第1章 宇宙是由什么組成的？

你將發(fā)現(xiàn)自己

其實非常古怪、非常特別

如果你是一個人（從現(xiàn)在開始我們將一直這么假設(shè)），那么你大概會對周圍的世界忍不住有些好奇。這是人性，也是你選擇閱讀此書的一個原因。

這不是一種新的感受。有史以來，人們一直想知道某些問題的答案，這些問題關(guān)乎我們周圍這個世界的根本，我們對此產(chǎn)生好奇是非常合理的—

宇宙是由什么組成的？

大塊的石頭是由小塊石頭組成的嗎？

為什么我們不能吃石頭？

如果我變成一只蝙蝠會怎樣？

第一個問題—宇宙是由什么組成的？—是個很大的問題。這不是因為這個話題很大（它不會變得比宇宙還大），而是因為這與所有人相關(guān)。這就好像是在問你房子里面的每件東西（包括你自己）是由什么組成的。你不需要豐富的數(shù)學或物理知識，就能明白這個問題影響著我們每一個人。

宇宙是由什么組成的？如果你是第一個試圖回答這個問題的人，那么從最簡單、最自然的想法開始思考會是個好主意。比如，你或許會說，宇宙是由我們能看見的東西組成的，于是你可以通過一張列表回答這個問題。這張列表或許是這樣開頭的：

但這個方法有很大的問題。你的列表會非常非常長，因為它需要包括宇宙中每個行星上的每塊石頭，還要包括你的這份列表本身（它也是宇宙的一部分）。如果你要用這張列表列出所有物體及其內(nèi)部成分，那么它會無限長。如果你不需要列出物體的內(nèi)部成分，那么這張表說不定只包含一項：“宇宙”。顯然，不管你怎么做，這個方法都有很大的問題。

但更重要的是，列表并不能真正找到那個問題的答案。讓人滿意的答案不僅會記錄我們眼中物質(zhì)世界的復(fù)雜性—我們四周有無限多種類的東西—還會為我們進行簡化。這正是元素周期表（就是那個包含氧、鐵、碳等元素的表格）的重要之處。人們看見、摸到、嘗到，或者丟給伙伴的每一個東西，全都基于元素周期表中的這些基本元素。它揭示了一點：宇宙的構(gòu)成原理和樂高差不多。利用一堆小塑料塊，你可以搭出玩具恐龍、飛機、海盜，或者創(chuàng)造一種你自己假想的會飛的恐龍海盜。

像樂高一樣，積木（元素）能組建宇宙里的許多東西：恒星、巖石、塵埃、冰激凌、羊駝。復(fù)雜物體是由簡單的物體排列組合起來的，通過簡單的例子，我們會更深刻地理解這個組織原理。

可是，宇宙為什么遵循這種樂高式的組織原理呢？我們無從確定宇宙真的可以簡化成積木。據(jù)原始人時代的科學家所知，這個世界或許在以許多不同的方式運轉(zhuǎn)。原始人奧克（Ook）和古可（Groog）根據(jù)經(jīng)驗總結(jié)理論，而他們的經(jīng)驗其實可以有很多種解釋，每種解釋對應(yīng)不同的宇宙觀。

也許，東西的種類是無窮的。在這樣一個宇宙里，石頭可能是由石頭元素粒子構(gòu)成；空氣可能是由空氣元素粒子構(gòu)成；大象可能是由大象元素粒子（讓我們稱它們?yōu)樾⌒∠螅?gòu)成。這樣一想，元素周期表會包含無數(shù)個元素。

也許事情更加奇怪，我們可能生活在另一個宇宙，那里的東西根本不是由微小粒子構(gòu)成的。石頭就是石頭，我們可以無休止地把一塊石頭切成更小塊的石頭，只要你能找到足夠鋒利的刀。

這兩種想法都可以解釋奧克和古可教授在他們著名的巖石爆炸試驗中收集到的數(shù)據(jù)。我們之所以提到了這些可能性，可不是因為我們認為宇宙就是這樣的。我們只是在提醒你，我們所感知的這部分宇宙有可能是這樣的，而宇宙中我們還未曾探索過的其他物質(zhì)也有可能是這樣的。

因此，在這本書里發(fā)現(xiàn)宇宙的未解之謎時，你應(yīng)該感到鼓舞和激動，而不是變得沮喪和消沉。這將告訴我們，還有多少未知等待著我們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。

在我們了解和喜愛的宇宙中，我們周圍的事物看起來好像是由微小的粒子組成的。經(jīng)過幾千年的思考和研究，人們有了靠譜的物質(zhì)理論。從奧克和古可的第一個試驗到現(xiàn)在，人們已經(jīng)突破了元素周期表的尺度，看到了原子的內(nèi)部情況。

據(jù)我們所知，物質(zhì)是由元素周期表中這些元素的原子組成的。每個原子都有一個核，核周圍是電子云。原子核包含質(zhì)子和中子，它們由上夸克和下夸克組成。因此，有了上夸克、下夸克和電子，我們就能制造元素周期表中的任何元素。這可太棒了！我們把無窮無盡的宇宙成分列表簡化為元素周期表，又進一步簡化為三個粒子。我們看見的、摸到的、聞到的，還有用腳趾碰到的一切都能用這三個最小的積木構(gòu)建起來。祝賀！這是千萬個聰明的大腦共同的成就。

