導讀

序

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第一章　黑洞　空間與時間交雜的地方

反物質是什麼？

湮滅與成對生成──物質與能量互相變換

反物質用於醫療現場

動量守恆定律──光反向飛行

南極的BESS實驗──收集從宇宙飛來的反物質

如果將地球壓縮成半徑8.9mm，就會變成黑洞

愛因斯坦的方程式在擴散

數學產生的黑洞

奇點迴轉就變成連結

星星的死亡即重力崩塌

所有物質都變成10萬分之一的大小

體重決定死狀

超新星爆炸！

角動量守恆定律──花式溜冰與中子星

觀察黑洞的方法

從宇宙傳來的光波長

用X光看的話

超兵器「任意門」

三種黑洞

小型黑洞可以當垃圾場用？

史蒂芬•霍金的黑洞蒸發理論

夏威夷的黑洞審判

愛因斯坦與英語力

建立相對論時要準備的兩根柱子

超光速微中子的凶手是義大利人？

麥可森•摩里的實驗

狹義相對論預測到的事 1 速度增加時質量也增加

狹義相對論預測到的事 2 速度增加時時間會變慢

光速是固定的，既然如此，就把時間流變成彈性化

另一根柱子　相對性原理

廣義相對論──為了納入引力，而引進「等效原理」

廣義相對論預測到的事 1 重力造成空間扭曲

重力鏡的效果──重力扭曲光線

廣義相對論預測到的事 2 重力造成時間扭曲

速度與重力的等效原理──龜的速度與龍宮的重力

白洞與蟲洞

「任意門」無法形成的三個理由

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第二章　大霹靂──人為什麼無法想像宇宙

掉下的蘋果與不會掉下的月亮

星星為什麼散布在宇宙

宇宙定數

球丟出後到落下來之間的數億年瞬間

如果所有的星星都在遠離……

曾經迷你的宇宙

宇宙的復合

散布到全宇宙的最老的光

1964年捕獲到來自全方向的均一電波

1989年的COBE

光是什麼

為了看光的眼睛

人類無法想像3維的封閉空間

宇宙雖然有限但沒有盡頭

比光速更快遠離的星

不是星星在動，是空間在延伸

全宇宙的星星分布圖

2001年的WMAP──以高解析度攝影了解的宇宙構造

大霹靂理論無法說明 1 地平線問題

大霹靂理論無法說明 2 磁單極子問題

磁單極子真的找到了嗎？

大霹靂前發生的膨脹

膨脹理論這麼說明

宇宙的 3 個未來

投出的球中途開始加速？

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第三章　暗物質──如何捕捉明明在那裡卻捕捉不到的東西

星星一定在動

公轉速度離太陽越近越快，越遠越慢

銀河的旋轉速度很奇怪

球形的笨蛋

為星星取了你的名字獻給你

失去的質量

暗物質之外的解釋 1 電漿宇宙論

暗物質以外的解釋 2 牛頓力學的修正

包立的教誨──別懷疑基本法則

用哈伯太空望遠鏡，觀測宇宙質量分布

宇宙有多少暗物質

暗物質分布如消費稅

暗物質的候選人1 Macho

暗物貿的候選人 2 基本粒子

熱基本粒子的候選者──微中子

冷基本粒子的候選者──wimp和軸子

使用液體氙的XMASS實驗

地球以秒速200公里移動著

WIMP撞擊氙原子核的話……

水遮蔽了雜音

夏和冬的撞擊方法應該不同

撿拾很多東西的氙實驗

氙的探索實驗「CARRACK」

複雜而縝密的實驗裝置

如果沒有暗物質，星星無法生存

計算演變到現今宇宙的暗物質數量時……

真正黑暗的暗能量

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第四章　然後，宇宙就創造出來了──靠想像力與技術力追求到的世界

