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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

第1章　已知的宇宙　　005

1. 太阳系——宇宙的小角落　　006

2. 探索太阳系　　009

3. 出人意料的公转速度　　012

4. 恒星的构成　　014

5. 中微子的馈赠　　018

6. 艰辛的中微子观测　　021

7. 恒星的内部结构　　022

8. 深入探索银河系　　023

9. 银河系中心的黑洞　　027

10. 奇异的星系旋转　　028

11. 看不见的物质　　030

12. 星系中充满暗物质？！　　031

13. 如何获知星系在旋转　　033

14. 相当于几乎什么也没看到　　036

答疑解惑　　037

第2章　宇宙满是暗物质　　039

1. 星系团中也充满了暗物质　　040

2. 引力透镜效应　　043

3. 斯巴鲁望远镜　　044

4. 星系团的碰撞　　047

答疑解惑　　049

第3章　宇宙的大尺度结构　　053

1. 宇宙中的“浓淡疏密”　　054

2.“大爆炸”的余烬　　057

3. 膨胀中的宇宙　　059

4. 宇宙的结构清单　　060

5. 暗物质与宇宙的诞生　　062

答疑解惑　　063

小专栏　　064

1. 构成万物的基本粒子　　064

2. 力也是源自基本粒子　　064

3. 未知的基本粒子与宇宙之谜　　065

第4章　暗物质的黑暗秘密　　067

1. 暗物质的候选者　　068

2. 胆小的第一候选者　　072

3.WIMP 的真相　　074

4. 其他维度的访客？！　　075

5. 探寻暗物质的声音　　077

6. 探索暗物质的热潮　　082

7. 再现宇宙大爆炸　　084

8. 宇宙的基因计划　　086

答疑解惑　　089

小专栏　　091

1. 宇宙的年龄　　091

2. 观察宇宙的开端　　092

第5章　宇宙的命运　　095

1. 宇宙的命运　　096

2. 暗能量　　097

3. 从超新星获知宇宙膨胀速度　　098

4. 持续增加的能量　　100

5. 宇宙将会撕裂？　　102

6. 暗能量的产生速度　　104

7. 超弦理论与宇宙终结　　105

答疑解惑　　106

第6章　多重宇宙　　111

1. 宇宙不是唯一的　　112

2. 从弯曲到平坦　　114

3. 五维时空　　117

4. 不可见的维度　　118

5. 身边的多维度　　121

6. 应用于力的统一　　123

7. 微弱的引力　　125

8. 引力不会互相抵消　　126

9. 引力为什么微弱　　128

10. 存在渗透到其他维度的引力吗　　130

第7章　多重维度　　133

1. 渗透到多重维度的引力　　134

2. 黑洞——存在多重维度的证据　　136

3. ILC 的实验　　137

4. 弯曲的宇宙　　140

5. 额外维度空间是不确定的　　142

6. 不确定的存在　　143

7. 额外维度中的暗物质　　146

答疑解惑　　149

第8章　宇宙是唯一的吗　　153

1. 三维的三明治　　154

2. 宇宙的分支　　155

3. 宇宙加速膨胀的能量　　157

4. 理论物理学最糟糕的预言　　158

5. 超弦理论与黑洞　　161

6. 六维空间是叠在一起的　　164

7. 何方可化身千亿，一宇宙前一揭秘　　166

答疑解惑　　169

后记　　171

村山齐（Hitoshi Murayama）

1964年出生。

1986年东京大学毕业。

1991年修完东京大学博士课程，专业为基本粒子物理学。

曾任日本东北大学助教，自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世界级别的研究基地——东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构（IPMU），村山先生担任第一代所长职务。

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。与世界顶尖科学家共同协作，推动宇宙研究的发展，同时为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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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