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隐匿的宇宙：用基本粒子解开宇宙之谜
2017-08-17NASA中文8评
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太空中看到的银河，近日由宇航员Jack Fischer拍摄。
小时候抬头仰望夜空，我们总是充满好奇：
“月亮圆了又缺，嫦娥姐姐和玉兔一直住在里面吗？
天天上的星星是从哪里来的，为什么只在晚上出现？
除了自家院子的星星，是否还有我看不到的星星呢？”
随着年龄的增大，我们的问题慢慢变成了：
“我是谁？
我从何而来？
我要去向何方？”
虽然这个问题要耗费我们一生的时间去回答，但同时，我们也对这样更为本源的问题产生了兴趣：
“宇宙是如何诞生的？
我们为何处在这个宇宙之中？
宇宙今后将何去何从？”
在自然科学还未发展的时代，这可是哲学家们思考的问题！人类对此思索了几千年，但仍存在许多未解之谜。今天我们就来聊一下宇宙之初始印象——该用什么样的语言以及如何来描述宇宙？”
1. 数学的语言
最近三十年来，通过三代卫星实验对宇宙微波背景辐射的观测，科学家们精确地考证出，宇宙诞生于138 亿年前的一次大爆炸，膨胀至今，可观测宇宙的大小已达四百多亿光年。诞生之初，宇宙充满炽热的高能粒子，它们产生、湮灭、演化，遵循的规律可以在实验室的高能加速器中重现出来。最大的宇宙与最小的粒子在这里神奇地联系到了一起。人们终于从哲学的思考，找到了科学的路径来了解宇宙起源。
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“科学之力”让我们能够进一步靠近并触碰自然深层的秘密。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，独特的新观点也随之产生。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。
还记得伽利略吗？早在1609 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个历史性的瞬间。他得出个结论，“宇宙是用数学语言书写的。”
我没听错吧？宇宙不是由原子构成的嘛！看来小编要恶补一下天文知识了！后来小编看书了解到，在没有望远镜的过去，人们只能依靠肉眼仰望繁星闪烁的夜空。他们在漆黑的夜幕中描绘出了神或动物形状的星座，并认为天上是与地上世界不同的另外一个辽阔世界。基本可以说那是一个“想象中的世界”。
然而，现代人印象中的宇宙已经非常具体。高端望远镜的问世，让我们得以观测到极为逼真的宇宙风貌。牛顿在他名为《自然哲学的数学原理》的著作中阐明万有引力定律。这个书名的含义正如伽利略所言——“宇宙是用数学语言书写的”。这样看来，数学与物理联合的理念其实早已存在。
2. 从极小到极大的世界
那么你有没有想过渺小的基本粒子会与浩瀚的宇宙存在联系呢？
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。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，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“3×10[2]米”和“6×10[2]米”。(注: 下文中[ ]符号代表数字的次幂)
日本最高的山峰富士山（海拔约为3776 米）的数字位数则为“10[3]”。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“10[7]”，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（10[11] 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。来看看我们这个极大又极小的世界~
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（10[20]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（10[23]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（10[27]米）。“万亿”（10[12]）和“京”（10[16]）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“10[X]”这样的表达。这正是所谓的“天文数字”。
在我们目前能够观测和理解的范围内，宇宙的尺寸为10[27]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。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？
因此，要想知晓宇宙的起源，还真的要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。
3. 世界是一条“响尾蛇”
大家知道希腊神话中的“衔尾蛇”吗？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。
