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取得開啟宇宙奧秘之門的鑰匙 村山齊

村山齊1964 年出生于日本東京，美國加州大學伯克利分校教授、東京大學卡弗里數學物理聯合宇宙研究機構所長。修完東京大學研究生院院理學系研究科博士課程。基本粒子理論、基礎科學領域的年輕帶頭人之一。

可以用暗物質的地圖闡明宇宙的結構？

有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子是什么？

可能存在很多其他的宇宙？

有很多想要了解的東西。

飛離地球，向宇宙之旅出發！

北野武：村山老師，您是東京大學卡弗里數學物理聯合宇宙研究機構所長，頭銜真是夠長的。(笑)該機構是匯集各國物理學、天文學和數學的研究者，揭示宇宙之謎的頂級研究所。您自身是理論物理學家，研究宇宙的時候需要數學家的幫助嗎？

村山：對于我們這些研究者而言，數學是一種語言。如同有人“使用英語”或“使用法語”，我們使用的是“數學”。當出現新的未解之謎，想要揭示它的時候，我們所掌握的詞匯會遇到不足的情況。此時，為我們創造出補充詞匯的就是數學家。

北野武：也就是說，與理論物理學家相比，數學家的詞匯更加豐富吧？

村山：物理學家有時也會隨意創造出有些騙人的算式。但是，數學專業的人隨后會調查那個算式，告訴物理學家這種語言的定義、語法以及正確的使用方法。例如，一旦出現“無窮大”的問題，物理學家就束手無策。然而數學家連無窮大都能進行分類。即使同樣的無窮大，也存在這個無窮大比那個無窮大更大的情況。(笑)

北野武：也就是說，物理老師將自己的想法介紹給數學老師，讓其推導出正確的算式吧？

村山：嗯。但是，除了算式之外，物理學家和數學家真是語言很難相通的。這是我們交流過程中的一個難點。例如，我們的研究所也錄用數學家，我們會閱讀推薦該人的數學家所寫的推薦信，以此判斷是否錄用。閱讀物理學家寫的推薦信，會發現“該人在全世界都數一數二”等字眼，于是就會認為“這個人好像很厲害”，從而將其錄用。但是，數學家的推薦信不會這么寫。他們會以“該人證明了這個定理，這個定理也證明了……”這樣的話為推薦信畫上句號。(笑)我們無從知曉該人有多厲害。對于寫推薦信的人而言，“在全世界數一數二是無法證明的”，數學家不能寫無法證明的情況。

北野武：如果寫下無法證明的情況就等于在撒謊吧。(笑)

村山：是的。因此，我們會直接給應聘的人打電話，這樣問道：“我們雖然明白你證明了這個定理，但是這個定理真的那么厲害嗎？”我們聽到的回答是：“50 年后就知道到底有多厲害了。”(笑)

北野武：真是這樣啊。(笑)您目前正在卡弗里數物聯合宇宙研究機構攻克宇宙的未解之謎，那么您從小就是一位天文少年吧？

村山：不，我雖然對天體感興趣，但是父親告訴我“咱家沒錢”，連個望遠鏡都沒給我買。(笑)因此小時候沒能成為天文少年。

北野武：您的專業是基本粒子物理學，最初沒有打算研究宇宙嗎？

村山：是的。不過基本粒子與宇宙密切相關。1992 年，我個人就接觸到了基本粒子與宇宙聯系起來的實例。美國的喬治•斯穆特和約翰•馬瑟通過人造衛星的觀測，證明了“大爆炸”的存在。他們二人因此獲得了2006 年的諾貝爾獎。大爆炸得到證明，告訴了我們宇宙過去是很小的，想要解開這個謎題，基本粒子的研究不可或缺。我對此感到無比震驚。于是，我想去獲得如此觀測成果的老師喬治•斯穆特的身邊，第二年我就去了美國的加州大學伯克利分校。其實這位老師特別有意思。伯克利分校里有些停車位只供諾貝爾獎得主停車。由于接到了瑞典的諾貝爾獎獲獎電話，斯穆特博士心想“太好了，我也可以把車停在這里了”，當天即把車停到了那里，然而接到了違章停車的罰單。據說違規的理由是當時還沒有參加授獎儀式。(笑)

