隱匿的宇宙：用基本粒子解開宇宙之謎

科技 08-18

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裡面嗎？

天天上的星星是從哪裡來的，為什麼只在晚上出現？

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？

宇宙今後將何去何從？」

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——該用什麼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，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裡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。

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「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。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。於是他認為，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不稀奇。

隨後，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！後來小編看書了解到，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，並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「想像中的世界」。

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

那麼你有沒有想過渺小的基本粒子會與浩瀚的宇宙存在聯繫呢？

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]」。那麼，「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，換算成米的單位之後，數字位數為「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（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（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」的數字就構成了我們自然界的「寬度」。

或許可以這麼說，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，這兩個看似毫無關係的研究領域其實緊密相連。它們產生聯繫的背景是「大爆炸宇宙論」。

大爆炸的觀點認為，宇宙最初並非是現在這樣的巨大空間，而是自誕生之後逐漸膨脹，逐漸變為了現在的大小。如果宇宙一直在膨脹，那麼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。大爆炸之後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。雖然二者看似處於自然界的兩個極端，但是它們卻存在著不可割裂的關係。

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」的象徵。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，發現那裡存在基本粒子；隨著對最小物質的研究逐漸深入，發現在那裡等待是張著血盆大口的宇宙。

那麼，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。這到底意味著什麼呢？我自己也不是很清楚，只能認為那是「宇宙的終結」。

那麼，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。今後，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，那麼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》）