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你一定听过黑洞、时间旅行、暗物质、虫洞、希格斯粒子、空间扭曲、相对论这些名词，但你真的知道它们是什么吗？本书由作者多田将教授的4次演讲整理而成。作者用普通人可以理解的方式讲解诸多宇宙学名词以及宇宙的形成过程。全书用生动的语言与漫画插图帮助读者理解从基础理论（相对论）到全新的实验（暗物质探测），等与物理学相关的知识。相信具有高中物理基础的读者都能看懂本书。本书适合喜欢物理学或 对宇宙的形成过程感兴趣的读者阅读。

推荐序 3

前言 7

章 黑洞

什么是反物质？ 23

湮灭与对生—物质与能量相互转变 27

反物质用于临床医疗上 30

动量守恒定律—光会反射出来 32

南极的 BESS 实验—搜集从宇宙飞来的反物质 34

如果把地球压缩成半径为 8.9mm 的小球，它就会变成黑洞 38

爱因斯坦的方程在发散 42

数学算出来的黑洞 44

奇点旋转就会变成环 46

星球的死亡—引力塌缩 48

所有的物质都变成十万分之一大小 50

体重决定死法 53

超新星爆炸！ 54

角动量守恒定律 57

中子塌缩，产生黑洞 58

观察黑洞的方法 60

射线的波长 64

用 X 射线看的话…… 66

超强武器：任意门 69

黑洞有 3 种 70

微型黑洞可以当作垃圾处理场？ 72

史蒂芬·霍金的黑洞蒸发理论 73

夏威夷的黑洞官司 76

爱因斯坦与英文能力 80

建立相对论时要准备的两大支柱 82

造成中微子超光速说法的罪魁祸首是意大利人？ 85

迈克尔逊 - 莫雷实验 86

狭义相对论预测的事①速度增加，质量也会增加 91

狭义相对论预测的事②速度增加，时间变慢 94

光的速度固定的话，时间就变得有弹性 100

另一个根据，相对性原理 103

广义相对论—为加进引力而导入等效原理 106

广义相对论预测的事①引力导致空间弯曲 109

引力透镜效应—引力让光弯曲 112

广义相对论预测的事②引力导致时间扭曲 116

速度与引力的等效原理—海龟的速度与龙宫的引力 120

白洞与虫洞 122

制造不出任意门的 3 个理由 125

专题Ⅰ　定量的思考—微软公司的招聘考试、放射线与电力的问题

如何定量地思考——微软公司的招聘考试 131

定量地思考核电站的放射性污染 136

对核能发电的个人浅见 138

第二章 宇宙大爆炸

掉落的苹果与不掉落的月球 148

星星为何散布在宇宙间？ 150

宇宙学常数？ 152

从球丢出去到球落下来的几亿年 154

如果所有的星球都在远离我们…… 158

曾经是个小小宇宙 160

宇宙的放晴 162

散播到全宇宙、古老的光 166

1964 年人们捕捉到向全方位传播的均一无线电波 167

1989 年的 COBE 170

光是什么？ 172

眼睛如何看见光 174

人类无法想象三维的封闭空间 176

宇宙有限，但没有尽头 180

比光更快远离的星球 182

不是星星在移动，而是空间在扩张 183

全宇宙的星星分布图 185

2001 年的 WMAP—用高解析度摄影了解的宇宙构造 188

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：①视界问题 194

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：②平坦性问题 198

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：③磁单极子问题 201

真的找到磁单极子了吗？ 205

宇宙大爆炸前发生的暴胀 208

暴胀理论如此解释以上 3 个问题 211

宇宙的 3 个未来 214

抛出去的球会中途加速吗？ 219

专题Ⅱ　测量地球到星星的距离—那颗星离地球有多远呢？

①恒星视差 0 ～ 300 光年 224

② HR 图～ 3 万光年 226

③造父变星～ 6000 万光年 231

④塔利 - 费舍尔法～ 3 亿光年 233

⑤ Ia 型超新星～ 30 亿光年 234

第三章 暗物质

星星一定在动 240

离太阳越近，公转速度越快，离得越远则越慢 242

星系的自转速度很奇怪…… 244

球形的笨蛋！ 250

为星星取你的名字送给你 252

失踪的质量 253

暗物质以外的解释①电浆宇宙论 254

暗物质以外的解释②修正的牛顿力学 256

