mission 11 取得开启宇宙奥秘之门的钥匙 村山齐

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宇宙达人

村山齐1964 年出生于日本东京,美国加州大学伯克利分校教授、东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构所长。修完东京大学研究生院院理学系研究科博士课程。基本粒子理论、基础科学领域的年轻带头人之一。

可以用暗物质的地图阐明宇宙的结构?
有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子是什么?
可能存在很多其他的宇宙?
有很多想要了解的东西。
飞离地球,向宇宙之旅出发!

  1. 发现“大爆炸的余烬”

北野武:村山老师,您是东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构所长,头衔真是够长的。(笑)该机构是汇集各国物理学、天文学和数学的研究者,揭示宇宙之谜的顶级研究所。您自身是理论物理学家,研究宇宙的时候需要数学家的帮助吗?

村山:对于我们这些研究者而言,数学是一种语言。如同有人“使用英语”或“使用法语”,我们使用的是“数学”。当出现新的未解之谜,想要揭示它的时候,我们所掌握的词汇会遇到不足的情况。此时,为我们创造出补充词汇的就是数学家。

北野武:也就是说,与理论物理学家相比,数学家的词汇更加丰富吧?

村山:物理学家有时也会随意创造出有些骗人的算式。但是,数学专业的人随后会调查那个算式,告诉物理学家这种语言的定义、语法以及正确的使用方法。例如,一旦出现“无穷大”的问题,物理学家就束手无策。然而数学家连无穷大都能进行分类。即使同样的无穷大,也存在这个无穷大比那个无穷大更大的情况。(笑)

北野武:也就是说,物理老师将自己的想法介绍给数学老师,让其推导出正确的算式吧?

村山:嗯。但是,除了算式之外,物理学家和数学家真是语言很难相通的。这是我们交流过程中的一个难点。例如,我们的研究所也录用数学家,我们会阅读推荐该人的数学家所写的推荐信,以此判断是否录用。阅读物理学家写的推荐信,会发现“该人在全世界都数一数二”等字眼,于是就会认为“这个人好像很厉害”,从而将其录用。但是,数学家的推荐信绝对不会这么写。他们会以“该人证明了这个定理,这个定理也证明了……”这样的话为推荐信画上句号。(笑)我们无从知晓该人有多厉害。对于写推荐信的人而言,“在全世界数一数二是无法证明的”,数学家不能写无法证明的情况。

北野武:如果写下无法证明的情况就等于在撒谎吧。(笑)

村山:是的。因此,我们会直接给应聘的人打电话,这样问道:“我们虽然明白你证明了这个定理,但是这个定理真的那么厉害吗?”我们听到的回答是:“50 年后就知道到底有多厉害了。”(笑)

北野武:真是这样啊。(笑)您目前正在卡弗里数物联合宇宙研究机构攻克宇宙的未解之谜,那么您从小就是一位天文少年吧?

村山:不,我虽然对天体感兴趣,但是父亲告诉我“咱家没钱”,连个望远镜都没给我买。(笑)因此小时候没能成为天文少年。

北野武:您的专业是基本粒子物理学,最初没有打算研究宇宙吗?

村山:是的。不过基本粒子与宇宙密切相关。1992 年,我个人就接触到了基本粒子与宇宙联系起来的实例。美国的乔治•斯穆特和约翰•马瑟通过人造卫星的观测,证明了“大爆炸”的存在。他们二人因此获得了2006 年的诺贝尔奖。大爆炸得到证明,告诉了我们宇宙过去是很小的,想要解开这个谜题,基本粒子的研究不可或缺。我对此感到无比震惊。于是,我想去获得如此卓越观测成果的老师乔治•斯穆特的身边,第二年我就去了美国的加州大学伯克利分校。其实这位老师特别有意思。伯克利分校里有些停车位只供诺贝尔奖得主停车。由于接到了瑞典的诺贝尔奖获奖电话,斯穆特博士心想“太好了,我也可以把车停在这里了”,当天即把车停到了那里,然而接到了违章停车的罚单。据说违规的理由是当时还没有参加授奖仪式。(笑)

北野武:斯穆特博士观测到的是类似于电磁波之类的东西吧?

