宇宙是(shìarctan1怎么算出来的，arctan1怎么算？)“人为制造”的？为(wèi)何(hé)会存在科学无(wú)法解释的“暗物质”？暗物质(zhì)又究竟是什(shén)么？人(rén)类为(wèi)了(le)寻找暗物质存(cún)在的(de)证据(jù)，科学家们在(zài)过去(qù)的几十(shí)年当中进行了(le)超过(guò)50次的长期实验，但是却(què)没(méi)有发现任何的有效证(zhèng)据。除(chú)了一个地方，在1687年出版的自然(rán)哲(zhé)学数(shù)学原(yuán)理一书中，埃萨克牛(niú)顿(dùn)发表了万(wàn)有引(yǐn)力(lì)定律，它揭示了宇宙(zhòu)中天体运动(dòng)的(de)规律。往后的几(jǐ)百年来(lái)，当天文学家们(men)发现某(mǒu)些天(tiān)体运(yùn)行轨道出现异常，不符合万有引力定(dìng)律(lǜ)的时候，他们就会知道，周围一定有未知的(de)天(tiān)体通(tōng)过引力在(zài)摄动它的轨道。比如在1846年(nián)，奥本勒维耶就通过天王星(xīng)运行轨道的异常，推算并且(qiě)发(fā)现(xiàn)了(le)海王(wáng)星的存在。另外，哈(hā)雷(léi)彗(huì)星、冥王星的发(fā)现(xiàn)都是应用万(wàn)有引(yǐn)力定律所取(qǔ)得重大天(tiān)文成就的例(lì)子。但是这些发(fā)现都(dōu)是在恒星系统(tǒng)的尺度当中，可当我们(men)上升到星(xīng)系或者是星团的尺度，事情(qíng)就开始变得(dé)诡异了。

1933年，瑞士的(de)物理学(xué)家弗里茨兹威基正在研究和测(cè)量后(hòu)发(fā)星系团的质量。这是一个由数千个星系所组(zǔ)成的(de)巨大星系(xì)团(tuán)，这些星系(xì)被(bèi)引力束(shù)缚(fù)在一起。测量(liàng)星系(xì)团的质量(liàng)一般会使用到两种(zhǒng)方(fāng)法，当(dāng)两种方法(fǎ)结果一致，就(jiù)可以(yǐ)确定其质量的范围(wéi)。

第一种是获得其"光度(dù)学的质量"，需要的数据是测量各(gè)个星(xīng)系的光度。

第二种(zhǒng)是动(dòng)力学质量的计算，是(shì)利用(yòng)光谱(pǔ)红移测量星系团(tuán)中的各个星系相对于星系团的运(yùn)动速度。当测(cè)量结果出(chū)来之(zhī)后，兹威基(jī)彻底懵了，“动力学质量”竟然是“光度学质量(liàng)”的400倍。这意味着，后(hòu)发座(zuò)星系团有99%的质量消失了，或者说这99%的质量并(bìng)不以可见光的形式所存在，我们(men)无法(fǎ)看到。最(zuì)诡(guǐ)异的(de)是，在测量速度的过程中(zhōng)，兹威基发现星(xīng)系团中(zhōng)很多星(xīng)系的速度比理论上要(yào)快得(dé)多，按照牛顿的运(yùn)动学定律，仅靠这些(xiē)可(kě)见星系的质量所(suǒ)产生的引(yǐn)力(lì)是无法将(jiāng)它们束缚在星系团内(nèi)的，它们早就应该(gāi)被抛出星系团之(zhī)外了，除非有一种神(shén)秘的(de)力量在起(qǐ)作用，这种力(lì)量来源(yuán)于某(mǒu)种隐形(xíng)的(de)物(wù)质。

据(jù)此，兹维基提出了(le)这(zhè)样部分不可(kě)见的暗质，它不发散光、吸光、反射光，但是它们(men)却占据着宇宙中绝大部分的质量。只是当(dāng)时的(de)人们对这(zhè)样的一种说法不屑(xiè)一(yī)顾。