那么，当以宇宙正在加速膨胀为前提的时候，宇宙的未来又会怎样呢？宇宙只会不断膨胀下去吧？如果暗能量越来越多地增加下去，宇宙的膨胀就会不断加速，最终宇宙的膨胀速度将达到无穷大。这到底意味着什么呢？我自己也不是很清楚，只能认为那是“宇宙的终结”。
那么，刚开始我的疑问，宇宙是如何诞生的？我们为何处在这个宇宙之中？宇宙今后将何去何从？很遗憾，目前真的没有准确的答案。但是，科学家们早已开始努力去阐明这些问题。迄今为止，物理学已经解开了各种各样的谜题，一点一点地揭开了宇宙结构的神秘面纱。今后，物理学还会继续在追寻宇宙谜题的道路上，逐个解决疑难问题。如果你想知道更多有关宇宙的事，那么下面这本新书就是个不错的选择。（以上内容来自《隐匿的宇宙：用基本粒子解开宇宙之谜》）
作者：村山齐
译者：逸宁
定价：42.00元
从“基本粒子”到“黑暗繁星”，探索宇宙的起源与黑暗秘密
日文版累计销量突破320,000册
日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构 所长、Coursera人气课程“从大爆炸到暗能量”讲授者 村山齐 科普力作
中国科学院高能物理所研究员 曹俊 作序推荐
人民邮电出版社图灵新知给了我们10本《隐匿的宇宙：用基本粒子解开宇宙之谜》。借花献佛，我们把这10本书送给NASA中文的读者，以感谢你们最近几年来支持。转发这篇文章，并集齐30个赞的同学，手机截个图，发送到我们的公众号（nasawatch），我们会将这本书快递给大家，先到先得，送完为止。
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nasa中文三:NASA中文：我们略知天高地厚
2017年5月5日，是火星新一年的开始，这一天太阳直射火星赤道，也就是火星上的春分，被行星科学家们选为火星新一年的开始。图/推特@NASA 这是一个由翻译组、校核组、新闻组、音频组、视频组、运营组以及专栏作家群组成的天文爱好者组织，他们孜孜不倦地把NASA、ESA、ESO等网站的信息翻译出来，呈现给中国的天文爱好者。 文/冯嘉安 说人骄狂无知、自不量力，常用“不知天高地厚”来形容。《新周刊》问NASA中文专栏作者李昂：“在内容付费的时代，你们团体坐拥上百万用户，内容精准定位在人类科技的前端，但几十位内容编辑胸前贴着‘略知天高地厚’几个大字，写作全都不为赚钱，这是行为艺术吗？” 李昂笑了笑说：“说到天高地厚，根据1967年联合国制定的国际空间法，外太空在距离海平面100公里（the Kármán line）以外，而地表最高的青藏高原，地壳厚度也就是70公里，去这两个边界，要说开车，不堵车的话1个小时就到了，所以，字没写错，我们这个‘天’团，的确是‘略知天高地厚’。我们每个人对头顶的星空都有执念，对梦想的力量都有信仰。” 李昂在NASA肯尼迪航天中心NAB大楼前。图/受访者提供 他又说：“这份工作并没给我带来什么能存进银行的收获，却让我学会了即便遇到大的挑战，也不能放弃。每次当你面对困难感到无计可施的时候，应该学会把大麻烦分解成小困难，逐个突破，把小困难都逐个解决，你会发现大麻烦也不在了。” 上世纪60年代，当人类提出“用十年时间，把双脚站在月球上”的时候，对宇宙的了解可能还不足20分钟。但正是这种富有勇气，不畏在问题中前行、在探索中寻找答案的思维模式，把人类的足迹带到了远方。当初有很多光怪陆离的假说，说人飞不上天，说人出不了地球，说血管会爆裂，说眼球会蒸发，说月球背后有妖怪。那些伟大先行者，通过送猩猩和狗去太空，通过飞身跨出飞行器，甚至付出了生命的代价，历经十年，凭借相互关联的、技术层级递进的水星计划、双子星计划和阿波罗计划，最终到达了远方。 “当你知道了这些人类探索太空的故事以后，就会明白人类的智慧不是所谓的‘灵光一现，奇思妙想’，而是一次次勇敢无畏的尝试。” 1969年，人类搭乘阿波罗十一号首次登上月球。 一群天文爱好者毫无功利心、孜孜不倦地翻译和写作天文学文章，本身就像一种行为艺术。 NASA是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）的简称，也是宇宙探索的象征。在NASA上发布的关于宇宙和航天的图片、视频和文字都公开版权，任何人都可以无偿使用。NASA中文网的创始人猫先生希望把这些宝贵的天文学资讯介绍到国内，于是在2011年左右创办了NASA中文网。 这是一个由翻译组、校核组、新闻组、音频组、视频组、运营组以及专栏作家群组成的天文爱好者组织，他们孜孜不倦地把NASA、ESA（欧洲空间局）、ESO（欧洲南方天文台）等网站的信息翻译出来，呈现给中国的天文爱好者。 猫先生说：“这些网站的资讯更新比较频繁，也容易获取。而且这些机构的网站都开放版权，这也是我们能做NASA中文网的原因。这跟体育赛事的转播和报道很不一样，赛事转播需要购买转播权，但这些机构的天文学文章没有封闭版权。NASA中文网能够一直运作，特别要感谢人人字幕组和柚子木字幕组。他们翻译了很多天文学的纪录片，我自己看来也非常有收获。” NASA中文网聚集的天文爱好者最关心的是NASA公布的重大事件新闻发布会以及各种宇宙美图，还会观看各种与太空探索即时事件有关的直播。