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。

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。

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。

推荐序 3
前言 7

第一章 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、最古老的光 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
最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、物理学上最困难的问题 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