隐匿的宇宙：用基本粒子解开宇宙之谜

　　太空中看到的银河，近日由宇航员Jack Fischer拍摄。
　　小时候抬头仰望夜空，我们总是充满好奇：
　　“月亮圆了又缺，嫦娥姐姐和玉兔一直住在里面吗？
　　天天上的星星是从哪里来的，为什么只在晚上出现？
　　除了自家院子的星星，是否还有我看不到的星星呢？”
　　随着年龄的增大，我们的问题慢慢变成了：
　　“我是谁？
　　我从何而来？
　　我要去向何方？”
　　虽然这个问题要耗费我们一生的时间去回答，但同时，我们也对这样更为本源的问题产生了兴趣：
　　“宇宙是如何诞生的？
　　我们为何处在这个宇宙之中？
　　宇宙今后将何去何从？”
　　在自然科学还未发展的时代，这可是哲学家们思考的问题！人类对此思索了几千年，但仍存在许多未解之谜。今天我们就来聊一下宇宙之初始印象——该用什么样的语言以及如何来描述宇宙？”

　　1. 数学的语言
　　最近三十年来，通过三代卫星实验对宇宙微波背景辐射的观测，科学家们精确地考证出，宇宙诞生于138 亿年前的一次大爆炸，膨胀至今，可观测宇宙的大小已达四百多亿光年。诞生之初，宇宙充满炽热的高能粒子，它们产生、湮灭、演化，遵循的规律可以在实验室的高能加速器中重现出来。最大的宇宙与最小的粒子在这里神奇地联系到了一起。人们终于从哲学的思考，找到了科学的路径来了解宇宙起源。

　　“科学之力”让我们能够进一步靠近并触碰自然深层的秘密。通过各种各样的实验，宇宙研究领域不断涌现出令人震惊的数据。这些数据使得理论研究也得到了发展，独特的新观点也随之产生。把目前宇宙理论领域发生的变化，类比为“地心说”向“日心说”的转变也不为过。
　　还记得伽利略吗？早在1609 年，伽利略利用自制的望远镜，发现木星存在4 颗卫星，这些卫星的运行方式类似于围绕地球旋转的月球。于是他认为，如果木星周围存在旋转的卫星，那么地球围绕太阳旋转也并不稀奇。

　　随后，这成为了他摒弃地心说、提出日心说的根据之一。从这层意义上讲，400 年前伽利略用望远镜观测天空这一举动，对于人类而言可以说是个历史性的瞬间。他得出个结论，“宇宙是用数学语言书写的。”
　　我没听错吧？宇宙不是由原子构成的嘛！看来小编要恶补一下天文知识了！后来小编看书了解到，在没有望远镜的过去，人们只能依靠肉眼仰望繁星闪烁的夜空。他们在漆黑的夜幕中描绘出了神或动物形状的星座，并认为天上是与地上世界不同的另外一个辽阔世界。基本可以说那是一个“想象中的世界”。
　　然而，现代人印象中的宇宙已经非常具体。高端望远镜的问世，让我们得以观测到极为逼真的宇宙风貌。牛顿在他名为《自然哲学的数学原理》的著作中阐明万有引力定律。这个书名的含义正如伽利略所言——“宇宙是用数学语言书写的”。这样看来，数学与物理联合的理念其实早已存在。

　　2. 从极小到极大的世界
　　那么你有没有想过渺小的基本粒子会与浩瀚的宇宙存在联系呢？
　　在直观感觉上，“宇宙”与“基本粒子”似乎完全不相关，毕竟两者大小迥异，如有天壤之别。宇宙是世界之极大，而基本粒子是世界之极小。首先，让我们以身边的物体作为参照物，来思索一下宇宙到底有多大。同时思考极小的基本粒子和极大的宇宙，让我们用“数字的位数”来大体表示一下。
　　例如，苹果的直径约为10 厘米（0.1 米）。人类的身高要增加1位数，在1 ～ 2 米左右。街上的大厦和公寓的高度要再增加1 位数，高度大概为几十米。东京塔的高度为333 米，东京晴空塔的高度约为634 米。如果换成物理学领域经常使用的表达方式，这两座塔的高度就分别约为“3×10[2]米”和“6×10[2]米”。(注: 下文中[ ]符号代表数字的次幂)
　　日本最高的山峰富士山（海拔约为3776 米）的数字位数则为“10[3]”。那么，“承载”富士山的地球的直径有多大呢？地球直径约为12 000 千米，换算成米的单位之后，数字位数为“10[7]”，相当于富士山高度的1 万倍。地球围绕太阳公转的轨道直径是富士山高度1 万倍的1 万倍（10[11] 米）。这种级别的数字已经让我们感觉陌生而遥远了。但是，从宇宙整体来看，这种级别的数字只是沧海一粟，微不足道。来看看我们这个极大又极小的世界~