溫度是什麼

修學旅行的滑雪與學生的能量

相變──物質的面貌會改變

加熱的話就可看到過去

10¹³秒後──電子抓住原子核

10⁰秒後開始到10²秒後──元素合成

說明宇宙元素結構比的α β γ理論

10⁰秒後──成對產生被打斷，形成只有光的宇宙？

10億的光與剩下來的1個物質

自然定律應該是左右對稱

10^－8秒後到10^－4秒後──夸克固定變成陽子

10^－11秒後──第三次相變產生了「電磁力」與「弱力」

自然界的四種力量──人類只對「重力」和「電磁力」有感覺

「電磁力」與「弱力」以前是為一體

質量是什麼

希格斯粒子產生格差

使用LHC，就能加溫

使徒的準確率，六九

科學論文與ABE先生

從10^－36秒後到10^－11秒後──第二次相變與能量的沙漠

膨脹與相變的潛熱場？

魔法少女的「希望」相變為「絕望」時

10^－44秒後，藉由第一次相變，導致重力的誕生

愛因斯坦的嘗試失敗，物理學最困難的部分

人與科學之間的偉大歷史

實驗技術改變理論

何時代換都可以

導讀



前台北市立天文科學教育館研究組長　徐毅宏



　　剛收到這本書的邀請email時，習慣性上網搜尋了作者的訊息，第一眼看見的就是一位染著淡金色頭髮的男性；繼續搜尋下去，他專精的科學領域是高能物理中的基本粒子研究，而不是天文學或是宇宙學。也因此，不由得好奇地思考這位科學家，會用怎樣的方式將「宇宙」介紹給大家。



　　仔細閱讀，《跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞》原本是由演講內容整理成書，因此「看」的方式也建議不必依照天文教科書的編排，依序閱讀；而是「跳」著看，先看完主要章節，再看後面的專題部分，會更有條理；也可以把專題部分抽離出來看，當作是專精知識的補充。



　　翻開這本書，從目錄就能夠感覺到不一樣介紹宇宙的方式。第一章的主題從普羅大眾最感興趣的「黑洞」開始，建議先跳過反物質的部分，隨著多田將博士從逃脫速度開始認識黑洞，再從歷史的關連引出相對論，瞭解從愛因斯坦架構的理論中，宇宙裡時間與空間的相互關係，與「重力」擔任的角色。



　　第二章的主題是目前最廣為接受的「大爆炸」，一個名字看起來有趣，但卻讓許多科學家絞盡腦汁的宇宙誕生理論。作者延續上個章節「重力」的話題，從蘋果與月球的掉落問題，隨著各式的科學思辯與證據，推論到連愛因斯坦都無法相信，宇宙正在膨脹的事實。現在大家熟知的事實「宇宙正在膨脹」，有著許多衍生的迷思：「地球是不是宇宙中心？」、「宇宙是不是有盡頭？」、「宇宙是不是有起始點？」、「宇宙的未來會怎樣？」，這些問題在這個章節裡將會被一一揭露解釋。但在末尾──最新的觀測證據顯示宇宙曾經減速，但目前卻呈現加速膨脹的敘述，卻讓宇宙又陷入令科學家迷惘的狀態。



　　第三章的主題是「暗物質」，一種目前無法確認，但卻強烈影想宇宙演化與狀態的存在。從觀測星系時，天體不正常運動狀態下的發現，到科學家想用不同理論解釋它，再到不同候選物質的驗證實驗，多田博士發揮了基本粒子的領域專精，娓娓道來。雖然最後出現另一個驚奇的存在—暗能量，卻能夠看到科學家追求解答的豐富想像力與契而不捨的耐心。



　　在前面三個章節的先備知識鋪陳之下，第四章將以倒敘的方式，慢慢描述「宇宙初生」的歷史，一直回溯到宇宙剛誕生的前10-44秒時所發生的事。在閱讀這個章節之前，不妨先回到第一章的前半，先認識一下反物質再繼續，會有更完整的概念。回溯宇宙初期的狀況，其實也是回溯自然界四種基本力演化的歷程，也是科學界一個重要的研究方向，能完整描述四種基本力的大一統理論。



　　要如何呈現廣闊無垠的宇宙圖像？星際大戰系列電影為了要架構一個與我們所處世界完全獨立的時間與空間，片頭都是由「A long time ago in a galaxy far, far away……」開始引言，然後刻畫一個個吸引人的故事，這是科幻電影作者所採用的表達方式。



　　對於本書作者而言，想要傳達的是，人們對從沒到過的宇宙樣貌有什麼想法，而為了驗證這個想法，進行了什麼樣的觀測和研究，重複這樣交互的運用理論（想法）和實驗（觀測），從千頭萬緒中如何拼湊出圖像的過程本身的魅力。每本書籍都有其不同的編排，但是卻很少有書介紹科學家為何想瞭解宇宙，為了瞭解又做了什麼樣的研究、研究出理論卻又一再被改寫。在科學領域裡，「結果」固然重要，但是更有價值的是如何獲得這些結果的「過程」。如何從「過程」中得到「科學」的思考方法和執行方法才是這本書想要闡明的重點，除了知識之外，讀完的您是否已經有所體會了呢？