直(zhí)到40年之后，“暗(àn)物质”这个词才再(zài)一次出现(xiàn)。天文学(xué)家维拉鲁(lǔ)宾和肯(kěn)特福特在观测仙女座星(xīng)系(xì)中的(de)恒星(xīng)运动(dòng)。理论上来说，距离中心越远的恒星在其轨道上的运(yùn)行(xíng)速(sù)度就会(huì)越慢。但(dàn)是(shì)他们(men)观测的结果却(què)让人感到不可思议。

随(suí)着与中心距离的增加，恒(héng)星的旋转速度几乎保持(chí)不变(biàn)。可是根据牛顿(dùn)的万有引(yǐn)力定律(lǜ)，在星系当中如果没有足够(gòu)大(dà)的(de)质量来吸(xī)引它们，这些外围的恒(héng)星早(zǎo)就被(bèi)甩到宇宙当(dāng)中了。基于这种(zhǒng)现象(xiàng)，科学家(jiā)们会(huì)使用一(yī)种相(xiāng)对标准的(de)方法来解释暗物质的存在，这(zhè)种方法就是测量星系当中(zhōng)气(qì)体在X轴上arctan1怎么算出来的，arctan1怎么算？距离星系中心的距离，以及在Y轴上气体的旋(xuán)转速度(dù)。如果出现异常的结果，就认为是由暗物质的力量进入其中。

于是(shì)科学家(jiā)们通过射电望远镜测量了距离星系中心更远距离的氢元素，发(fā)现它(tā)们的旋转(zhuǎn)速度并(bìng)不(bù)符合牛顿的力学定律(lǜ)。我们的太阳系也(yě)不例外，太阳系位于银河(hé)系(xì)的第三悬(xuán)臂之上，距离银河系中心2.6万(wàn)光年，根据万有引力(lì)定律进行计算(suàn)，太(tài)阳系的(de)运行速度应该是160千米(mǐ)/秒(miǎo)，但实(shí)际上，太阳系正(zhèng)在(zài)以220千米/秒的速度围绕银河系旋转，这(zhè)个实际(jì)速(sù)度远远大于理(lǐ)论(lùn)速度，那么产生以上(shàng)这种向(xiàng)心加速度的原因很(hěn)可能就是存(cún)在着一(yī)种我们(men)看不到的物质，是这些暗物质的引力效(xiào)应将星(xīng)系聚集在了一起。

也是从这时开始，越来越多(duō)的研究人员开(kāi)始相(xiāng)信暗物质(zhì)的存(cún)在(zài)。科学家根据(jù)星(xīng)系外恒星轨道(dào)的速度，估算在星系当中(zhōng)暗物质(zhì)的质量占整个星系质量的85%。但是，暗物质并不是(shì)唯一可以解(jiě)释这个现象的(de)原因。在一项新的研究(jiū)当(dāng)中(zhōng)，科学家(jiā)们发现，几(jǐ)乎没(méi)有引(yǐn)力(lì)效应(yīng)的遥远恒星之间，也会(huì)出现(xiàn)速度(dù)上的微小差(chà)异。另外，天文学家(jiā)还发(fā)现了一(yī)个反常的星系(xì)，叫做Agc114905。这(zhè)个星系距离地球(qiú)大(dà)约2.5亿(yì)光年，大小和(hé)银(yín)河系不多，但(dàn)是星系当中(zhōng)存在的恒星数量却只有银河系的(de)千分(fēn)之一。

