原地爆炸，人類是否能找出宇宙的真相？

科技 09-15

小時候仰望夜空，我們總是充滿好奇：

「月亮圓了又缺，嫦娥姐姐和玉兔真的住在裡面嗎？

天天上的星星是從哪裡來，為什麼只在晚上出現？

除了自家院子里的星星，是否還有我看不到的星星呢？」

隨著年齡的增長，我們的問題慢慢變成了：

「我是誰？

我從哪來？

我要去哪兒？」(′?ω?)?

這些問題可能要耗費一生的時間去回答，

而在這過程中，我們開始思索答案的本源：

「宇宙是怎麼誕生的？

我們為何身處這個宇宙之中？

宇宙今後又將何去何從？」

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。

▉數學的語言

最近三十年來，通過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於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。其中遵循的規律可以在實驗室的高能加速器中重現，最大的宇宙與最小的粒子神奇地聯繫到了一起。人們終於從哲學的思考，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並觸碰自然深層的秘密。通過各種各樣的實驗，宇宙研究領域不斷湧現出令人震驚的數據，新的觀點也隨之產生。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。

早在1609 年，伽利略利用自製的望遠鏡，發現木星存在4 顆衛星，這些衛星的運行方式類似於圍繞地球旋轉的月球。如果木星周圍存在旋轉的衛星，那麼地球圍繞太陽旋轉也並非不可能。

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，對於人類而言可以說是個歷史性的瞬間。他得出了個結論，「宇宙是用數學語言書寫的。」

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，並認為天上是與地上世界不同的另外一個遼闊的「想像世界」。

然而，現代人頭腦中的宇宙已經非常具體。高端望遠鏡的問世，讓我們得以觀測到更為真實的宇宙面貌。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，這一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。

▉ 從極小到極大的世界

在直觀感覺上，浩瀚的「宇宙」與渺小的「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。以身邊的物體作為參照物，來思索一下宇宙到底有多大，粒子有多小？

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，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。(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]」。地球直徑的數字位數則是「10[7]」，相當於富士山高度的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。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~

太陽系僅僅是位於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。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。

宇宙中還存在很多很多這樣的星系團，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。「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範圍內，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」的數字構成了我們自然界的「寬度」。

或許也可以說，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」。它們聯繫的背景是「大爆炸宇宙論」。

大爆炸的觀點認為，宇宙自誕生之後逐漸膨脹，才有了現在的大小；那麼最初的宇宙應該是小到不能再小的尺寸吧，也就是「基本粒子的世界」嗎？雖然二者看似處於自然界的兩個極端，但是它們卻存在著不可割裂的關係。

▉ 世界是一條「響尾蛇」

希臘神話中的「銜尾蛇」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」的象徵。宇宙作為蛇頭正在吞食作為蛇尾的基本粒子。

宇宙的未來又會怎樣呢？會一直膨脹下去嗎？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。這到底意味著什麼呢？我自己也不是很清楚，只能認為那是「宇宙的終結」。

那麼，從剛開始的疑問，宇宙是如何誕生的？我們為何處在這個宇宙之中？宇宙今後將何去何從？很遺憾，目前真的沒有準確的答案。但是，科學家們一直在努力闡明這些問題。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；今後，也會繼續在追尋宇宙真相的道路上。

作者 / 村山齊

本書的作者是被稱為「宇宙達人」的村山齊（Hitoshi Murayama），1964 年出生於日本東京，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。北野武在其作品《北野武的偉大旅程：重新發現世界的十一次探險》中就採訪過村山齊。

從「基本粒子」到「黑暗繁星」，

探索宇宙的起源與黑暗秘密

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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」科普力作