北野武：斯穆特博士觀測到的是類似于電磁波之類的東西吧？

村山：他們發現的東西叫作宇宙微波背景輻射，實際上是“大爆炸的余燼”。因為光抵達地球需要時間，所以天體觀測看得越遠，越能看到過去的宇宙。遠在20 億光年的星星是20 億年前的樣子。隨著不斷拉遠觀測的距離，如果能夠看到發生大爆炸的138 億光年的遠方，那么應該可以看到138 億年前宇宙的樣子。然而，來自大爆炸的光因宇宙的膨脹而拉伸，最終變成了電磁波。通過調查這一電磁波，印證了宇宙從大爆炸開始，經過138 億年變成現在模樣的事實。

北野武：大爆炸理論讓基本粒子的微觀世界和宇宙的宏觀世界緊密聯系起來，真是有意思啊。(2012 年)7 月4 日，瑞士的CERN(歐洲核子研究組織)發現“ 希格斯玻色子”一事成為了熱門新聞。希格斯玻色子是什么呢？它是解釋宇宙中的物質具有質量的關鍵吧？

村山：嗯，應該是這樣的。具有質量就相當于具有能量。

北野武：這就是愛因斯坦的相對性原理吧。因為E(能量)=m(質量)×c 2(光速)，所以能量與質量成正比。因此具有質量，就不能沒有能量。順便問一句，我們的體重也能換算成能量吧？

村山：可以。我們的體重取決于體內原子核的質子和中子的重量。質子和中子里有3 個叫作夸克的基本粒子，它們以光速在其內部運動。我們雖然看不到它的一舉一動，但是夸克的運動具有能量，所以質子和中子是具有質量的。因此，我們自身即使不動也是有質量的。它的大小就是用體重計測量的數值。

北野武：既然具有質量，那么必然從哪里獲得了能量，否則就怪了。

村山：不過，即使夸克和電子靜止不動，也具有微小的質量。與質子不同，夸克和電子的內部應該沒有任何東西，因此靜止也具有重量就奇怪了。于是希格斯玻色子填補了這一理論的空白。其實宇宙中充滿了希格斯玻色子這種粒子。質量越大，基本粒子在空間內運動起來的難度就越大。也就是說，質量是基本粒子運動起來的難度。夸克和電子雖然都想在空間內以光速疾馳，但是遭到希格斯玻色子的阻攔無法以光速運動。因此，我們認為質量為零的基本粒子可以看作具有質量。

北野武：那么，充滿希格斯玻色子的地方被光線照射后會怎么樣呢？

村山：光線會撞到帶電的東西。光不會注意不帶電的東西。因此，雖然宇宙中充滿希格斯玻色子，但是由于該粒子不帶電，光的傳播可以暢通無阻。

北野武：希格斯玻色子也是使用CERN 的LHC(大型強子對撞機)這個巨大的實驗裝置發現的。據說工作原理是使用加速器讓粒子互相撞擊，然后通過撞擊試圖發現撞擊前不存在的粒子。但是，由于粒子撞擊實驗可以產生黑洞，地球存在被黑洞吞噬的危險，因此也出現了叫停實驗的訴訟，實驗中出現黑洞真的沒關系嗎？

村山：確實有可能出現極小的黑洞。但是，粒子撞擊的瞬間即使產生了黑洞，也會隨即蒸發。霍金博士在很久以前就提出了這一預言。我們普遍認為黑洞是漆黑的死亡天體，而且非常寒冷。然而，霍金博士說：“不，其實黑洞散發著微微的熱量。”散出熱量意味著能量在減少。如果能量持續不斷減少下去，黑洞早晚會蒸發消失。而且，黑洞越小其蒸發的速度越快。在CERN 產生的黑洞大約經過10-80 秒就會蒸發。因此，即使產生了黑洞，它也沒空吞掉地球。(笑)

北野武：我們不斷獲取關于宇宙的新發現。我過去上學時學的是“萬物皆由原子組成”，然而近期的研究表明原子占整個宇宙的比例連5% 都不到。據說在剩余的96% 中，約有23% 的是叫作暗物質的東西，因此暗能量占了73% 左右。

村山：嗯，宇宙幾乎全部由未知的東西構成，我們看到的部分真是冰山一角。因為我們不清楚這兩種東西的真正面目，所以姑且稱其為“暗”。

北野武：所謂暗物質，就是字面意思的物質嗎？

村山：嗯，是物質。只不過，我們認為它是一種與原子不同的物質，既不會發光，也不與其他物質發生反應。

北野武：我們既然看不到這種東西，為何說它存在呢？

村山：宇宙中有很多旋渦狀的星系，隨著觀測技術水平的提高，我們發現星系的旋轉速度即使遠離中心也幾乎是相同的。但是，在太陽系中距離越遠引力的影響就越弱，外側的行星應該是緩慢運動的。因此如果不考慮存在吸引外側行星的引力源，就無法解釋其旋轉速度為何與內側的行星相同。離太陽系中心越遠的地方，這種引力源就更多。我們所在的銀河系也是這樣的。太陽系的運動速度約為每秒240 千米，之所以即便如此也無法迅速飛向宇宙另一邊，是因為銀河系整體的引力維系著這種平衡。但是，如果繼續增加銀河系的星體數量，就不會有恰到好處的維系太陽系的引力了。如果沒有那些看不見的物質所產生的強大引力，我們的太陽系應該就會與銀河系說拜拜了。

