千亿个宇宙(多世界的黑暗秘密) 下载 pdf 百度网盘 epub 免费 2025 电子书 mobi 在线

村山齐著的《千亿个宇宙：多世界的黑暗秘密》从当前可观测宇宙出发，通过追溯极早期宇宙，讲解了宇宙的诞生与可能的结局，并结合天文观测与物理学研究中的“暗物质”与“暗能量”问题，带领读者探索了宇宙中不可见的“额外维度”，以及奇妙的多重时空区域。本书语言通俗、线索清晰、节奏轻快、层层深入，不仅描绘出了宇宙的整体图景，还探讨了当前宇宙研究中待解决的关键问题，是宇宙学入门的科普佳作。

第1章 已知的宇宙

1.太阳系——宇宙的小角落

2.探索太阳系

3.出人意料的公转速度

4.恒星的构成

5.中微子的馈赠

6.艰辛的中微子观测

7.恒星的内部结构

8.深入探索银河系

9.银河系中心的黑洞

10.奇异的星系旋转

11.看不见的物质

12.星系中充满暗物质？！

13.如何获知星系在旋转

14.相当于几乎什么也没看到

答疑解惑

第2章 宇宙满是暗物质

1.星系团中也充满了暗物质

2.引力透镜效应

3.斯巴鲁望远镜

4.星系团的碰撞

答疑解惑

第3章 宇宙的大尺度结构

1.宇宙中的“浓淡疏密”

2.“大 ”的余烬

3.膨胀中的宇宙

4.宇宙的结构清单

5.暗物质与宇宙的诞生

答疑解惑

小专栏

1.构成万物的基本粒子

2.力也是源自基本粒子

3.未知的基本粒子与宇宙之谜

第4章 暗物质的黑暗秘密

1.暗物质的候选者

2.胆小的第 一候选者

3.WIMP的真相

4.其他维度的访客？！

5.探寻暗物质的声音

6.探索暗物质的热潮

7.再现宇宙大

8.宇宙的基因计划

答疑解惑

小专栏

1.宇宙的年龄

2.观察宇宙的开端

第5章 宇宙的命运

1.宇宙的命运

2.暗能量

3.从超新星获知宇宙膨胀速度

村山齐

1964年出生。

1986年东京大学毕业。

1991年修完东京六学博士课程，专业为基本粒子物理学。

曾任日本东北大学助教，~2000年开始担任加利福尼亚大学伯克利分校教授。

2002年，荣获西宫汤川纪念奖。

2007年，日本文部科学省创立 别的研究基地——东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构(IPMU)，村山先生担任 代所长职务。

主要研究课题为超对称性理论、中微子、初期宇宙、粒子加速器实验的现象论等。与世界 科学家共同协作，推动宇宙研究的发展，同时为了将研究成果回报给社会，积极投身市民讲座和科学教室等演讲活动。

