)果(guǒ)MOND蒙(méng)德理(lǐ)论成(chéng)立，这意味着我们(men)需要对现在的物理定律进行修正，这些发现(xiàn)也让(ràng)很多人认为暗物质假说理论(lùn)就此终结(jié)。但是在宇宙当(dāng)中(zhōng)还有关于暗物质存在的(de)其他(tā)的(de)理论证据，这(zhè)些理(lǐ)论证据是蒙德理论所没法解释的“引力(lì)透镜”。

径向距离为(wèi)37亿光年的子弹星系团(tuán)，由两(liǎng)个碰撞的星系团所组成，类似(shì)这样(yàng)的星(xīng)团，它们大部分的(de)普通(tōng)质量都在星系的气体当中。当星团以1000万公里/小时发(fā)生(shēng)碰撞(zhuàng)的时(shí)候，星际气体的(de)相互(hù)作用就(jiù)会导致温度的急剧升高，速(sù)度大幅降低。所以在理(lǐ)论上，在碰撞之后，子弹星系团(tuán)大部分的(de)质量将位于所有这些气体所在的中间区域。那(nà)么我们通(tōng)过什么来验证它的质(zhì)量区(qū)域(yù)到底是不是集中在(zài)中间呢？前不久，詹姆斯韦伯太空望远镜传回了宇宙当中(zhōng)第一张全彩的(de)高清(qīng)照(zhào)片，在照片(piàn)中我们可以(yǐ)明显地看(kàn)到很多星系似乎被拉伸产生了(le)巨大的形(xíng)变(biàn)。其(qí)实(shí)这些(xiē)星(xīng)系本身并不(bù)是真的被(bèi)扭曲了，也不是韦伯望远镜出了什么问题，而是(shì)这(zhè)样极(jí)遥远的天体和我(wǒ)们地球上的观(guān)测者(z走后门是一种怎样的体验知乎，走后门是什么感受hě)之(zhī)间。被一个(gè)质(zhì)量超级巨大的天体遮挡，这个(gè)超大(dà)质量的东西的引力(lì)，会使身后更(gèng)遥(yáo)远星系的光(guāng)都发(fā)生了扭曲。这个现象就是引力透镜效应。这个巨大的天体可(kě)能(néng)是超(chāo)大质量的黑洞或者是暗物质。

所以当人们对子弹(dàn)星系团观测的(de)时候，发现它的大质量区域(yù)并(bìng)不是在中间，而是(shì)在两(liǎng)侧。所以最好的解释方法就是当星团(tuán)发生(shēng)全(quán)部的碰撞(zhuàng)时(shí)，可被观测(cè)到的质量气体被卡在(zài)了中间，暗物质则直接通(tōng)过了这个区域，并在两边形成(chéng)了(le)引力透镜(jìng)。对子弹(dàn)星系团的(de)引(yǐn)力(lì)透(tòu)镜研(yán)究也(yě)被(bèi)认为是暗(àn)物质存在的(de)迄(qì)今为(wèi)止(zhǐ)最好的(de)理论证据(jù)。

除此之外，还有来自(zì)宇(yǔ)宙(zhòu)当(dāng)中最古老的光。从(cóng)宇宙大爆炸开始，38万年之后，可见光终于可(kě)以畅通无阻地(dì)穿越在宇宙(zhòu)当中了。经过了130多亿年之后，这些光在宇宙空(kōng)间(jiān)背景上留(liú)下了(le)各相同性的微(wēi)波(bō)辐射。其中红色(sè)的部(bù)分表示温度较高的区域(yù)，蓝色则表示(shì)相对(duì)较(jiào)冷的区(qū)域，但实际上(shàng)它们之间的温差(chà)只(zhǐ)有万分(fēn)之一。

科学家们通过对前景背景分(fēn)离后的二值图像进行连通域(yù)提取和标记之后发现，如果宇宙当中(zhōng)没有(yǒu)暗物质，图形看起来不应该(gāi)是这样的，而随着暗物质的增加，一些峰值的幅度(dù)会减小，才(cái)变得看起来“和(hé)谐”。为了(le)匹配宇(yǔ)宙微波背(bèi)景辐射的测(cè)量值，我们需要的暗物(wù)质大(dà)约是普(pǔ)通物质(zhì)的(de)5倍。这个数字与解(jiě)释星系当(dāng)中(zhōng)恒星运动(dòng)所需(xū)要的暗物质比例是一(yī)致的(de)。这就意味着(zhe)。

用了(le)一(yī)个(gè)简单(dān)的(de)理论框架，就很好地解释了很(hěn)多不同的观测(cè)结果。而暗(àn)物质的(de)本(běn)质就是宇宙(zhòu)当(dāng)中(zhōng)存在着(zhe)某种类型的(de)粒子，它们不(bù)参与(yǔ)任何其(qí)他(tā)的电磁作用，只通过引力来相互(hù)作(zuò)用(yòng)。所(suǒ)以如果能够找到这种粒子的(de)存在，就相当于找到了暗物质存在的实际证据。这(zhè)种粒子到底是(shì)什么？科学(xué)家(jiā)们已经(jīng)提出了数十种(zhǒng)的假想目标(biāo)，而要寻(xún)找这些不同(tóng)的目标(biāo)粒子(zi)所(suǒ)需要的实验方式(shì)也不相同(tóng)。在(zài)过去的几十年当中，人类为了寻(xún)找这些看不见(jiàn)、摸不到，几乎不会与常(cháng)规物质相互作用的“暗物质”，科学家们(men)已(yǐ)经进行了超(chāo)过50次的实验，却没有任何实(shí)质性(xìng)的发现，除了一个地(dì)方(fāng)，意大利的格兰(lán)萨索山，隶属于阿尔卑斯山脉。