泡利的训诲：不要怀疑基本法则 257

利用哈勃空间望远镜观测宇宙质量的分布 260

宇宙中有多少暗物质？ 262

暗物质的分布如同消费税 266

暗物质的候选者① MACHO（晕族大质量致密天体） 267

暗物质的候选者②基本粒子 269

热基本粒子的候选者—中微子 271

冷基本粒子的候选者—WIMP 和轴子 272

暗物质的发现方法 275

使用液态氙的 XMASS 实验 276

地球以 200km s 的速度在运动 278

WIMP 撞击氙原子核时…… 280

水封住杂音 282

夏天和冬天的撞击方向不同 284

捡到各种电磁波的轴子实验 285

CARRACK 轴子探索实验 286

复杂而致密的实验装置 290

没有暗物质的话，也就没有星星的诞生 293

计算暗物质能形成今日宇宙的数量 294

真正暗黑的暗能量 297

本章的总结 301

专题Ⅲ　从粒子物理学思考暗物质的面貌

不可能再切分的19种基本粒子 304

什么是标准模型？ 308

玻色子与费米子 309

按自旋的不同分组 310

超对称理论 312

未知的基本粒子：中性伴子 316

CP 对称性被弱作用力打破 318

CP 对称靠强作用力守恒 322

皮塞－奎恩理论的台球桌 324

初放置台球桌时的摇摆 328

第四章 宇宙是怎样形成的

温度是什么？ 332

滑雪的学生 333

相变—物质的面貌改变了 336

加温的话，可以看到过去 338

1013s 后—原子核捕捉到电子 342

从 100s 开始到 102s—元素合成 346

说明宇宙元素构成比的 αβγ 理论 348

100s 后—对生被打断，剩下只有光的宇宙 352

10 亿的光子与剩下的 1 个物质 356

自然的法则应该是左右对称，但…… 360

10-8s 到 10-4s—夸克凝集，成为质子 361

10-11s 后—第 3 次相变产生电磁力和弱作用力 362

自然界的 4 种力中，人类只能感受到引力和电磁力 364

电磁力与弱作用力曾经是一家人 366

质量是什么？ 368

希格斯粒子产生“阶级差别” 370

用 LHC 来加温 374

概率很重要 376

科学论文 377

10-36s 到 10-11s—第 2 次相变与能量沙漠 378

暴胀与相变的潜热 382

暴胀子？ 384

魔法少女的希望相变为绝望的时候 385

10-44s 后—第 1 次相变，引力诞生 388

爱因斯坦尝试失败、物理学上困难的问题 390

人类与科学的伟大历史 391

第谷·布拉赫为什么主张地心说？ 393

实验技术改变了理论 398

随时都可以改写 400

后记 402后记 402

多田将：京都大学理学博士，1970 年生于大阪府，曾任京都大学化学研究所讲师，现为日本高能加速器研究机构的助理研究员。

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光是什么？

听到别人说看得到 137 亿年前宇宙发出的光时，照一般的逻辑，可能会质疑：“为什么现在还能看到那一时期的光呢？”

只要没有障碍物，光就会永远前进。而且宇宙在膨胀，光前进的空间正在不断扩展，所以，随着空间的扩大，光就像被拉长的弹簧般伸展，波长也越来越长（见图 51）。

眼睛如何看见光

回头想想，究竟什么叫作看见呢？它是一种捕捉光的行为。人类可以用自己的眼睛直接看见的，只有可见光。波长比可见光短（紫外线）或长（红外线）的光，不是人眼可以捕捉到的光。不过，如果有可以捕捉到这种波长的装置，就能捕捉到这种光（参考图18）。

太阳光或星光都在可见光的范围，所以，人眼可以捕捉到（太阳光特别耀眼，是因为它与地球的距离很 近，光量很多），但是更远的星光，在飞行的途中，因为宇宙膨胀而拉长了波长，变成红外线，之后又更加延展变成无线电波，再也无法用肉眼看见（见图52）。

然而，那么远发出的光，能够传送到地球，还是十分厉害的。距离那么长，途中就算遇到阻碍也不令人意外，可是它却传到了地球。所以宇宙真的十分干净吧。

另外，光到达地球需要一定的时间。光速是有限的，每秒钟只能走 30 万 km。

例如，我们看到距离 1 光年外的星星时，它的光是 1 年前传送过来的。若是距离 1 万光年，光就要花 1万年到达。那颗星星的光用了 1 万年才终于飞进我们眼中，也就是说，我们看到的是它 1 万年前的影像。现在我们还能一直看到星光，是因为那些星星从几万年前开始，就像太阳一样不断发光的缘故。