村山:他们发现的东西叫作宇宙微波背景辐射,实际上是“大爆炸的余烬”。因为光抵达地球需要时间,所以天体观测看得越远,越能看到过去的宇宙。远在20 亿光年的星星是20 亿年前的样子。随着不断拉远观测的距离,如果能够看到发生大爆炸的138 亿光年的远方,那么应该可以看到138 亿年前宇宙的样子。然而,来自大爆炸的光因宇宙的膨胀而拉伸,最终变成了电磁波。通过调查这一电磁波,印证了宇宙从大爆炸开始,经过138 亿年变成现在模样的事实。

2.“上帝粒子”——希格斯玻色子

北野武:大爆炸理论让基本粒子的微观世界和宇宙的宏观世界紧密联系起来,真是有意思啊。(2012 年)7 月4 日,瑞士的CERN(欧洲核子研究组织)发现“ 希格斯玻色子”一事成为了热门新闻。希格斯玻色子是什么呢?它是解释宇宙中的物质具有质量的关键吧?

村山:嗯,应该是这样的。具有质量就相当于具有能量。

北野武:这就是爱因斯坦的相对性原理吧。因为E(能量)=m(质量)×c 2(光速),所以能量与质量成正比。因此具有质量,就不能没有能量。顺便问一句,我们的体重也能换算成能量吧?

村山:可以。我们的体重取决于体内原子核的质子和中子的重量。质子和中子里有3 个叫作夸克的基本粒子,它们以光速在其内部运动。我们虽然看不到它的一举一动,但是夸克的运动具有能量,所以质子和中子是具有质量的。因此,我们自身即使不动也是有质量的。它的大小就是用体重计测量的数值。

北野武:既然具有质量,那么必然从哪里获得了能量,否则就怪了。

村山:不过,即使夸克和电子静止不动,也具有微小的质量。与质子不同,夸克和电子的内部应该没有任何东西,因此静止也具有重量就奇怪了。于是希格斯玻色子填补了这一理论的空白。其实宇宙中充满了希格斯玻色子这种粒子。质量越大,基本粒子在空间内运动起来的难度就越大。也就是说,质量是基本粒子运动起来的难度。夸克和电子虽然都想在空间内以光速疾驰,但是遭到希格斯玻色子的阻拦无法以光速运动。因此,我们认为质量为零的基本粒子可以看作具有质量。

北野武:那么,充满希格斯玻色子的地方被光线照射后会怎么样呢?

村山:光线会撞到带电的东西。光不会注意不带电的东西。因此,虽然宇宙中充满希格斯玻色子,但是由于该粒子不带电,光的传播可以畅通无阻。

北野武:希格斯玻色子也是使用CERN 的LHC(大型强子对撞机)这个巨大的实验装置发现的。据说工作原理是使用加速器让粒子互相撞击,然后通过撞击试图发现撞击前不存在的粒子。但是,由于粒子撞击实验可以产生黑洞,地球存在被黑洞吞噬的危险,因此也出现了叫停实验的诉讼,实验中出现黑洞真的没关系吗?

村山:确实有可能出现极小的黑洞。但是,粒子撞击的瞬间即使产生了黑洞,也会随即蒸发。霍金博士在很久以前就提出了这一预言。我们普遍认为黑洞是漆黑的死亡天体,而且非常寒冷。然而,霍金博士说:“不,其实黑洞散发着微微的热量。”散出热量意味着能量在减少。如果能量持续不断减少下去,黑洞早晚会蒸发消失。而且,黑洞越小其蒸发的速度越快。在CERN 产生的黑洞大约经过10-80 秒就会蒸发。因此,即使产生了黑洞,它也没空吞掉地球。(笑)