序



我不是宇宙專家。



　　我的專業是基本粒子物理學，目前在進行基本粒子裡的微中子研究。這本書是一本非專家所寫的「宇宙書」。



　　以前出版的宇宙相關書籍，大抵上都是由宇宙論（理論學者）教授執筆，很少由像我這種基本粒子物理學的人──而且不是「理論」而是從事「實驗」的人來撰寫。



　　那麼，為什麼這樣的人要寫宇宙書呢？



　　此外，一提到「宇宙」，坊間多會提到它訴諸於心靈或感情的魅力，像是「美麗」「浪漫」「讓人一時忘了為小事煩惱」來形容它。



　　但是，我對宇宙感覺不到任何浪漫主義，這種人真的可以寫「宇宙的書」嗎？



　　老實說，我在這本書裡想傳達的並不是宇宙本身的魅力，而是人類如何思考宇宙。



　　宇宙是什麼樣子？它是怎麼開始的？又是如何進化到現在這個模樣？我們現在在什麼時間軸上？說起來，為什麼現在會長成這個樣子呢……



　　面對這根本性的問題，人類利用科學來求出解答。但是具體上是怎麼一回事呢？



　　很多書都已仔細解釋了結果的部分──「我們對宇宙的了解已經有這麼多！」但是，卻很少有書介紹為了得到這個結果，人類到底做了什麼樣的研究。



　　關於宇宙的樣貌，人類有什麼想法，而為了證實這個想法，進行了什麼樣的觀測和研究，根據研究的結果又有了什麼樣的想法，為了證實新的想法，又進行了什麼樣的觀測和研究……先人們像這樣交互的運用理論（想法）和實驗（觀測），不遺餘力的將他們自己都沒去過的浩瀚宇宙，做了這種程度的闡明。



　　我想藉這本書傳達的，其實就是這個過程本身的魅力。



　　「竟然有那樣的想法！？」「那樣的觀測可行嗎！？」等，這本書的目的是希望讓讀者為先人們成就的偉大功績，真誠的感到驚奇、感動。



　　既不是宇宙的專家，也不覺得宇宙浪漫的我，之所以要寫「宇宙書」的原因──只是因為我自己能用外行人的眼光，看到宇宙相關理論與實驗的了不起。

　　

　　除了了解「結果（資訊與知識）」，如果還能說明該結果「是經由什麼樣的思考引導出來的」，讓大家實際體會到「科學的思考方法」那就太好了。



　　因為這個緣故，這本書嚴格來說，並不是「宇宙的書」，可以說是一本「描寫人類如何想了解宇宙，和如何做科學思考方法的書」。



　　科學的特徵在於「改寫」。



　　舉例來說，文學作品在完成面世之後，不可以改寫。



　　但是，我們生存的這個世界，即使現在也還在進行中。所以我們並不是在所有故事結束之後，才在觀看歷史。即使是現在這一刻，人們也在創造科學的歷史。



　　在科學領域裡，一再改寫以往被視為正確的理論，是極其自然的事。（相信讀過本書之後，各位應會明白，它經常被改寫。）



　　所以，在這個科學世界裡，真正有價值的並不是成為知識或資訊的「結果」，而是如何獲得這些結果的「過程」。



　　結果被改寫完就結束了。但是過程並不是如此。從過程中得到的「思考方法」和「執行方法」不會白費，根據這些方法再次思考，就能發展出嶄新的「思考方法」和「執行方法」。



　　在科學裡，過程比結果更有魅力、更寶貴。



　　此外，這樣的過程不限於宇宙，是不是也能運用在思考各種事物上呢？光是從一個單純接收知識的被動狀態，開始思考「我來做的話……」在你眼中，世上各種事物應該會變得更加鮮明活潑、栩栩如生才對。



　　當然，各位今後在思索宇宙問題時，也能夠更深入的思考。



　　各位請不要忘記，歷史不是其他人，而是由你們每個人編織出來的，大家都是當事者。說不定下一個解開宇宙之謎的人，就是你。



　　當你抱著這個想法遙望宇宙，也許會湧出更多於「真美啊」的情感。



　　若是這本書有助於此，你不覺得那才是件羅漫蒂克的事嗎？



　　這本書由四個章節組成，各章之間還有個小專題。專題會抽離主文，做更詳盡的解說，所以你也可以讀完全部的主文再看。



　　接下來，我們就趕緊開始吧。