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1.太阳系——宇宙的小角落 夜晚的天空中，可以看到月亮和星星。我们对宇宙的印象，或许就是这美丽的星空吧。仰望星空，我想任何人都曾在心中萌生过若干疑问。例如，宇宙是何时形成的？我们为何存在于宇宙中？这些问题可能听起来像是哲学问题。但是，现在科学已经可以解答这些疑问了。 我们生活在地球上，地球则围绕太阳运动。不过，仅在几百年前，人们还不了解这一事实，而是坚信地球是宇宙的中心。虽然哥白尼和伽利略提出了“地球围绕太阳运动”的日心说，但是几乎没有人相信。 进入17世纪，日心说才开始逐渐被人们接受。牛顿概括了力学体系，解释了太阳系天体运动的法则。自此之后，我们便理解了地球围绕太阳运动的现象。 以太阳为中心的天体系统也被命名为太阳系。在此后的一段时期内，太阳一直被视为宇宙的中心。1940年前后，研究终于发现，我们人类感觉 辽阔的太阳系，对于宇宙整体而言仅是弹丸之地。这一时期，研究者也掌握了测量夜空中星星之间距离的方法。 例如，德国天文学家贝塞尔（图1-1）成功测算出天鹅座61与地球间的距离为11.2光年。1光年是指光在1年的时间里传播的距离，约为9.46×10 12千米。而当时太阳系中距离太阳 远的行星冥王星，被测算出与地球相距约5.9×10 9千米。结合这些结果，很明显可以得出结论：天鹅座61位于太阳系之外。另外，随着相关研究的发展，我们也明白了太阳只是众多恒星中的一员，大量的恒星汇集会构成星系。我们所在的星系叫作银河系。 由于地球恰好诞生于太阳附近，人类又在太阳的恩惠之下生存发展，所以总是觉得太阳很特别。但从物理学的角度来看，太阳并非特殊天体，只不过是一颗普通恒星，而且位置还处于远离银河系中心的边缘区域。至此，将太阳视为宇宙中心的观点 崩塌，人们对太阳的认识也被改写——太阳并非宇宙中心，而是位于银河系边缘的一颗恒星。 那么，银河系的中心是宇宙的中心吗？当然不是。其实，银河系之外还存在很多天体以及其他星系。另外，众多星系还会聚集成一个个的集团，这种庞大的天体系统叫作星系团。星系团的聚集方式 不可思议，既有星系分布 密集的地方，也有毫无星系的空白地带。它的结构就像是黏在一起的肥皂气泡与泡沫。这就是所谓的宇宙大尺度结构。为什么会形成这样的结构呢？这着实令人感到不可思议。 为了解开这一谜题，目前我们正在世界各地观测遥远的宇宙。观测距离越远，就能看到越古老的宇宙。观测的目标不仅包括恒星和星系，我们还期

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引力和电磁力是耳熟能详的两种力，我想诸位读者应该很容易想出它们的作用机制。但是，大家可能未必知道强力和弱力是什么。确切地说，这两种力叫作“强相互作用力”和“弱相互作用力”。这两种力只在比原子核更小的距离之间发生作用，我们在日常生活中无法感受到它们的存在。不过，它们在原子的形成和衰变中发挥着重要作用。

乍一看力与基本粒子似乎没有任何关系，但其实它们的关系十分密切。力是两个物质之间的相互作用。研究发现，力在物质之间的作用方式为基本粒子的交换。此时被交换的基本粒子叫作玻色子，它们与夸克、电子等构成物质的基本粒子分属不同的阵营。顺便介绍一下，构成物质的基本粒子叫作费米子。

我们相继发现了各种力在发生作用时交换的玻色子，电磁力交换的是光子，强力交换的是胶子，弱力交换的是W及Z玻色子。但是，我们唯独尚未发现传递引力的粒子。这四种力中的三种都是由粒子进行传递的，如果非要认为引力是个例外，就显得有些牵强了。物理学家预测应该也存在传递引力的粒子，并将其命名为引力子。

但是，如果存在不计其数的宇宙，那么其中的极少一部分宇宙所拥有的真空能量可能是很小的。假设当时确实产生了10⁵ºº个宇宙，其中也碰巧出现了真空能量为期望值×10⁻¹²⁰以下的宇宙。这些少数的宇宙从暗能量的“撕杀”中幸存下来，并成长至足够庞大。之后，暗物质聚集产生的巨大引力将元素拖曳到一起，从而诞生了恒星、星系和人类。因为人类只能诞生于真空能量非常小的宇宙，所以在我们的宇宙中，真空能量远远小于计算值也是理所当然的。

长期以来，理论物理学家认为只要完成量子力学和引力理论的统一，就能以一个完美的解去理解我们的宇宙。但是，超弦理论认为，宇宙是一个反复试验、不断摸索的结果。虽然不知为什么，但是宇宙“暂时”可能与100⁵ºº个解一一对应，宇宙的数量多达10⁵ºº个。其中大部分试验都以“失败”告终，也就是真空能量过大导致字宙诞生后随即撕裂，结果也就不会出现人类。除了真空能量的大小不同以外，各个宇宙中的大维度的数量、各个基本粒子的质量、四种力的强度等各种物理量都存在差异。只有所有物理量“碰巧”符合条件的宇宙才能孕育我们人类。

