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隱匿的宇宙:用基本粒子解開宇宙之謎

  太空中看到的銀河,近日由宇航員Jack Fischer拍攝。
  小時候抬頭仰望夜空,我們總是充滿好奇:
  “月亮圓了又缺,嫦娥姐姐和玉兔一直住在里面嗎?
  天天上的星星是從哪里來的,為什么只在晚上出現?
  除了自家院子的星星,是否還有我看不到的星星呢?”
  隨著年齡的增大,我們的問題慢慢變成了:
  “我是誰?
  我從何而來?
  我要去向何方?”
  雖然這個問題要耗費我們一生的時間去回答,但同時,我們也對這樣更為本源的問題產生了興趣:
  “宇宙是如何誕生的?
  我們為何處在這個宇宙之中?
  宇宙今后將何去何從?”
  在自然科學還未發展的時代,這可是哲學家們思考的問題!人類對此思索了幾千年,但仍存在許多未解之謎。今天我們就來聊一下宇宙之初始印象——該用什么樣的語言以及如何來描述宇宙?”
  1. 數學的語言
  最近三十年來,通過三代衛星實驗對宇宙微波背景輻射的觀測,科學家們精確地考證出,宇宙誕生于138 億年前的一次大爆炸,膨脹至今,可觀測宇宙的大小已達四百多億光年。誕生之初,宇宙充滿熾熱的高能粒子,它們產生、湮滅、演化,遵循的規律可以在實驗室的高能加速器中重現出來。最大的宇宙與最小的粒子在這里神奇地聯系到了一起。人們終于從哲學的思考,找到了科學的路徑來了解宇宙起源。
  “科學之力”讓我們能夠進一步靠近并觸碰自然深層的秘密。通過各種各樣的實驗,宇宙研究領域不斷涌現出令人震驚的數據。這些數據使得理論研究也得到了發展,獨特的新觀點也隨之產生。把目前宇宙理論領域發生的變化,類比為“地心說”向“日心說”的轉變也不為過。
  還記得伽利略嗎?早在1609 年,伽利略利用自制的望遠鏡,發現木星存在4 顆衛星,這些衛星的運行方式類似于圍繞地球旋轉的月球。于是他認為,如果木星周圍存在旋轉的衛星,那么地球圍繞太陽旋轉也并不稀奇。
  隨后,這成為了他摒棄地心說、提出日心說的根據之一。從這層意義上講,400 年前伽利略用望遠鏡觀測天空這一舉動,對于人類而言可以說是個歷史性的瞬間。他得出個結論,“宇宙是用數學語言書寫的。”
  我沒聽錯吧?宇宙不是由原子構成的嘛!看來小編要惡補一下天文知識了!后來小編看書了解到,在沒有望遠鏡的過去,人們只能依靠肉眼仰望繁星閃爍的夜空。他們在漆黑的夜幕中描繪出了神或動物形狀的星座,并認為天上是與地上世界不同的另外一個遼闊世界。基本可以說那是一個“想象中的世界”。
  然而,現代人印象中的宇宙已經非常具體。高端望遠鏡的問世,讓我們得以觀測到極為逼真的宇宙風貌。牛頓在他名為《自然哲學的數學原理》的著作中闡明萬有引力定律。這個書名的含義正如伽利略所言——“宇宙是用數學語言書寫的”。這樣看來,數學與物理聯合的理念其實早已存在。
  2. 從極小到極大的世界
  那么你有沒有想過渺小的基本粒子會與浩瀚的宇宙存在聯系呢?
  在直觀感覺上,“宇宙”與“基本粒子”似乎完全不相關,畢竟兩者大小迥異,如有天壤之別。宇宙是世界之極大,而基本粒子是世界之極小。首先,讓我們以身邊的物體作為參照物,來思索一下宇宙到底有多大。同時思考極小的基本粒子和極大的宇宙,讓我們用“數字的位數”來大體表示一下。
  例如,蘋果的直徑約為10 厘米(0.1 米)。人類的身高要增加1位數,在1 ~ 2 米左右。街上的大廈和公寓的高度要再增加1 位數,高度大概為幾十米。東京塔的高度為333 米,東京晴空塔的高度約為634 米。如果換成物理學領域經常使用的表達方式,這兩座塔的高度就分別約為“3×10[2]米”和“6×10[2]米”。(注: 下文中[ ]符號代表數字的次冪)
  日本最高的山峰富士山(海拔約為3776 米)的數字位數則為“10[3]”。那么,“承載”富士山的地球的直徑有多大呢?地球直徑約為12 000 千米,換算成米的單位之后,數字位數為“10[7]”,相當于富士山高度的1 萬倍。地球圍繞太陽公轉的軌道直徑是富士山高度1 萬倍的1 萬倍(10[11] 米)。這種級別的數字已經讓我們感覺陌生而遙遠了。但是,從宇宙整體來看,這種級別的數字只是滄海一粟,微不足道。來看看我們這個極大又極小的世界~