北野武：我們也知道宇宙的何處存在暗物質嗎？

村山：我們清楚地了解其位置，這也是出乎意料的。光線會在引力作用下發生彎曲。在存在大量暗物質的空間背后，只要有星系，來自該星系的光就會在暗物質的引力作用下發生彎曲，看上去星系好像被拉長了。也就是說，在積存大量暗物質的地方發揮了透鏡的作用。這就是所謂的引力透鏡效應。雖然認為那里什么也沒有，但是星系被拉長的現象意外地告訴了我們暗物質的存在。

北野武：原來如此。既然如此，那么只要能夠觀察足夠多的星系，就能了解暗物質的整體概況吧？

村山：我們想從事這方面的嘗試，推出了“SuMIRe 項目”，試圖使用斯巴魯望遠鏡觀察幾百萬個遠在數十億光年的銀河。只要順利推進該項計劃，就能繪制出暗物質的地圖。宇宙的骨架結構應該取決于暗物質。因此只要繪制出暗物質的地圖，我們就能了解宇宙的構造。如果能夠掌握宇宙的結構，我們就能了解宇宙的進化方式，并能預知其下一步的進化方向。

北野武：看來暗物質是打開理解宇宙之門的鑰匙啊。

村山：宇宙誕生之初，作為天體材料的原子以一種極為平常的狀態廣泛散落在宇宙之中。暗物質的引力將其聚集在一起，組成了星體。初期的宇宙中存在暗物質分布稍微多和少的地方，暗物質濃度越大其引力也越強。于是很多原子被吸引過來，變成了星體。如果不存在暗物質，宇宙將僅僅是一個粒子均勻散落在各處的索然無味的空間，也可能就不會誕生我們人類了吧。

北野武：“維度過小且卷曲”是什么意思啊？(笑)

村山：空間中的維度表示運動方向。我們所處的空間具有上下、前后和左右的運動方向，因此是三維空間。不過，對于走鋼絲的演員而言，他只能在鋼絲上面做前后的運動，因此鋼絲在其眼中是一個一維的世界。但是，如果鋼絲上有一只螞蟻，它既能前后運動，也能圍繞著鋼絲轉圈。所以對于螞蟻而言，鋼絲是二維的。也就是說，雖然同在一條鋼絲上，體型巨大的人類只能看到一維的通道，對于渺小的螞蟻而言，鋼絲卻是一個二維的世界。“維度過小且卷曲”就是這種感覺，因為我們體型過大，所以只能認識到三維的空間。

北野武：原來如此啊。

村山：我們發現微小的基本粒子真的存在于其他方向。回到剛才暗物質的話題，雖然有的粒子在不同維度運動，但是由于那個維度太小我們看不到，因此奔跑中的粒子看上去是靜止不動的。但是，因為存在動能，所以那些粒子是具有質量的。這或許就是暗物質吧。

北野武：在宇宙的研究領域，目前科學家們相當關心這種多重維度的情況吧？

村山：是的。我們已經到了不得不考慮大腦無法想象的四維、五維……九維世界的時候了。于是我們需要借助數學家的力量。

北野武：暗物質也與多重維度有關系嗎？

村山：可能存在某種聯系。目前也有這種學說。

北野武：占據大部分宇宙的暗能量到底是什么東西啊？

村山：我們已經說過宇宙誕生于“大爆炸”，那么其膨脹將持續到什么時候就成了問題。關于這一點，以前普遍認為有兩種可能。要么永無止境地膨脹下去，要么膨脹到極限后開始縮小。無論哪種可能，前提都是膨脹速度為“減速”。然而，最近的觀測結果表明宇宙的膨脹正在加速。因為宇宙的膨脹正在加速，所以必須存在某些擠壓宇宙的東西。雖然肯定有什么東西正在擠壓宇宙，但是我們并不清楚這種東西為何物。宇宙中存在很多物質，只要是物質，其總量就不會改變，因此只要宇宙膨脹其密度應該就會變稀薄吧。