　　太阳系仅仅是位于银河系一个角落的天体系统，银河系的直径约是地球公转轨道直径的10 亿倍（10[20]米）。另外，银河系与其他星系一起构成了“星系团”，星系团的直径规模约为银河系的1000 倍（10[23]米）。
　　宇宙中还存在很多这样的星系团，而将这些星系团全部包裹起来的就是宇宙。我们目前能够实际观测到的宇宙大小为1 个星系团的1 万倍（10[27]米）。“万亿”（10[12]）和“京”（10[16]）这两个单位已经无法再表达这种规模的数字，因此需要用到“10[X]”这样的表达。这正是所谓的“天文数字”。
　　在我们目前能够观测和理解的范围内，宇宙的尺寸为10[27]米，基本粒子的尺寸为10[-35]米。这两个“不讲理”的数字就构成了我们自然界的“宽度”。
　　或许可以这么说，处在两个极端的宇宙研究和基本粒子研究，它们之间存在62 位数的“距离”。不过，最近的研究发现，这两个看似毫无关系的研究领域其实紧密相连。它们产生联系的背景是“大爆炸宇宙论”。
　　大爆炸的观点认为，宇宙最初并非是现在这样的巨大空间，而是自诞生之后逐渐膨胀，逐渐变为了现在的大小。如果宇宙一直在膨胀，那么追溯宇宙历史的时候，便会发现宇宙的尺寸是在不断变小的。大爆炸之后的最初的宇宙应该是小到不能再小的尺寸吧。你不觉得这正是“基本粒子的世界”吗？
　　因此，要想知晓宇宙的起源，还真的要理解基本粒子的相关知识。反过来，对庞大的宇宙的研究也能捕捉到渺小的基本粒子的信息。虽然二者看似处于自然界的两个极端，但是它们却存在着不可割裂的关系。
　　3. 世界是一条“响尾蛇”
　　大家知道希腊神话中的“衔尾蛇”吗？它是一条正在吞食自己尾巴的蛇，在古希腊时代衔尾蛇是“整个世界”的象征。我在思考宇宙和基本粒子的时候，会经常想起这条蛇。宇宙作为蛇头正在吞食作为蛇尾的基本粒子。我在不断追逐观察浩瀚宇宙尽头的梦想时，发现那里存在基本粒子；随着对最小物质的研究逐渐深入，发现在那里等待是张着血盆大口的宇宙。

　　那么，当以宇宙正在加速膨胀为前提的时候，宇宙的未来又会怎样呢？宇宙只会不断膨胀下去吧？如果暗能量越来越多地增加下去，宇宙的膨胀就会不断加速，最终宇宙的膨胀速度将达到无穷大。这到底意味着什么呢？我自己也不是很清楚，只能认为那是“宇宙的终结”。
　　那么，刚开始我的疑问，宇宙是如何诞生的？我们为何处在这个宇宙之中？宇宙今后将何去何从？很遗憾，目前真的没有准确的答案。但是，科学家们早已开始努力去阐明这些问题。迄今为止，物理学已经解开了各种各样的谜题，一点一点地揭开了宇宙结构的神秘面纱。今后，物理学还会继续在追寻宇宙谜题的道路上，逐个解决疑难问题。如果你想知道更多有关宇宙的事，那么下面这本新书就是个不错的选择。（以上内容来自《隐匿的宇宙：用基本粒子解开宇宙之谜》）

　　作者：村山齐
　　译者：逸宁
　　定价：42.00元

• 从“基本粒子”到“黑暗繁星”，探索宇宙的起源与黑暗秘密
  
• 日文版累计销量突破320,000册
  
• 日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构 所长、Coursera人气课程“从大爆炸到暗能量”讲授者 村山齐 科普力作
  
• 中国科学院高能物理所研究员 曹俊 作序推荐
  

　　本书的作者是被称为“宇宙达人”的村山齐（Hitoshi Murayama），他1964 年出生于日本东京，美国加州大学伯克利分校教授、东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构所长。是基本粒子理论、基础科学领域的年轻带头人之一。