在(zài)山下1400米(mǐ)处的(de)地(dì)下(xià)矿井当(dāng)中，藏着地球上最大的地学实验室，这个实验室叫“DAMA/LIBRA”。这里(lǐ)有一(yī)个三层楼高(gāo)的探(tàn)测器，一直(zhí)致力于寻找暗(àn)物质(zhì)粒(lì)子的(de)周期(qī)性震荡。

自1997年以来，这里的科学家声称观测到了某种(zhǒng)信号。经过了(le)20多(duō)年的数据收集，人们发现了(le)一个有趣的事情。探测率会在(zài)每年的6月份(fèn)达到峰值，然后在11月降(jiàng)到最低(dī)，而且在20年当中(zhōng)每年(nián)都是(shì)一样(yàng)。一些科学家认为这可能(néng)是人类发现暗(àn)物质的第一个直接证(zhèng)据。

但是为什(shén)么暗物质会产生周(zhōu)期性的年度信号(hào)呢？刚才我们讲了太(tài)阳系正在以220公里(lǐ)/秒的速(sù)度围绕着银河系(xì)进(jìn)行移动，那(nà)么(me)如(rú)果暗物质存在宇宙当(dāng)中，这意味着我(wǒ)们(men)也在以这(zhè)样的(de)速度在穿(chuān)越着暗物质流，这个过程中会产(chǎn)生(shēng)相应的振荡，同时地(dì)球又以30公里/秒的速度(dù)围绕太阳进(jìn)行旋转。所以有半(bàn)年(nián)的时间，地球围绕太阳(yáng)的方向(xiàng)与太(tài)阳环绕银河(hé)系(xì)的方向(xiàng)是(shì)一致的，而另外半年则(zé)与之(zhī)相反。

而(ér)在(zài)6月份(fèn)的时候，地球与太阳的方向正好达到(dào)完全(quán)一(yī)致，这是理论(lùn)上地球穿越暗物(wù)质流最(zuì)快的(de)时段。而在11月份(fèn)，又恰好达到了最慢值。尽管在实际的情况中，太阳系相(xiāng)对银(yín)河系(xì)的平面呈现(xiàn)了(le)60度的倾斜，但(dàn)是这并不影(yǐng)响这(zhè)个理论的有(yǒu)效性。

因此科学家(jiā)认为(wèi)这(zhè)可(kě)以用来解释(shì)，研究人员们所观测到的周期(qī)性信号。当(dāng)然也可(kě)能有其(qí)他的(de)情况，造(zào)成这种年度周期信号的(de)差异也可能(néng)是温度、湿(shī)度(dù)、土(tǔ)壤中(zhōng)的水分、高山上的积雪(xuě)，甚至连意大(dà)利游客的(de)数量(liàng)也符合(hé)这个(gè)周期的规律。

所以，科(kē)学家们(men)又在南半球建立了(le)一个几乎(hū)相(xiāng)同的(de)实验(yàn)室，这里(lǐ)的季节与之前的实验室(shì)正好(hǎo)相反，而(ér)在这里(lǐ)，地球(qiú)穿过暗物质(zhì)流的运动特征和(hé)第一个实验室(shì)是一样(yàng)的。

因此，如果在这里可以得(dé)到相同(tóng)的(de)信号，就(jiù)可(kě)以成为暗物质(zhì)所存在的(de)非(fēi)常有力的证据了(le)。但是由于这个实(shí)验室刚刚建成不久，所以截至目前(qián)还(hái)无(wú)法(fǎ)提(tí)供相(xiāng)应的(de)数据支持。另外，在(zài)2025年，NASA将会发射一台新的望远镜，这台太空望(wàng)远(yuǎn)镜叫做(zuò)“南(nán)希格雷斯罗曼(màn)”，它的主镜大小跟(gēn)哈勃(bó)望(wàng)远镜相(xiāng)同，但它的宽视场(chǎng)仪器提(tí)供的视野(yě)是哈勃红外仪器(qì)的100倍。南希格(gé)雷(léi)斯罗曼太空望远镜其中一个关键的用(yòng)途就是探索暗(àn)物质背后的奥秘，对于探测的结(jié)果(guǒ)，我们只能拭目(mù)以(yǐ)待了(le)。费(fèi)米实验(yàn)室粒子天体物理中心(xīn)的科学家丹琥珀和贾(jiǎ)森斯特芬研究(jiū)发现，如(rú)果暗(àn)物质存(cún)在，它(tā)们极有可能拥有另(lìng)一种神秘的效应，这种暗物质效应，会支持宇宙当中生(shēng)命的诞(dàn)生，或者说是生命进(jìn)化的(de)一个重要(yào)因素。

如(rú)果(guǒ)这一理论得到进一步的证实(shí)，那(nà)么遍布宇宙当中的暗物(wù)质会不会(huì)意味着人类并不孤单呢？或许在宇宙(zhòu)当中某个(gè)角落的行星上，暗物(wù)质正在通过这(zhè)样的效应创(chuàng)造生命。当然，这些推(tuī)论(lùn)的大(dà)前提是要先(xiān)找到暗物质存(cún)在的实际(jì)证据。那么小伙伴们，你们觉得暗物质(zhì)到底(dǐ)存(cún)不存在呢？喜(xǐ)欢请点赞，你的支(zhī)持是我更(gèng)新(xīn)的(de)动力！

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