北野武：沒錯。

村山：雖然我們也不清楚暗物質的真面目，但既然是物質，那么只要宇宙變大，其密度就應該會變小。如果宇宙的大小變為原來的2倍，其體積(長× 寬× 高)就會變成原來的8 倍。

北野武：那么物質的密度應該會變為原來的1/8。

村山：不過，暗能量會隨著宇宙的大小加倍而變成原來的8 倍。因為暗能量的不斷涌現，所以推動著宇宙加速膨脹。某一學說認為，暗能量為“真空能量”。所謂真空，就是指連空氣都沒有的虛空狀態，但其實是存在某種能量的。如果1 立方厘米內能量是固定不變的量，那么宇宙膨脹體積增加的同時，能量也會隨之增加。那么，為什么真空具有能量呢？我們尚不清楚其中的奧秘。

北野武：隨著暗能量不斷加速宇宙的膨脹，太陽和地球也會不斷遠離彼此吧？

村山：是的。雖然我們還不清楚它們將會隔離多遠，但是我們早晚將看不到遠方的星系。目前我們使用斯巴魯望遠鏡或哈勃望遠鏡可以欣賞美麗的星系。由于遠方的星系不斷加速遠離我們，總有24小時會從我們的視野里消失，所以我們將來只能看到近處的星星。因此，我們的研究工作只爭當下，讓文部科學省快點批下預算。(笑)若是出現極端的情況，暗能量的產生速度過快導致加速不斷推進，宇宙的膨脹速度會變成無窮大。那么，星系之中的星體也會撕裂成原子，最終原子也變得七零八落。這就是所謂的大撕裂(Big Rip)。宇宙的最終命運也有可能是大撕裂。

北野武：剛才談到了多重維度的話題，最近也出現了多元宇宙的觀點吧。多維宇宙和多元宇宙不是一回事嗎？

村山：正如剛才所說的那樣，認為存在三維以上的異次元的想法叫作多維宇宙。另一個說法為多元宇宙(平行宇宙)。雖然這兩個詞只是一字之差，但是多維宇宙是指宇宙空間內存在迄今為止未被發現的多重維度，宇宙的數量仍為一個。然而，多元宇宙的觀點為可能有很多宇宙。我們所在的宇宙也只是其中之一。

北野武：除了我們所在的這個宇宙之外，還存在很多其他宇宙吧？

村山：之所以說出那樣的話，是因為我們物理學家正在努力創造出能夠解釋從宏觀到微觀所有現象的統一理論，其中最有力的候選理論為“超弦理論”。大家正在努力調研該理論會對宇宙的性質給出怎樣的答案。我們利用數學解開方程式后得出了數量龐大的解。由于有很多個解，超弦理論無法描繪宇宙的樣子，因此我們也困惑不解。但是，如果所有解都是“正解”的話……那么其他宇宙或許存在于某個地方，這個宇宙對應這個解，那個宇宙對應那個解，宇宙的數量可能與解的數量相同。

北野武：那么，其他宇宙也有人類嗎？

村山：雖然有可能存在與我們不同的生物，但是通過觀察目前為止得到的各種解，基本可以判斷其他宇宙幾乎都不會誕生人類。暗能量使宇宙不斷膨脹，一旦解出現半點差錯就會使暗能量變得過大，宇宙因而會在誕生后隨即發生撕裂。物質來不及合成星體和星系就會發生撕裂，當然也不會誕生人類。因此，諸多解都表明相應的宇宙不存在人類。我們也是很清楚這一點的。

北野武：宇宙真是仍然存在很多未解之謎啊。科幻電影經常會描述UFO 的燃料為反物質。反物質究竟是什么東西啊？

村山：所有粒子都有一個與其電荷正負相反，其他性質全部相同的反粒子存在。由反粒子組成的物質就是反物質。一旦反物質與物質相遇，就會湮滅并釋放出很高的能量。方糖大小的反物質能夠釋放出與廣島原子彈爆炸相當的能量。因此，反物質也被我們設想成宇宙飛船的燃料了吧。但是，要想制造出擁有如此巨大能量的反物質，我們必須投入等量的能量。不是輕而易舉就能制造出來的。