  1. 绘制暗物质的地图

北野武:我们不断获取关于宇宙的新发现。我过去上学时学的是“万物皆由原子组成”,然而最新的研究表明原子占整个宇宙的比例连5% 都不到。据说在剩余的96% 中,约有23% 的是叫作暗物质的东西,因此暗能量占了73% 左右。

村山:嗯,宇宙几乎全部由未知的东西构成,我们看到的部分真是冰山一角。因为我们完全不清楚这两种东西的真正面目,所以姑且称其为“暗”。

北野武:所谓暗物质,就是字面意思的物质吗?

村山:嗯,是物质。只不过,我们认为它是一种与原子不同的物质,既不会发光,也不与其他物质发生反应。

北野武:我们既然看不到这种东西,为何说它存在呢?

村山:宇宙中有很多旋涡状的星系,随着观测技术水平的提高,我们发现星系的旋转速度即使远离中心也几乎是相同的。但是,在太阳系中距离越远引力的影响就越弱,外侧的行星应该是缓慢运动的。因此如果不考虑存在吸引外侧行星的引力源,就无法解释其旋转速度为何与内侧的行星相同。离太阳系中心越远的地方,这种引力源就更多。我们所在的银河系也是这样的。太阳系的运动速度约为每秒240 千米,之所以即便如此也无法迅速飞向宇宙另一边,是因为银河系整体的引力维系着这种平衡。但是,如果继续增加银河系的星体数量,就不会有恰到好处的维系太阳系的引力了。如果没有那些看不见的物质所产生的强大引力,我们的太阳系应该就会与银河系说拜拜了。

北野武:我们也知道宇宙的何处存在暗物质吗?

村山:我们清楚地了解其位置,这也是出乎意料的。光线会在引力作用下发生弯曲。在存在大量暗物质的空间背后,只要有星系,来自该星系的光就会在暗物质的引力作用下发生弯曲,看上去星系好像被拉长了。也就是说,在积存大量暗物质的地方发挥了透镜的作用。这就是所谓的引力透镜效应。虽然认为那里什么也没有,但是星系被拉长的现象意外地告诉了我们暗物质的存在。

北野武:原来如此。既然如此,那么只要能够观察足够多的星系,就能了解暗物质的整体概况吧?

村山:我们想从事这方面的尝试,推出了“SuMIRe 项目”,试图使用斯巴鲁望远镜观察几百万个远在数十亿光年的银河。只要顺利推进该项计划,就能绘制出暗物质的地图。宇宙的骨架结构应该取决于暗物质。因此只要绘制出暗物质的地图,我们就能了解宇宙的构造。如果能够掌握宇宙的结构,我们就能了解宇宙的进化方式,并能预知其下一步的进化方向。

北野武:看来暗物质是打开理解宇宙之门的钥匙啊。

村山:宇宙诞生之初,作为天体材料的原子以一种极为平常的状态广泛散落在宇宙之中。暗物质的引力将其聚集在一起,组成了星体。初期的宇宙中存在暗物质分布稍微多和少的地方,暗物质浓度越大其引力也越强。于是很多原子被吸引过来,变成了星体。如果不存在暗物质,宇宙将仅仅是一个粒子均匀散落在各处的索然无味的空间,也可能就不会诞生我们人类了吧。

北野武:“维度过小且卷曲”是什么意思啊?(笑)

村山:空间中的维度表示运动方向。我们所处的空间具有上下、前后和左右的运动方向,因此是三维空间。不过,对于走钢丝的演员而言,他只能在钢丝上面做前后的运动,因此钢丝在其眼中是一个一维的世界。但是,如果钢丝上有一只蚂蚁,它既能前后运动,也能围绕着钢丝转圈。所以对于蚂蚁而言,钢丝是二维的。也就是说,虽然同在一条钢丝上,体型巨大的人类只能看到一维的通道,对于渺小的蚂蚁而言,钢丝却是一个二维的世界。“维度过小且卷曲”就是这种感觉,因为我们体型过大,所以只能认识到三维的空间。