所(suǒ)以在理(lǐ)论(lùn)上(shàng)，该星(xīng)系必(bì)须(xū)存在暗(àn)物(wù)质，否(fǒu)则就会分(fēn)崩离析(xī)。但是科学(xué)家们使(shǐ)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，发现星系中的恒星(xīng)运动是可以(yǐ)用正(zhèng)常的(de)物质和力学定律(lǜ)来解(jiě)释的。那么又(yòu)有人提出，也许该星系的暗物质，已(yǐ)经被附近(jìn)的另(lìng)一个大星系(xì)剥离了。奇怪(guài)的是，它(tā)的附近没有任何星系存在。造(zào)成这些现(xiàn)象的除了暗物质的假(jiǎ)说之(zhī)外，另一种可能(néng)就(jiù)是人类对引力(lì)的(de)理解还不(bù)够全面，引力很可能在(zài)不同尺(chǐ)度空间中的工作方式是不同(tóng)的(de)，这意味(wèi)着在行星系(xì)尺度中的(de)天体会(huì)沿着它们(men)的(de)轨(guǐ)道，按照我们所(suǒ)理解的方式运动。但是上升到星系和星(xīng)团的尺度，引力之(zhī)间的(de)相互作用(yòng)则是不同的方(fāng)式。对于在星系(xì)团之间的(de)相互作(zuò)用(yòng)，科学家还(hái)引入了外部场效应的概念，指的是在数百万光(guāng)年(nián)的规模上，巨大的(de)质量(liàng)之间会产生对(duì)彼此特殊的效果，这个理论叫(jiào)做(zuò)MOND蒙德理论。如果(guǒ)MOND蒙德理论成(chéng)立，这意味着我们需要对(duì)现(xiàn)在的物理(lǐ)定(dìng)律进(jìn)行修(xiū)正(zhèng)，这些(xiē)发现(xiàn)也让很(hěn)多人认为暗物质假说理(lǐ)论就此终结。但是在宇(yǔ)宙(zhòu)当中(zhōng)还有关于(yú)暗物质存(cún)在的(de)其他(tā)的(de)理论证据(jù)，这(zhè)些(xiē)理论证据是蒙德理论所没法解释的“引力透镜(jìng)”。

径(jìng)向距离为37亿光(guāng)年的(de)子弹星系(xì)团，由两个碰撞的(de)星系团所组成，类似这样的星(xīng)团(tuán)，它(tā)们大(dà)部分的普(pǔ)通质(zhì)量(liàng)都在星系(xì)的气体当中。当(dāng)星团以(yǐ)1000万公(gōng)里/小时发生碰撞的时候，星际气体(tǐ)的相互(hù)作用(yòng)就会(huì)导致温(wēn)度的(de)急剧(jù)升高，速度大幅降(jiàng)低。所(suǒ)以在理(lǐ)论上，在碰撞(zhuàng)之后，子弹星系团大部分的质量将位于所有这些气体所在的中间区域(yù)。那么(me)我(wǒ)们通过什么来验证它的(de)质量(liàng)区域(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第一张全(quán)彩(cǎi)的高清照片，在照片中我们可以明显地看到很多星系似乎(hū)被拉伸产生了巨大的形变。其实这些星系(xì)本(běn)身并(bìng)不是(shì)真(zhēn)的被扭曲了，也不(bù)是(shì)韦(wéi)伯(bó)望远镜出了什么问题，而是这样极遥远的天(tiān)体和我们地球(qiú)上(shàng)的观测(cè)者之(zhī)间。被一(yī)个质量超(chāo)级巨大(dà)的天体遮挡，这个超大质量(liàng)的东西(xī)的引(yǐn)力(lì)，会使身后(hòu)更遥远(yuǎn)星系的光都(dōu)发生(shēng)了扭(niǔ)曲。这个(gè)现象(xiàng)就(jiù)是引(yǐn)力透镜效应。这个巨大的(de)天体(tǐ)可(kě)能是(shì)超大(dà)质量(liàng)的黑洞(dòng)或者是(shì)暗物质。

所(suǒ)以当(dāng)人(rén)们(men)对子弹星系团观测(cè)的时候，发(fā)现(xiàn)它的(de)大质量区域并不(bù)是在中(zhōng)间，而是在(zài)两侧。所以最(zuì)好的(de)解(jiě)释(shì)方法(fǎ)就是当(dāng)星团发生全(quán)部的碰撞(zhuàng)时，可被观测到的质量气体(tǐ)被卡(kǎ)在了中间，暗(àn)物(wù)质则直(zhí)接通过(guò)了这个区域，并(bìng)在两边形成了引力透镜。对子弹(dàn)星系团的引力(lì)透镜(jìng)研(yán)究也被(bèi)认为是暗物(wù)质存(cún)在的迄今为(wèi)止最(zuì)好的理(lǐ)论证据(jù)。