北野武：反物質曾在美國電影《天使與魔鬼》中出現過，雖然電影中出現了“反物質炸彈”，但是制造起來并非易事。一般認為在宇宙誕生之初，物質和反物質是同時產生的吧？

村山：嗯，應該產生了很多物質與反物質。但是，我們這個宇宙只存在物質。這又是一個人令人匪夷所思的謎。

北野武：由反物質組成的宇宙雖然在科幻世界中時有出現，但其實是虛構的啊。

村山：也可能存在那種宇宙，不過在我們可視范圍內的宇宙中基本上不存在反物質。在宇宙誕生的時候，明明應該既產生了物質，又產生了反物質，那現在為什么沒有反物質呢？在宇宙誕生之初，可能產生了數量相同的物質和反物質。然而由于某種原因，反物質的十億分之一變成了物質。我們普遍認為應該發生了這樣的情況。

北野武：也就是說，物質變多了十億分之二。

村山：在物質比反物質多出十億分之二之后，剩余的物質與反物質因結合而全部湮滅。稍微多出的物質就變成了星體和我們人類。

北野武：但是，這個世界全是由物質組成的，我們知道為什么會存在反物質嗎？

村山：最初我們捕捉到了從天而降的反物質。雖然宇宙中基本上沒有反物質，但是各種東西從宇宙降落到了地球上。例如，我們的星系有時會發生超新星爆炸(巨大質量的恒星走向毀滅時發生的爆炸現象)，從中會噴發出各種各樣的物質。它們徘徊于宇宙空間，早晚會落到地球的大氣層。從宇宙落下的宇宙射線在與大氣反應的時候，會產生少量的反物質。現在我們已經實現了反物質的制作，并應用于醫療行業。您知道PET(Positron Emission Tomography，正電子發射斷層成像)吧？

北野武：啊，那是掃描人體內部的一種技術吧。

村山：它的工作原理是向人體注射電子的反粒子正電子，通過檢查體內哪里消失了正電子以及消失時產生的光，來判斷身體內部的健康狀況。

北野武：聽了您的講述之后，我已經分不清這是學問還是科幻了。(笑)小學生能聽懂嗎？

村山：我也經常給小學生講反物質的話題，他們是聽得懂的。我以前也在小學教過課，不過最近由于授課邀請太多，我幾乎應接不暇了。

北野武：不過，向更多的人淺顯易懂地介紹宇宙，讓其對此產生興趣也是很重要的事吧？

村山：我認為這很重要，而且有以下三個理由。及時，雖然該領域的研究生活真的十分艱辛，但因為我們使用著國民的稅金從事研究工作，所以有知恩圖報的義務；第二，如果能夠讓更多的人理解該領域，那么預算也可能會多一些；(笑)第三，因為從事該領域的研究很有意思，所以我想說“如此有趣”的話。這是最重要的理由。這與我們看了很好的電影會立刻感動，然后想對大家說“這部電影很棒，你一定要看啊”的感覺是一樣。

北野武：雖然獲得預算相當不易，但是我也認為您的研究充滿樂趣。目前，日本文部科學省對這個領域的研究不怎么投入預算嗎？

村山：不，情況并非如此。最近美國反倒是對基礎科學的研究不提供預算了。但日本畢竟是個小國，研究人員的數量少之又少。因此，預算總額較少，很難制定宏大的研究計劃。雖然研究計劃比較小，但是游擊戰是靠作戰思路決定勝負的。不過，綜合戰斗力還是贏不了美國啊。

北野武：現今宇宙的研究正在日新月異地獲得新的發現吧？

村山：不，其實獲得某種新發現的瞬間并不多見。幾年中才會出現一次眼前一亮的感覺。其他時間都是勤勤懇懇地研究。我們想要做的事情中有99% 都會立馬意識到“啊，不對”。

北野武：馬上就能認識到不行？

村山：嗯。剩余的1% 也會在大概一個月后宣告失敗。僅有微乎其微的一部分可以幸存，最終找到突破口。

北野武：在研究的過程中，也有經過一年左右的時間才意識到不對勁的情況吧？

村山：那都是家常便飯。(笑)何止一年，耗費幾十年的心血去研究發射人造衛星也是極為平常的。然而，經過幾十年的努力研制出裝置，到了使用火箭發射的關鍵時刻，卻發生了爆炸。面對這樣的意外，幾十年的人生就如此慘白地付之東流。我們的研究領域真的會發生這樣的事情。

北野武：不過，研究對象畢竟是幾億光年的世界。不容易也是理所當然的吧。

村山：我認為這項事業很了不起。充其量只能活幾十年的人類研究著138 億年的歷史，能夠走到今天真是很偉大。

北野武：人類的歷史為400 萬年。人的一生至多也就100 年。我們傳承著知識的同時，終于來到了這里。

村山：因此，如果文明突然毀滅的話將非常悲慘。至今