说到太阳，由于它距离地球 1.5 亿 km，所以它的光需要花 8min 才会到达地球，我们看到的太阳，是其8min 前的模样。

而阳光到达地球就停止了，变成热量。所以，把手举到头上会感觉暖暖的。

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编辑推荐

宇宙初始是什么样子？ 

它是怎样形成的？ 

又是如何演化成如今的样子？ 

你一定听过黑洞、引力波、时间旅行、暗物质、虫洞、希格斯粒子、空间扭曲、相对论…… 

但你真的知道那是什么吗？ 

染着一头金发的天才怪咖、物理学家多田将用通俗易懂、有趣的方式和上百张可爱的插图，为青年学子以及喜欢物理学的大众讲解看似很深奥却无比迷人的宇宙理论。来吧，跟怪咖物理学家一起跳入黑洞，一次搞懂宇宙的奥秘！

书摘插图

前言

我不是宇宙学专家。

我的专业是基本粒子物理学，目前在进行一些针对中微子的研究。

以前出版的与宇宙相关的书籍，大抵上都是由研究宇宙的学者执笔，很少由像我这种研究基本粒子物理学的人来撰写的。

那么，为什么我要写这本书呢？

此外，一说到宇宙，人们多会用美丽、浪漫、让人一时忘了为小事烦恼来形容它。

老实说，我在这本书里想表达的并不是宇宙本身的魅力，而是人类如何思考宇宙。

宇宙是什么样子？它是怎样开始的？如何演化到现在这个模样？另外，为什么宇宙会长成现在这个样子呢？

面对这些根本性的问题，人类利用科学的方法已给出解答。但是具体是怎么回事呢？

很多书都已详细介绍过宇宙的构成。但是，却很少有书介绍为了得到这个结果，人类到底做了怎样的研究。

关于宇宙的样貌，人类有什么设想，为了证实这个设想，进行了怎样的观测和研究，根据研究的结果又有了哪些新设想，为了证实新设想，又进行了怎样的观测和研究……科学家们这样交互地运用理论（想法）和实验（观测），不遗余力地将他们自己都未曾去过的浩瀚宇宙，做了种种诠释。

我想借这本书传达的，其实就是这个过程本身的魅力。

竟然有那样的想法！那样的观测可行吗？写这本书的目的是希望读者为科学家们成就的伟大功绩，真心感到惊奇、感动。

既不是研究宇宙的专家，也不觉得宇宙浪漫的我，之所以要写本书，只是因为自己能用外行人的眼光，看到宇宙相关理论与实验的伟大。

除了了解结果（信息与知识），如果还能说明该结果是经由什么样的思考引导出来的，让大家实际体会到科学的思考方法，那就太好了。

因为这个缘故，本书严格来说，并不是一本介绍宇宙的书，而更像是一本描写人类如何了解宇宙，如何进行科学思考的书。

科学的特征在于不断探索。

举例来说，文学作品在面世之后，便很少再改动了。但是，我们生存的这个世界，即使现在也还在运转中。所以，我们并不是在所有故事结束之后，才观看历史。即使是此刻，人类也还在创造科学的历史。

在科学史中，人们一再改写以往被视为正确的理论。这是极其自然的事（相信读过本书之后，各位应会明白）。

所以，在科学的世界里，真正有价值的并不是知道知识或信息，而是掌握如何获得这些知识的方法。

理论被改写完就结束了，但是过程并不是如此。从探索过程中得到的思考方法和实验方法不会白费，根据这些方法再次思考，就能发展出崭新的思考方法和实验方法。

在科学的世界里，过程比结果更有魅力、更宝贵。

此外，这样的过程不限于对宇宙的研究，是不是也能运用在思考其他的各种事物上呢？若是能从一个单纯接受知识的被动状态，开始独立思考，那么，在你眼中， 世界上各种事物就会变得更加鲜明活泼。

这么做的话，各位今后在遇到与宇宙相关的问题时，应该也就能够更深入地思考。

各位请不要忘记，历史不是其他人创造的，而是由我们每个人编织出来的，大家都是当事者。说不定下一个解开宇宙之谜的人，就是你。

当你抱着这个想法遥望宇宙，也许会涌出超越天空真美啊之类的情感。

若是本书有助于各位达到这个境界，那才是件真正有意义的事，不是吗？

本书由四章组成，各章之间还有个小专题。专题会就各章内容做更详尽的解说，所以你也可以先读完各章内容后再读专题的内容。

接下来，我们就赶紧开始吧。