例如，2012年8月6日好奇号火星车着陆火星，2013年9月13日NASA确认旅行者1号进入星际空间，2014年11月12日“菲莱”探测器登陆彗星67P，2015年7月14日新视野号探测器飞跃冥王星，同年9月29日NASA的火星表面存在着液态水新闻发布会，2016年2月12日LIGO首次探测到引力波新闻发布会等。NASA的每一次大事发布，都牵动NASA中文网网友的心。 宇航员正在太空行走。图/Pixabay 宇宙很遥远，漫无边界，人类却是身在其中的一分子，虽然微若尘埃，但仍脚踏实地，仰望星空，胸怀宇宙。 猫先生还提到了最近热播的电视剧《人民的名义》中，有一位被网友嘲笑为“宇宙区长”的孙连城。电视剧旁白说：“孙连城仕途不顺，心灰意冷，喜欢上天文学之后，方知宇宙之浩渺，时空之无限。人类算什么，李达康、高育良、沙瑞金又算什么，不过都是蚂蚁、尘埃罢了。孙连城开悟了，得过且过、再无烦恼，他没贪污不受贿，又不想再提拔升官，何畏之有，况且，他还胸怀宇宙。” 这虽然产生了一种黑色幽默的感觉，但有一点是对的，正如NASA中文网的校核组组长柯宁所说：“自从爱上了天文学，就会不自觉地仰望星空。我会经常看着那些星星，感受人类的渺小、宇宙的辽阔。” 猫先生认为，探讨宇宙知识，让人在“三观”以外，还有一种“宇宙观”，不断加深我们对“我们是谁、从哪里来、到哪里去”的认识。“人们一开始觉得宇宙知识很遥远，不太接地气，其实探索宇宙过程中发展的科学技术与我们的生活息息相关。例如从观察宇宙了解地球的气候变化，长远看比雾霾的影响范围更广，这会影响到地球上每一个人、每一种动植物。婴儿尿不湿、方便面里的脱水蔬菜、烟雾探测器等这些我们每天都会遇到的生活用品，最早也是研发给宇航员们用的。” NASA中文的编辑组目前有50多人，平均年龄不到25岁，分布在世界各地。如果你走近这些90后，会发现他们的生活很有趣也很酷：出行主要靠共享单车，聊天主要靠动图，游戏和读书占据了他们的休闲时间。他们每天都给蚂蚁森林浇水，凑齐能量好在阿拉善领养一棵树；他们“精打细算”，出门根本不带现金，因为不够酷像个单身狗，给女票埋单当然是用“亲密付”，大到买手机小到买矿泉水，都用支付宝扫码解决；他们都是诚实的孩子，注重个人信用，骑共享单车不用交押金，凭芝麻信用来担保；他们旅行就住小猪公寓，安全又有信用保障。这些潮流的方式早已成为他们生活中很自然的部分。 NASA中文就是这么一群人，是用同样的好奇心凝聚起来的“天”团，他们和网友的互动也很有趣。李昂讲到，一次推送关于哥伦比亚号航天飞机失事的专栏文章后，一位女网友发来一张瑞士后摇乐队The Evpatoria Report的唱片。 这支乐团的名字不仅是用一台持续和天际通话的射电望远镜命名的，他们的一首单曲还使用了哥伦比亚号失事之前与地面控制塔之间的通话记录作为音乐的采样，这使得他对哥伦比亚号失事这段故事的理解更加丰满。通过一段故事，结识一个有共同爱好的朋友，还成了北欧一个乐队的粉，这不就是我们所说的乐趣吗？ 太空眺望地球，很少有人能够不产生一种宏大感觉。/ Unsplash “那些全人类最高科技的‘诀窍’，无非就是面对未知时，要坦诚地从零开始。” 美国佛罗里达州东海岸的肯尼迪航天中心有一件展品——一个13米长的橙色铁架子，是进入Pad39A发射架飞行器的悬桥，每一个参加登月计划的宇航员都必须走过这13米。 “游客可能觉得这13米并不长，但它真的很伟大，走过这13米，就远离了家人、祖国，离开所有的已知。走过这13米，要面对的是绝对的未知，是命悬一线的生死未卜，但不走过这13米，就将永远不知道答案。正是这13米为人类命运带来一次次的延展。” 13米廊桥。图/受访者提供 “我从事的一直都是与创意、美术、广告、娱乐相关的工作，按理说工作很有趣味，但是NASA那些故事对我来说更具魅力，它会让你觉得世界其实很大，而眼前其实很小。或者说，年轻的时候除了KPI、朋友圈、车贷、房贷、孩子、票子以外，还有很多值得你去了解、去探索的东西，还有很多有价值的体验。” 李昂给NASA中文网写的专栏，标题都非常有趣，内文知识量很大， 例如《太涨姿势啦，太空啪啪啪指南》，实际上是探讨微重环境中人类如何生存；《高冷的天王星刮50级大风了，快收衣服啊！！！！》，实际上是介绍天王星的公转和风速的知识；《在天际化作流星的爱人》，实际上说的是 2003年哥伦比亚号航天飞机失事事件背后一段令人动容的爱情故事。 “这些故事给了我很多生活的乐趣，我希望把它们分享给更多人，让更多人和我一样得到乐趣。航天的知识生僻冷门，把它们用趣味性和娱乐化的方式，放到熟知的情景中来解读，正是我的努力方向。例如大家对速度的数据没有什么概念，我会把人类载人飞行器最高速度的纪录保持者X-15与人类跑得最快的人博尔特作比较，这样会有一个更直观的理解。” 土星5号登月火箭。图/受访者提供 现代人的生活压力都大，而且越来越频繁地会遇到一些时刻，不得不做一些从没做过的决定，接受新的挑战。当这些时刻来临的时候，总会有些许恐惧和不知所措。但即使是那些最聪明的科学家，不也要从未知和无解跨出第一步吗？ 李昂说：“看到他们完成的挑战和他们经历的那些焦灼的心路历程，会感到自己生活里的麻烦也没那么大了，难题也并不那么难了。那些全人类最高科技的‘诀窍’，无非就是面对未知时，要坦诚地从零开始，点燃勇气，拼尽全力，不停尝试，把不知变为略知，把不能变成我能。” 《新周刊》490期已上市