  太陽系僅僅是位于銀河系一個角落的天體系統,銀河系的直徑約是地球公轉軌道直徑的10 億倍(10[20]米)。另外,銀河系與其他星系一起構成了“星系團”,星系團的直徑規模約為銀河系的1000 倍(10[23]米)。
  宇宙中還存在很多這樣的星系團,而將這些星系團全部包裹起來的就是宇宙。我們目前能夠實際觀測到的宇宙大小為1 個星系團的1 萬倍(10[27]米)。“萬億”(10[12])和“京”(10[16])這兩個單位已經無法再表達這種規模的數字,因此需要用到“10[X]”這樣的表達。這正是所謂的“天文數字”。
  在我們目前能夠觀測和理解的范圍內,宇宙的尺寸為10[27]米,基本粒子的尺寸為10[-35]米。這兩個“不講理”的數字就構成了我們自然界的“寬度”。
  或許可以這么說,處在兩個極端的宇宙研究和基本粒子研究,它們之間存在62 位數的“距離”。不過,最近的研究發現,這兩個看似毫無關系的研究領域其實緊密相連。它們產生聯系的背景是“大爆炸宇宙論”。
  大爆炸的觀點認為,宇宙最初并非是現在這樣的巨大空間,而是自誕生之后逐漸膨脹,逐漸變為了現在的大小。如果宇宙一直在膨脹,那么追溯宇宙歷史的時候,便會發現宇宙的尺寸是在不斷變小的。大爆炸之后的最初的宇宙應該是小到不能再小的尺寸吧。你不覺得這正是“基本粒子的世界”嗎?
  因此,要想知曉宇宙的起源,還真的要理解基本粒子的相關知識。反過來,對龐大的宇宙的研究也能捕捉到渺小的基本粒子的信息。雖然二者看似處于自然界的兩個極端,但是它們卻存在著不可割裂的關系。
  3. 世界是一條“響尾蛇”
  大家知道希臘神話中的“銜尾蛇”嗎?它是一條正在吞食自己尾巴的蛇,在古希臘時代銜尾蛇是“整個世界”的象征。我在思考宇宙和基本粒子的時候,會經常想起這條蛇。宇宙作為蛇頭正在吞食作為蛇尾的基本粒子。我在不斷追逐觀察浩瀚宇宙盡頭的夢想時,發現那里存在基本粒子;隨著對最小物質的研究逐漸深入,發現在那里等待是張著血盆大口的宇宙。


  那么,當以宇宙正在加速膨脹為前提的時候,宇宙的未來又會怎樣呢?宇宙只會不斷膨脹下去吧?如果暗能量越來越多地增加下去,宇宙的膨脹就會不斷加速,最終宇宙的膨脹速度將達到無窮大。這到底意味著什么呢?我自己也不是很清楚,只能認為那是“宇宙的終結”。
  那么,剛開始我的疑問,宇宙是如何誕生的?我們為何處在這個宇宙之中?宇宙今后將何去何從?很遺憾,目前真的沒有準確的答案。但是,科學家們早已開始努力去闡明這些問題。迄今為止,物理學已經解開了各種各樣的謎題,一點一點地揭開了宇宙結構的神秘面紗。今后,物理學還會繼續在追尋宇宙謎題的道路上,逐個解決疑難問題。如果你想知道更多有關宇宙的事,那么下面這本新書就是個不錯的選擇。(以上內容來自《隱匿的宇宙:用基本粒子解開宇宙之謎》)


  作者:村山齊
  譯者:逸寧
  定價:42.00元
  從“基本粒子”到“黑暗繁星”,探索宇宙的起源與黑暗秘密
  日文版累計銷量突破320,000冊
  日本東京大學Kavli數學物理學聯合宇宙研究機構 所長、Coursera人氣課程“從大爆炸到暗能量”講授者 村山齊 科普力作
  中國科學院高能物理所研究員 曹俊 作序推薦
  本書的作者是被稱為“宇宙達人”的村山齊(Hitoshi Murayama),他1964 年出生于日本東京,美國加州大學伯克利分校教授、東京大學卡弗里數學物理聯合宇宙研究機構所長。是基本粒子理論、基礎科學領域的年輕帶頭人之一。

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