除(chú)此(cǐ)之外，还有(yǒu)来自宇(yǔ)宙当中最古老的光。从宇宙大爆炸开始(shǐ)，38万年之后，可见光终于可以畅通无阻(zǔ)地穿越在宇宙(zhòu)当中(zhōng)了。经过了130多(duō)亿年之后，这些光在(zài)宇(yǔ)宙空间背(bèi)景上留(liú)下了各相同(tóng)性(xìng)的微波(bō)辐射。其中红(hóng)色的部分表示温度较高的区域，蓝色则(zé)表(biǎo)示相对较冷的(de)区域，但实(shí)际上它(tā)们之(zhī)间的(de)温(wēn)差只有万(wàn)分(fēn)之一。

科学(xué)家(jiā)们通(tōng)过对(duì)前景背景分(fēn)离后的二值(zhí)图像(xiàng)进行连通(tōng)域提取和标记之后发现(xiàn)，如(rú)果宇宙当中没有暗(àn)物质(zhì)，图形看起来不(bù)应(yīng)该是这样的，而随着暗物质的增(zēng)加，一(yī)些峰值的幅度(dù)会减小，才(cái)变得看起来(lái)“和谐”。为了匹(pǐ)配(pèi)宇宙微波背景辐(fú)射的测量值，我们需要的(de)暗物质大约是(shì)普通物(wù)质的5倍。这个(gè)数字与解释星系(xì)当中恒(héng)星运动所需要的暗物质比(bǐ)例是一致的(de)。这就意味着(zhe)。

用了一个(gè)简单的理论框架(jià)，就很好地解释(shì)了很多(duō)不同的(de)观测结果。而(ér)暗物质的本质就是(shì)宇宙当中存在着某种(zhǒng)类型的粒(lì)子，它(tā)们不参与(yǔ)任(rèn)何其他的电磁作用，只通过引力来相(xiāng)互作用。所以如果能够找(zhǎo)到这(zhè)种粒子的存在，就相当(dāng)于找到(dào)了暗物质存在的实际证(zhèng)据。这种粒子到底(dǐ)是什么(me)？科学家们已经提出(chū)了数十种(zhǒng)的假想(xiǎng)目标(biāo)，而要寻(xún)找(zhǎo)这些不同的目标粒子所需要(yào)的实验(yàn)方式也不相(xiāng)同。在过(guò)去的(de)几十年当中，人类为了寻(xún)找这些看不见、摸不到(dào)，几乎不会(huì)与常规物质相互作用的“暗物质”，科学家(jiā)们(men)已经进(jìn)行(xíng)了超过50次的(de)实验(yàn)，却没有任何实质性的发现(xiàn)，除(chú)了一个地方(fāng)，意大利的格兰萨索山，隶属于阿尔卑斯(sī)山脉。

在山下1400米处的(de)地下矿井(jǐng)当中，藏着(zhe)地球(qiú)上最大的地(dì)学实验室，这(zhè)个实(shí)验室叫“DAMA/LIBRA”。这里有一个三层楼高的探(tàn)测器，一直致(zhì)力于寻(xún)找暗物质粒子的周期性(xìng)震(zhèn)荡。

自1997年(nián)以来，这里的科学(xué)家声称观测(cè)到(dào)了某种信号(hào)。经过了20多年的(de)数据(jù)收集，人(rén)们发现了一个有(yǒu)趣的事情。探测(cè)率会在每年的6月份达到峰值，然后(hòu)在(zài)11月降到最低，而且在(zài)20年当中每年都是一样。一(yī)些科学家认为这可能是人类(lèi)发现暗(àn)物(wù)质的第一个(gè)直接(jiē)证(zhèng)据。