北野武:原来如此啊。

村山:我们发现微小的基本粒子真的存在于其他方向。回到刚才暗物质的话题,虽然有的粒子在不同维度运动,但是由于那个维度太小我们看不到,因此奔跑中的粒子看上去是静止不动的。但是,因为存在动能,所以那些粒子是具有质量的。这或许就是暗物质吧。

北野武:在宇宙的研究领域,目前科学家们相当关心这种多重维度的情况吧?

村山:是的。我们已经到了不得不考虑大脑无法想象的四维、五维……九维世界的时候了。于是我们需要借助数学家的力量。

北野武:暗物质也与多重维度有关系吗?

村山:可能存在某种联系。目前也有这种学说。

北野武:占据大部分宇宙的暗能量到底是什么东西啊?

村山:我们已经说过宇宙诞生于“大爆炸”,那么其膨胀将持续到什么时候就成了问题。关于这一点,以前普遍认为有两种可能。要么永无止境地膨胀下去,要么膨胀到极限后开始缩小。无论哪种可能,前提都是膨胀速度为“减速”。然而,最近的观测结果表明宇宙的膨胀正在加速。因为宇宙的膨胀正在加速,所以必须存在某些挤压宇宙的东西。虽然肯定有什么东西正在挤压宇宙,但是我们并不清楚这种东西为何物。宇宙中存在很多物质,只要是物质,其总量就不会改变,因此只要宇宙膨胀其密度应该就会变稀薄吧。

北野武:没错。

村山:虽然我们也不清楚暗物质的真面目,但既然是物质,那么只要宇宙变大,其密度就应该会变小。如果宇宙的大小变为原来的2倍,其体积(长× 宽× 高)就会变成原来的8 倍。

北野武:那么物质的密度应该会变为原来的1/8。

村山:不过,暗能量会随着宇宙的大小加倍而变成原来的8 倍。因为暗能量的不断涌现,所以推动着宇宙加速膨胀。某一学说认为,暗能量为“真空能量”。所谓真空,就是指连空气都没有的虚空状态,但其实是存在某种能量的。如果1 立方厘米内能量是固定不变的量,那么宇宙膨胀体积增加的同时,能量也会随之增加。那么,为什么真空具有能量呢?我们尚不清楚其中的奥秘。

北野武:随着暗能量不断加速宇宙的膨胀,太阳和地球也会不断远离彼此吧?

村山:是的。虽然我们还不清楚它们将会隔离多远,但是我们早晚将看不到远方的星系。目前我们使用斯巴鲁望远镜或哈勃望远镜可以欣赏美丽的星系。由于远方的星系不断加速远离我们,总有一天会从我们的视野里消失,所以我们将来只能看到近处的星星。因此,我们的研究工作只争当下,让文部科学省快点批下预算。(笑)若是出现极端的情况,暗能量的产生速度过快导致加速不断推进,宇宙的膨胀速度会变成无穷大。那么,星系之中的星体也会撕裂成原子,最终原子也变得七零八落。这就是所谓的大撕裂(Big Rip)。宇宙的最终命运也有可能是大撕裂。

  1. 存在其他宇宙吗?

北野武:刚才谈到了多重维度的话题,最近也出现了多元宇宙的观点吧。多维宇宙和多元宇宙不是一回事吗?

村山:正如刚才所说的那样,认为存在三维以上的异次元的想法叫作多维宇宙。另一个说法为多元宇宙(平行宇宙)。虽然这两个词只是一字之差,但是多维宇宙是指宇宙空间内存在迄今为止未被发现的多重维度,宇宙的数量仍为一个。然而,多元宇宙的观点为可能有很多宇宙。我们所在的宇宙也只是其中之一。

北野武:除了我们所在的这个宇宙之外,还存在很多其他宇宙吧?