但是，盡管人類為此感到自豪，但是從兩個非常重要的方面而言，這個結(jié)論還不完整。

第一，粒子還有其他類型，并不是只有電子和兩種夸克。盡管構(gòu)成普通物質(zhì)僅僅需要這三種粒子，但是在20世紀，粒子物理學家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了其他九種物質(zhì)粒子和五種傳遞力的粒子。這些粒子有的非常奇怪。比如，幽靈般的中微子可以穿過幾萬億千米長的鉛塊，而不和其他粒子相撞。對中微子來說，鉛塊就是透明的。其他的粒子與這三種構(gòu)成物質(zhì)的粒子非常相似，但是它們卻非常非常重。

為什么會有這些額外的粒子？它們是用來干什么的？誰把它們“邀請”來的？還有多少種其他類型的粒子呢？我們不知道，我們無從得知。在第4章，我們會詳細討論一部分奇怪的粒子和它們身上有趣的模式。

第二，雖然三種粒子就可以構(gòu)成恒星、行星、彗星和腌菜，但人們發(fā)現(xiàn)這些東西僅僅只占宇宙質(zhì)量的很小一部分。我們所知道的唯一的物質(zhì)，我們覺得很普通的物質(zhì)，其實極不尋常。在宇宙的一切東西（包括物質(zhì)和能量）當中，這種物質(zhì)大約只占總量的5%。

宇宙中其余的95%是由什么組成的？我們不知道。

我們可以用餅圖來概括一下，你翻到下一頁就能看到它。

那幅餅圖看起來相當神秘。我們僅僅了解宇宙中的5%，其中包括恒星、行星，還有這些星球上的一切。有27%的東西被我們稱為“暗物質(zhì)”。宇宙中剩余的68%是一些我們完全搞不懂的東西。物理學家稱之為“暗能量”，我們認為是它使宇宙膨脹，除此之外，我們對它一無所知。我們將會在后面講解暗物質(zhì)和暗能量的概念，以及我們是如何得到這些確切數(shù)字的。

還有更糟的：在那5%中，仍然有很多我們不清楚的東西。（還記得那些額外粒子嗎？）在某些情況下，我們甚至不知道該如何提問，才有助于揭開謎團。

這就是人類所處的位置。在幾段文字之前，僅僅因為我們簡單概括了已知的物質(zhì)，我們就覺得人類的智慧在探索中獲得了不可思議的成就。現(xiàn)在看起來，我們祝賀得太早了，因為大部分的宇宙是由其他東西構(gòu)成的。打個比方：幾千年來人們一直在研究一頭大象，卻突然發(fā)現(xiàn)大家一直在看的東西僅僅是它的尾巴！

知道了這個之后，你或許有點失望。也許你曾認為，人類對物質(zhì)世界的了解和掌控已經(jīng)達到了巔峰。（我們連掃地機器人都有了啊！）但你千萬不要把這當作一件令人失望的事。這應(yīng)該是一個難得的機會，一個可以讓你探索、學習和獲得見識的機會。如果人類僅僅開發(fā)了地球上5%的土地，你會怎樣想？如果你只嘗過世界上5%的冰激凌口味，你會怎樣想？你內(nèi)心的科學家像渴望冰激凌一樣渴望謎底，為潛在的新發(fā)現(xiàn)感到激動。

回想一下，你上小學的時候一定在歷史課上聽到過偉大探險家的冒險故事。他們向著未知的世界前進，然后發(fā)現(xiàn)了新大陸，最終描繪了世界地圖。如果你曾覺得這聽起來很令人興奮，那么現(xiàn)在你或許已經(jīng)感覺到了失落，因為所有的大陸都已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)了，所有的小島都已經(jīng)被命名了。在這個衛(wèi)星和GPS導(dǎo)航的時代，對新世界的探索似乎已經(jīng)離我們遠去。然而，好消息是事情其實并非如此。

我們還有很多很多要探索的東西。事實上，人類剛剛開啟一個全新的探索時代。在這個我們剛剛進入的時代，我們對宇宙的理解很可能會被重新定義。一方面，我們知道自己所知甚少（還記得5%嗎？），因此我們大概知道該提出什么樣的問題。另外，我們正在建造一些了不起的新工具，比如大功率的新粒子對撞機、引力波探測器，還有望遠鏡，它們會幫助我們找到答案。而現(xiàn)在，一切都在按照預(yù)想發(fā)展。

激動人心的是，科學的謎團有確切的答案，我們只是暫時不知道而已。有些問題的答案有可能在我們的有生之年變得明確。比如—在地球之外有沒有智能生物？這個問題應(yīng)該是有答案的。馬爾德（Mulder）是對的：真相就在那里。這類問題的答案會從根本上改變我們對這個世界的認識。

科學的歷史就是變革的歷史，人類一次又一次突破狹隘的視角，發(fā)現(xiàn)世界的真相。地球是平的，太陽系以地球為中心，宇宙以恒星和行星為主—這些觀點在很久以前都是合情合理的，但是現(xiàn)在我們覺得它們十分低級。可以肯定的是，在不遠的將來還會有更多變革，我們現(xiàn)在所接受的一些重要觀點，比如相對論和量子物理，可能被令人興奮的新想法所顛覆并取代。200年之后的人看我們，就像我們現(xiàn)在看原始人。

人類理解宇宙的旅程遠遠沒有結(jié)束，這也是你的旅程。我們保證這趟行程比餡餅還要棒。