隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜

08-22 16:14 首页 星空天文

逆溯星光,探索宇宙的起源与黑暗秘密。


宇宙是用数学语言书写的


日本东京大学数学物理联合宇宙研究所(IPMU)创立于2007 年10 月,我便在这所研究机构担任所长。研究所的名称看似非常严肃,不过在外国多取其英文首字母,简称为IPMU。这种叫法或许稍微拉近了它与人们的距离。名称中的“数学物理联合”指的是数学和物理两门学科的结合。这两门学科携手组合,恐怕会让一些在初高中不擅长理科的人“敬而远之”。


其实,并没有什么可怕的。


我们的研究课题,是任何人都曾想要了解的内容。例如,小时候仰望浩瀚夜空时,你可能产生过下面的疑问。


宇宙是如何诞生的?

远方的星辰是由什么构成的?

我们人类为何存在于宇宙之中?

宇宙今后将何去何从?


我们的研究就是尝试解答人类这些单纯而朴素的问题。


自然科学尚未发展的时代,这些问题是哲学家思考的对象。人类对此思索了几千年,但仍存在许多未解之谜。


不过,时代已经发生了翻天覆地的变化。人造卫星、巨型天文望远镜、地下实验设施、粒子加速器等相继问世,近十几年间科学和技术获得了飞跃发展,“科学之力”让我们能够进一步靠近并触碰自然深层的秘密。


近十年来,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,并催生了很多独特的新观点。


我们对宇宙的认知也随之发生了革命性的变化。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。


顺便介绍一下,提出日心说的伽利略第一次用天文望远镜进行天文观测,要追溯到1609 年。2009 年被确立为“国际天文年”,就是为了纪念此举400 周年。


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历史性的瞬间。著名的天文学家、物理学家伽利略,给我们留下了这样一句名言:


“宇宙是用数学语言书写的。”


也就是说,如果不通过数学,我们就无法理解自然的深层结构和奥秘。


物理学家的宇宙研究与数学“密不可分”,有些读者可能会感到不可思议。不过,正如伽利略所言,如果不借助数学家的力量,就无法解开宇宙之谜。因此,我们打破了数学和物理学的界线,创造了一个共同研究的平台。


102710-35的世界


读完上述内容,想必大家头脑中可能还会浮现出另外一个疑问。


为什么渺小的基本粒子会与浩瀚的宇宙存在联系呢?


确实,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。“宇宙研究所”的研究者为什么会提到基本粒子呢?大家产生这样的疑问也是理所当然的。


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,可以不必过于拘泥细枝末节,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“102米”和“6×102米”。日本最高的山峰富士山(海拔约为3776 米)的数字位数则为“103”。


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“107”,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(1011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。


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(1020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(1023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(1027米)。“万亿”(1012)和“京”(1016)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“10x”这样的表达。这正是所谓的“天文数字”。


那么,基本粒子的大小又如何呢?


物体的大小


顾名思义,“基本粒子”就是构成物质的“最基本”单位的粒子。我认为可以这样来理解基本粒子物理学,例如将苹果、人类、富士山、天体等物质层层分解,分析它们究竟是由什么基础单位构成的。至于基本粒子为何能够构成“物质”,而不是以分散的状态各自存在,也是一个很重要的问题,我会在后文中详细讲解。


想必大家都知道所有物质都是“原子”的集合体。例如,“水”这种物质,氢原子和氧原子构成水分子H2O,水分子大量聚集进而形成水。


目前我们已经确认存在的原子有118 种(我们把同一类原子统称为“元素”,它们分别拥有不同的质量)。就物质的多样性而言,或许可以说元素的数量少得惊人。我们身边的一切物质如果分解到一定程度,都会归属于这些元素之中。


当然,将物质分解到原子的层级并非一件容易的事。例如,将直径10 厘米的苹果分解后,大概会变成1026个原子。无论使用多么锋利的水果刀去切原子,都是徒劳的(因为刀刃肯定比原子大)。顺便介绍一下,1 个苹果和1 个原子的直径大小差异,与银河系和地球公转轨道的直径大小差异几乎相同。也就是说,如果把银河比作苹果,那地球的公转轨道只相当于1 个原子那么大。


1 个原子的直径为10-10米。原子曾经被认为是世界上最小的物体,即基本粒子。


但是,人类不久后发现原子仍然具有“内部结构”,也就是说原子可以进一步分割。原子的中心是“原子核”,它的周围是绕其旋转的“电子”。刚才提到的“原子的直径(10-10米)”,也就是电子旋转轨道的直径。


另外,电子的轨道与原子核之间的距离绝对不近。我想很多人会类比想象为地球和人造卫星之间的距离,不过原子核的直径要远远小于电子轨道的直径,仅为10-15米,约是电子轨道直径的十万分之一。当然,这些毕竟是微观世界的尺寸,用我们的肉眼去观察基本上看不出来什么区别,但实际上却相差了5 位数。而富士山的海拔与地球的直径,也仅仅相差了4 位数。所以,如果从原子核的角度来看,电子是在非常遥远的地方运动的。


原子核的发现让“基本粒子”的尺寸一下子小了很多。然而,故事并未就此结束。原子核内部仍然存在“质子”和“中子”,并且质子和中子也是由若干个更小的粒子构成的。


这种更小的粒子叫作“夸克”。目前夸克被认为是真正的“基本粒子”。其直径约为10-19米,与曾经被认为是“基本粒子”的原子相差9 位数,与位于原子中心的原子核也有4 位数之差。


在引力、电磁力以及后面将会讲解的强力、弱力这4 种力的统一尝试中,“弦理论”是被寄予厚望的理论研究。而在“弦理论”中,基本粒子的大小则更小,为10-35米。


世界是一条“衔尾蛇”


在我们目前能够观测和理解的范围内,宇宙的尺寸为1027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。相关证据也已摆在了我们面前,我会在后面对其进行介绍。


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?

衔尾蛇


因此,要想知晓宇宙的起源,必须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。


大家知道希腊神话中的“衔尾蛇”吧?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。


因此,研究宇宙的人谈及基本粒子的话题,并没有什么不可思议的。


接下来,让我带领大家一起进入极小又极大的世界吧。

以上内容选自村山齐教授《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》一书的序章。



村山齐(Hitoshi Murayama)是著名的基本粒子物理学家。他是美国加州大学伯克利分校MacAdams冠教授,日本东京大学Kavli数学物理联合宇宙研究机构所长,以及国际直线对撞机 (International Linear Collider)项目负责人。他的研究内容曾获日本西宫湯川纪念奖(2002年)。


《隐匿的宇宙:用基本粒子揭开宇宙之谜》一书是村山齐教授关于“宇宙是什么”的畅销科普读物。书中以回答“宇宙由什么组成”以及“我们为什么存在”这两个人类最为原始、朴素的疑问为线索,通过结合最新的基本粒子物理和天体物理研究,用风趣幽默的语言和比喻,从全新的视角讲述了“宇宙的本原结构”和“自然的本原法则”,清晰描绘出了当前人类研究体系下的宇宙整体图景,并讲解了宇宙中“暗物质”“暗能量”等神秘组成部分,是了解自然和宇宙黑暗秘密的科普佳作。该书曾获2011年日本新书大奖第1名,日文版累计销量破32万册。


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