村山:之所以说出那样的话,是因为我们物理学家正在努力创造出能够解释从宏观到微观所有现象的统一理论,其中最有力的候选理论为“超弦理论”。大家正在努力调研该理论会对宇宙的性质给出怎样的答案。我们利用数学解开方程式后得出了数量庞大的解。由于有很多个解,超弦理论无法描绘宇宙的样子,因此我们也困惑不解。但是,如果所有解都是“正解”的话……那么其他宇宙或许存在于某个地方,这个宇宙对应这个解,那个宇宙对应那个解,宇宙的数量可能与解的数量相同。

北野武:那么,其他宇宙也有人类吗?

村山:虽然有可能存在与我们不同的生物,但是通过观察目前为止得到的各种解,基本可以判断其他宇宙几乎都不会诞生人类。暗能量使宇宙不断膨胀,一旦解出现半点差错就会使暗能量变得过大,宇宙因而会在诞生后随即发生撕裂。物质来不及合成星体和星系就会发生撕裂,当然也不会诞生人类。因此,诸多解都表明相应的宇宙不存在人类。我们也是很清楚这一点的。

北野武:宇宙真是仍然存在很多未解之谜啊。科幻电影经常会描述UFO 的燃料为反物质。反物质究竟是什么东西啊?

村山:所有粒子都有一个与其电荷正负相反,其他性质全部相同的反粒子存在。由反粒子组成的物质就是反物质。一旦反物质与物质相遇,就会湮灭并释放出很高的能量。方糖大小的反物质能够释放出与广岛原子弹爆炸相当的能量。因此,反物质也被我们设想成宇宙飞船的燃料了吧。但是,要想制造出拥有如此巨大能量的反物质,我们必须投入等量的能量。不是轻而易举就能制造出来的。

北野武:反物质曾在美国电影《天使与魔鬼》中出现过,虽然电影中出现了“反物质炸弹”,但是制造起来并非易事。一般认为在宇宙诞生之初,物质和反物质是同时产生的吧?

村山:嗯,应该产生了很多物质与反物质。但是,我们这个宇宙只存在物质。这又是一个人令人匪夷所思的谜。

北野武:由反物质组成的宇宙虽然在科幻世界中时有出现,但其实是完全虚构的啊。

村山:也可能存在那种宇宙,不过在我们可视范围内的宇宙中基本上不存在反物质。在宇宙诞生的时候,明明应该既产生了物质,又产生了反物质,那现在为什么没有反物质呢?在宇宙诞生之初,可能产生了数量相同的物质和反物质。然而由于某种原因,反物质的十亿分之一变成了物质。我们普遍认为应该发生了这样的情况。

北野武:也就是说,物质变多了十亿分之二。

村山:在物质比反物质多出十亿分之二之后,剩余的物质与反物质因结合而全部湮灭。稍微多出的物质就变成了星体和我们人类。

北野武:但是,这个世界全是由物质组成的,我们知道为什么会存在反物质吗?

村山:最初我们捕捉到了从天而降的反物质。虽然宇宙中基本上没有反物质,但是各种东西从宇宙降落到了地球上。例如,我们的星系有时会发生超新星爆炸(巨大质量的恒星走向毁灭时发生的爆炸现象),从中会喷发出各种各样的物质。它们徘徊于宇宙空间,早晚会落到地球的大气层。从宇宙落下的宇宙射线在与大气反应的时候,会产生少量的反物质。现在我们已经实现了反物质的制作,并应用于医疗行业。您知道PET(Positron Emission Tomography,正电子发射断层成像)吧?

北野武:啊,那是扫描人体内部的一种技术吧。

村山:它的工作原理是向人体注射电子的反粒子正电子,通过检查体内哪里消失了正电子以及消失时产生的光,来判断身体内部的健康状况。

北野武:听了您的讲述之后,我已经分不清这是学问还是科幻了。(笑)小学生能听懂吗?

