逆溯星光，探索宇宙的起源與黑暗秘密。
宇宙是用數學語言書寫的
日本東京大學數學物理聯合宇宙研究所（IPMU）創立於2007 年10 月，我便在這所研究機構擔任所長。研究所的名稱看似非常嚴肅，不過在外國多取其英文首字母，簡稱為IPMU。這種叫法或許稍微拉近了它與人們的距離。名稱中的「數學物理聯合」指的是數學和物理兩門學科的結合。這兩門學科攜手組合，恐怕會讓一些在初高中不擅長理科的人「敬而遠之」。
其實，並沒有什麼可怕的。
我們的研究課題，是任何人都曾想要了解的內容。例如，小時候仰望浩瀚夜空時，你可能產生過下面的疑問。
宇宙是如何誕生的？
遠方的星辰是由什麼構成的？
我們人類為何存在於宇宙之中？
宇宙今後將何去何從？
我們的研究就是嘗試解答人類這些單純而樸素的問題。
自然科學尚未發展的時代，這些問題是哲學家思考的對象。人類對此思索了幾千年，但仍存在許多未解之謎。
不過，時代已經發生了翻天覆地的變化。人造衛星、巨型天文望遠鏡、地下實驗設施、粒子加速器等相繼問世，近十幾年間科學和技術獲得了飛躍發展，「科學之力」讓我們能夠進一步靠近並觸碰自然深層的秘密。
近十年來，通過各種各樣的實驗，宇宙研究領域不斷湧現出令人震驚的數據。這些數據使得理論研究也得到了發展，並催生了很多獨特的新觀點。
我們對宇宙的認知也隨之發生了革命性的變化。把目前宇宙理論領域發生的變化，類比為「地心說」向「日心說」的轉變也不為過。
順便介紹一下，提出日心說的伽利略第一次用天文望遠鏡進行天文觀測，要追溯到1609 年。2009 年被確立為「國際天文年」，就是為了紀念此舉400 周年。
伽利略利用自製的望遠鏡，發現木星存在4 顆衛星，這些衛星的運行方式類似於圍繞地球旋轉的月球。於是他認為，如果木星周圍存在旋轉的衛星，那麼地球圍繞太陽旋轉也並不稀奇。隨後，這成為了他摒棄地心說、提出日心說的根據之一。從這層意義上講，400 年前伽利略用望遠鏡觀測天空這一舉動，對於人類而言可以說是歷史性的瞬間。著名的天文學家、物理學家伽利略，給我們留下了這樣一句名言：
「宇宙是用數學語言書寫的。」
也就是說，如果不通過數學，我們就無法理解自然的深層結構和奧秘。
物理學家的宇宙研究與數學「密不可分」，有些讀者可能會感到不可思議。不過，正如伽利略所言，如果不藉助數學家的力量，就無法解開宇宙之謎。因此，我們打破了數學和物理學的界線，創造了一個共同研究的平臺。
從1027到10-35的世界
讀完上述內容，想必大家頭腦中可能還會浮現出另外一個疑問。
為什麼渺小的基本粒子會與浩瀚的宇宙存在聯繫呢？
確實，在直觀感覺上，「宇宙」與「基本粒子」似乎完全不相關，畢竟兩者大小迥異，如有天壤之別。宇宙是世界之極大，而基本粒子是世界之極小。「宇宙研究所」的研究者為什麼會提到基本粒子呢？大家產生這樣的疑問也是理所當然的。
首先，讓我們以身邊的物體作為參照物，來思索一下宇宙到底有多大。同時思考極小的基本粒子和極大的宇宙，可以不必過於拘泥細枝末節，讓我們用「數字的位數」來大體表示一下。
例如，蘋果的直徑約為10 釐米（0.1 米）。人類的身高要增加1位數，在1 ～ 2 米左右。街上的大廈和公寓的高度要再增加1 位數，高度大概為幾十米。東京塔的高度為333 米，東京晴空塔的高度約為634 米。如果換成物理學領域經常使用的表達方式，這兩座塔的高度就分別約為「3×102米」和「6×102米」。日本最高的山峰富士山（海拔約為3776 米）的數字位數則為「103」。
那麼，「承載」富士山的地球的直徑有多大呢？地球直徑約為12 000 千米，換算成米的單位之後，數字位數為「107」，相當於富士山高度的1 萬倍。
地球圍繞太陽公轉的軌道直徑是富士山高度1 萬倍的1 萬倍（1011米）。這種級別的數字已經讓我們感覺陌生而遙遠了。但是，從宇宙整體來看，這種級別的數字只是滄海一粟，微不足道。
太陽系僅僅是位於銀河系一個角落的天體系統，銀河系的直徑約是地球公轉軌道直徑的10 億倍（1020米）。另外，銀河系與其他星系一起構成了「星系團」，星系團的直徑規模約為銀河系的1000 倍（1023米）。
宇宙中還存在很多這樣的星系團，而將這些星系團全部包裹起來的就是宇宙。我們目前能夠實際觀測到的宇宙大小為1 個星系團的1 萬倍（1027米）。「萬億」（1012）和「京」（1016）這兩個單位已經無法再表達這種規模的數字，因此需要用到「10x」這樣的表達。這正是所謂的「天文數字」。
那麼，基本粒子的大小又如何呢？
物體的大小
顧名思義，「基本粒子」就是構成物質的「最基本」單位的粒子。我認為可以這樣來理解基本粒子物理學，例如將蘋果、人類、富士山、天體等物質層層分解，分析它們究竟是由什麼基礎單位構成的。至於基本粒子為何能夠構成「物質」，而不是以分散的狀態各自存在，也是一個很重要的問題，我會在後文中詳細講解。