但是(shì)为什(shén)么暗(àn)物质会产生(shēng)周(zhōu)期性的年度信号呢？刚才我们讲了太阳系正在以220公里/秒的速度(dù)围绕着银河系(xì)进行移(yí)动，那么(me)如果(guǒ)暗物质存在宇(yǔ)宙当中，这意味着(zhe)我(wǒ)们也在以这样的速(sù)度在穿越着暗物质流(liú)，这个过程中会产生相(xiāng)应的振(zhèn)荡，同(tóng)时(shí)地球又以(yǐ)30公里/秒的速度(dù)围绕(rào)太(tài)阳(yáng)进行旋转。所(suǒ)以有(yǒu)半年的时间，地球围(wéi)绕(rào)太阳(yáng)的方(fāng)向与太阳环绕银河(hé)系的(de)方向(xiàng)是一致的，而(ér)另外半年则与之相(xiāng)反。

而在6月份的时(shí)候，地(dì)球与(yǔ)太阳的方向(xiàng)正(zhèng)好达到完全一致，这是理(lǐ)论(lùn)上(shàng)地球穿越暗物质流最快(kuài)的(de)时段(duàn)。而在11月份，又恰好达到了(le)最慢值。尽(jǐn)管在实际的情况(kuàng)中，太阳系相(xiāng)对银河系的平面呈现了60度的倾斜，但是这(zhè)并不影响这(zhè)个理论的有效性(xìng)。

因此科学家认为(wèi)这可以用来(lái)解(jiě)释，研究人(rén)员们所观(guān)测到的周期(qī)性信号。当(dāng)然也可能有其他的情况(kuàng)，造成这种(zhǒng)年度周(zhōu)期信号的差异也可能是温度、湿度、土壤中的水分、高山上的积雪(xuě)，甚至连意大利游客的(de)数(shù)量也(yě)符合这个(gè)周期的规律。

所以，科(kē)学家们又(yòu)在南半(bàn)球建(jiàn)立了一个(gè)几乎相同(tóng)的(de)实验室，这里(lǐ)的季节(jié)与之前的实验室正好相反，而在这里，地球穿过暗物质流(liú)的运动(dòng)特征和第一个实(shí)验室(shì)是一样的。

因(yīn)此(cǐ)，如果在这里(lǐ)可以得到相同的信号，就(jiù)可以(yǐ)成为(wèi)暗物质所存在的(de)非常(cháng)有力的(de)证据了。但是由于这(zhè)个(gè)实验(yàn)室刚刚建成(chéng)不(bù)久，所(suǒ)以截至目前(qián)还无法提供相应的数据支持。另外，在2025年，NASA将会发(fā)射一台新(xīn)的(de)望远镜，这台太空望(wàng)远镜叫做“南(nán)希(xī)格雷斯(sī)罗曼(màn)”，它的主(zhǔ)镜大(dà)小跟哈勃望远镜相同，但它的(de)宽(kuān)视场仪器提供的视野是哈勃红外仪器的100倍。南(nán)希格雷斯罗曼太空望(wàng)远镜其中一个(gè)关键的用途就是探索暗物(wù)质背后(hòu)的奥秘(mì)，对(duì)于探测的(de)结果，我们只能(néng)拭(shì)目以(yǐ)待了。费米实验室(shì)粒子(zi)天体物(wù)理中心(xīn)的科学(xué)家(jiā)丹(dān)琥珀和贾(jiǎ)森斯特芬研(yán)究发(fā)现，如果暗(àn)物(wù)质(zhì)存在，它们极有可(kě)能拥有另一种神秘的效应，这种暗(àn)物质效应，会支持宇(yǔ)宙当中生命(mìng)的诞生，或者说是生命进化的一个重要因素。

如(rú)果这一理论(lùn)得到进(jìn)一步的证实，那(nà)么遍布宇宙当中的暗物质会不会意味(wèi)着人类并不孤单呢？或许在宇(yǔ)宙(zhòu)当中某个角落的行(xíng)星(xīng)上，暗物质(zhì)正在通过这样的(de)效应创造(zào)生命。当然(rán)，这些推论(lùn)的(de)大前提是要先找(zhǎo)到(dào)暗(àn)物质存在的实际证据。那么小伙伴们，你(nǐ)们觉(jué)得暗物质到底存不存在呢(ne)？喜欢(huān)请点赞，你(nǐ)的支持(chí)是我(wǒ)更新的(de)动力！

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