村山:我也经常给小学生讲反物质的话题,他们是听得懂的。我以前也在小学教过课,不过最近由于授课邀请太多,我几乎应接不暇了。

北野武:不过,向更多的人浅显易懂地介绍宇宙,让其对此产生兴趣也是很重要的事吧?

村山:我认为这很重要,而且有以下三个理由。第一,虽然该领域的研究生活真的十分艰辛,但因为我们使用着国民的税金从事研究工作,所以有知恩图报的义务;第二,如果能够让更多的人理解该领域,那么预算也可能会多一些;(笑)第三,因为从事该领域的研究很有意思,所以我想说“如此有趣”的话。这是最重要的理由。这与我们看了很好的电影会立刻感动,然后想对大家说“这部电影很棒,你一定要看啊”的感觉是一样。

  1. 用数十年的时间挑战138 亿年的历史

北野武:虽然获得预算相当不易,但是我也认为您的研究充满乐趣。目前,日本文部科学省对这个领域的研究不怎么投入预算吗?

村山:不,情况并非如此。最近美国反倒是对基础科学的研究不提供预算了。但日本毕竟是个小国,研究人员的数量少之又少。因此,预算总额较少,很难制定宏大的研究计划。虽然研究计划比较小,但是游击战是靠作战思路决定胜负的。不过,综合战斗力还是赢不了美国啊。

北野武:现今宇宙的研究正在日新月异地获得新的发现吧?

村山:不,其实获得某种新发现的瞬间并不多见。几年中才会出现一次眼前一亮的感觉。其他时间都是勤勤恳恳地研究。我们想要做的事情中有99% 都会立马意识到“啊,不对”。

北野武:马上就能认识到不行?

村山:嗯。剩余的1% 也会在大概一个月后宣告失败。仅有微乎其微的一部分可以幸存,最终找到突破口。

北野武:在研究的过程中,也有经过一年左右的时间才意识到不对劲的情况吧?

村山:那都是家常便饭。(笑)何止一年,耗费几十年的心血去研究发射人造卫星也是极为平常的。然而,经过几十年的努力研制出装置,到了使用火箭发射的关键时刻,却发生了爆炸。面对这样的意外,几十年的人生就如此惨白地付之东流。我们的研究领域真的会发生这样的事情。

北野武:不过,研究对象毕竟是几亿光年的世界。不容易也是理所当然的吧。

村山:我认为这项事业很了不起。充其量只能活几十年的人类研究着138 亿年的历史,能够走到今天真是很伟大。

北野武:人类的历史为400 万年。人的一生至多也就100 年。我们传承着知识的同时,终于来到了这里。

村山:因此,如果文明突然毁灭的话将非常悲惨。至今为止人类发现的一切将会全部消失。

北野武:对于宇宙,我们还有很多不知道的谜题,也不知道人类究竟为何而活,其目的是什么。开创宇宙是怎么回事?这世上到底有没有神?另外,我们究竟是谁?从哪里来,到哪里去?我们可能会在死亡的瞬间找到这些答案,不过那时已经太晚了。(笑)

目录

  • mission 01 逆向探索人大类迁徙之旅 关野吉晴
  • mission 02 挽救正在逐渐消失的“语言” 西江雅之
  • mission 03 潜入亚洲腹地寻觅梦幻植物 荻巢树德
  • mission 04 从大猩猩身上学习人际关系 山极寿一
  • mission 05 潜入白蚁王国的巨大“后宫” 松浦健二
  • mission 06 探秘鳗鱼的产卵地 塚本胜巳
  • mission 07 寻觅生活在极端环境的生物 长沼毅
  • mission 08 用超小型摄像机追踪动物的活动 佐藤克文
  • mission 09 潜入深海探秘巨型乌贼的生态 洼寺恒己
  • mission 10 预测富士山的火山喷发 镰田浩毅
  • mission 11 取得开启宇宙奥秘之门的钥匙 村山齐