想必大家都知道所有物質都是「原子」的集合體。例如，「水」這種物質，氫原子和氧原子構成水分子H2O，水分子大量聚集進而形成水。
目前我們已經確認存在的原子有118 種（我們把同一類原子統稱為「元素」，它們分別擁有不同的質量）。就物質的多樣性而言，或許可以說元素的數量少得驚人。我們身邊的一切物質如果分解到一定程度，都會歸屬於這些元素之中。
當然，將物質分解到原子的層級並非一件容易的事。例如，將直徑10 釐米的蘋果分解後，大概會變成1026個原子。無論使用多麼鋒利的水果刀去切原子，都是徒勞的（因為刀刃肯定比原子大）。順便介紹一下，1 個蘋果和1 個原子的直徑大小差異，與銀河系和地球公轉軌道的直徑大小差異幾乎相同。也就是說，如果把銀河比作蘋果，那地球的公轉軌道只相當於1 個原子那麼大。
1 個原子的直徑為10-10米。原子曾經被認為是世界上最小的物體，即基本粒子。
但是，人類不久後發現原子仍然具有「內部結構」，也就是說原子可以進一步分割。原子的中心是「原子核」，它的周圍是繞其旋轉的「電子」。剛才提到的「原子的直徑（10-10米）」，也就是電子旋轉軌道的直徑。
另外，電子的軌道與原子核之間的距離絕對不近。我想很多人會類比想像為地球和人造衛星之間的距離，不過原子核的直徑要遠遠小於電子軌道的直徑，僅為10-15米，約是電子軌道直徑的十萬分之一。當然，這些畢竟是微觀世界的尺寸，用我們的肉眼去觀察基本上看不出來什麼區別，但實際上卻相差了5 位數。而富士山的海拔與地球的直徑，也僅僅相差了4 位數。所以，如果從原子核的角度來看，電子是在非常遙遠的地方運動的。
原子核的發現讓「基本粒子」的尺寸一下子小了很多。然而，故事並未就此結束。原子核內部仍然存在「質子」和「中子」，並且質子和中子也是由若干個更小的粒子構成的。
這種更小的粒子叫作「夸克」。目前夸克被認為是真正的「基本粒子」。其直徑約為10-19米，與曾經被認為是「基本粒子」的原子相差9 位數，與位於原子中心的原子核也有4 位數之差。
在引力、電磁力以及後面將會講解的強力、弱力這4 種力的統一嘗試中，「弦理論」是被寄予厚望的理論研究。而在「弦理論」中，基本粒子的大小則更小，為10-35米。
世界是一條「銜尾蛇」
在我們目前能夠觀測和理解的範圍內，宇宙的尺寸為1027米，基本粒子的尺寸為10-35米。這兩個「不講理」的數字就構成了我們自然界的「寬度」。或許可以這麼說，處在兩個極端的宇宙研究和基本粒子研究，它們之間存在62 位數的「距離」。
不過，最近的研究發現，這兩個看似毫無關係的研究領域其實緊密相連。
它們產生聯繫的背景是「大爆炸宇宙論」。
大爆炸的觀點認為，宇宙最初並非是現在這樣的巨大空間，而是自誕生之後逐漸膨脹，逐漸變為了現在的大小。相關證據也已擺在了我們面前，我會在後面對其進行介紹。
如果宇宙一直在膨脹，那麼追溯宇宙歷史的時候，便會發現宇宙的尺寸是在不斷變小的。大爆炸之後的最初的宇宙應該是小到不能再小的尺寸吧。
你不覺得這正是「基本粒子的世界」嗎？
銜尾蛇
因此，要想知曉宇宙的起源，必須理解基本粒子的相關知識。反過來，對龐大的宇宙的研究也能捕捉到渺小的基本粒子的信息。雖然二者看似處於自然界的兩個極端，但是它們卻存在著不可割裂的關係。
大家知道希臘神話中的「銜尾蛇」吧？它是一條正在吞食自己尾巴的蛇，在古希臘時代銜尾蛇是「整個世界」的象徵。
我在思考宇宙和基本粒子的時候，會經常想起這條蛇。宇宙作為蛇頭正在吞食作為蛇尾的基本粒子。我在不斷追逐觀察浩瀚宇宙盡頭的夢想時，發現那裡存在基本粒子；隨著對最小物質的研究逐漸深入，發現在那裡等待是張著血盆大口的宇宙。
因此，研究宇宙的人談及基本粒子的話題，並沒有什麼不可思議的。
接下來，讓我帶領大家一起進入極小又極大的世界吧。
以上內容選自村山齊教授《隱匿的宇宙：用基本粒子揭開宇宙之謎》一書的序章。
村山齊（Hitoshi Murayama）是著名的基本粒子物理學家。他是美國加州大學伯克利分校MacAdams冠教授，日本東京大學Kavli數學物理聯合宇宙研究機構所長，以及國際直線對撞機 (International Linear Collider）項目負責人。他的研究內容曾獲日本西宮湯川紀念獎（2002年）。
《隱匿的宇宙：用基本粒子揭開宇宙之謎》一書是村山齊教授關於「宇宙是什麼」的暢銷科普讀物。書中以回答「宇宙由什麼組成」以及「我們為什麼存在」這兩個人類最為原始、樸素的疑問為線索，通過結合最新的基本粒子物理和天體物理研究，用風趣幽默的語言和比喻，從全新的視角講述了「宇宙的本原結構」和「自然的本原法則」，清晰描繪出了當前人類研究體系下的宇宙整體圖景，並講解了宇宙中「暗物質」「暗能量」等神秘組成部分，是了解自然和宇宙黑暗秘密的科普佳作。該書曾獲2011年日本新書大獎第1名，日文版累計銷量破32萬冊。
如有興趣，可長按識別下面的二維碼，或點擊文末的「閱讀原文」購買。