当我们逐一思考这些问题的时候，会发现宇宙完美得令人难以置信。从拥有大量条件并随机产生的宇宙中，抽取出“神乎其神”的特例，这就是人择原理。人择原理认为，在某种意义上，宇宙具备存在人类的条件是理所当然的。因为宇宙的观测者是人类，如果可观测宇宙无法满足人类存在的条件，那么人类就不会诞生。人类无法诞生就意味着宇宙无法被观测，那么也就不存在宇宙了，或者说与不存在宇宙是一样的。该理论认为，在众多宇宙之中，人类诞生的宇宙具备非常罕见的条件，只有这种特殊的宇宙能够被我们观测到，并成为科学的研究对象。

在这里，暗能量就显得尤为重要。如前文所述，真空能量是暗能量的候选者，但是通过估算发现它们的规模相差120个数量级。如果这一计算结果是正确的，那么宇宙诞生之后就会马上在暗能量的驱使下开始加速膨胀，并不断撕裂，继而无法产生恒星和星系，人类的诞生就更无从谈起了。

现实中确实存在这种不断发生成对产生和湮灭的粒子。例如，平行放置两块都不带静电的金属板。一般来说，这两块金属板之间应该既没有吸引力也没有排斥力（如第6章所述，由于地球引力太弱，故在此忽略）。但是，这两块金属板之间的真空中发生着光子的产生和湮灭，所以光子的波会受到金属板的影响。根据第7章的内容，光子的波长会因金属板之间距离的不同而发生变化。因此，金属板之间存在微弱的引力作用。这一现象已经得到实验的验证，并被称为卡西米尔效应。

此外，真空还会通过膨胀而变大。膨胀导致的体积增加也会促使能量变大，因此如果真空具有能量，很多现象就解释得通了。于是，也有观点认为暗能量可能就是这里所讲的真空能量。

我们之所以可以看见光，是因为光照射到眼睛的视网膜时，电子会在神经细胞中发生流动。因此，我们看到的并不是光本身，而是光照射眼睛时产生的电子。当光在额外维度的世界中运动时，我们无法利用光来观察相应的情形。不过，如果是额外维度世界中运动的电子，就可以通过与光的撞击观察到它。但是，我们所知的电子不会前往其他维度的世界，所以也无法用电子去确认其他维度世界中是否存在光。基于这个原因，倘若额外维度世界中真的存在运动的光，那么它也是暗物质的候选者。

多重宇宙的第一种意思是“多维宇宙”。维度是时间和空间的描述方式，我们眼中的宇宙空间是三维的。我们能够在纵、横、竖这三个方向上活动，所以称其为三维空间。其实，宇宙中可能存在我们无法察觉的方向。也就是说，多维字宙的观点认为，宇宙具有三维以上的空间区域。

多重字宙的第二种意思是“多元宇宙”。多维与多元，字面上只有一字之差，但意思却大相径庭。多维宇宙是指宇宙存在此前未知的维度，虽然维度的数量有所增加，但宇宙的数量仍是一个。然而，多元宇宙的观点认为可能存在很多个宇宙。

书籍介绍

本书从当前可观测宇宙出发，通过追溯早期宇宙，讲解了宇宙的诞生与可能的结局，并结合天文观测与物理学研究中的“暗物质”与“暗能量”问题，带领读者探索了宇宙中不可见的“额外维度”，以及奇妙的多重时空区域。本书语言通俗、线索清晰、节奏轻快、层层深入，不仅描绘出了宇宙的整体图景， 还探讨了当前宇宙研究中待解决的关键问题，是宇宙学入门的科普佳作。

本书是村山教授的一部科普著作，全面介绍了当前宇宙学的基本概念、重要问题，同时也用非常通俗易懂的语言介绍了许多新奇的理论和实验，还专门设置了问答，替一般读者问出阅读时可能存有的疑问，并由村山教授一一回答。对于想要弄懂这些概念的一般读者，这是一本不绕弯子、直奔主题的简洁明快之作。能向中国读者推荐这部著作，我感到十分荣幸。

——中国科学院国家天文台 宇宙暗物质暗能量组首席研究员 陈学雷