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我们为何能够存在于宇宙？

日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构 所长

Coursera人气课程“从大爆炸到暗能量”讲授者

村山齐 科普力作

激荡人心的自然解谜之旅

迫近物质世界存在的真相

第1章　腼腆的中微子　　001

1.首尾相接的“宇宙之蛇”　　002

2.未知的“黑暗乐园”　　004

3.宇宙中充满了中微子　　007

4.探索原子的世界　　010

5.消失的能量　　012

6.泡利的预言　　013

7.核电站中的“幽灵”　　016

第2章　基本粒子的世界　　019

1.宇宙是由大量基本粒子构成的　　020

2.质子和中子是由夸克构成的　　022

3.基本粒子都是“三兄弟”　　024

4.基本粒子有“味”？　　026

5.力是粒子的交换　　028

6.强力的真相　　032

7.弱力的真相　　033

8.四种力的统一　　035

9. CP对称性破缺　　038

10. 小林-益川理论的登场　　040

11. 验证小林-益川理论　　043

第3章　奇异的中微子世界　　045

1.掌握关键的中微子　　046

2.中微子的质量　　049

3.中微子与时间　　058

4.利用中微子观测太阳　　061

5.太阳中微子问题　　064

6. KamLAND实验　　066

小专栏——神冈探测器与中微子　　070

第4章　极轻的中微子之谜　　073

1.中微子总是左旋的　　074

2. 超重量级的左旋反中微子　　076

3.传达“力的统一”的基本粒子　　079

4.左旋中微子极轻的原因　　081

答疑解惑　　084

第5章　中微子是淘气鬼？　　087

1.力的统一与中微子　　088

2.中微子的馈赠　　090

3.利用中微子研究物质与反物质的行为　　093

4.μ子中微子变成了电子中微子　　094

答疑解惑　　098

第6章　希格斯玻色子的真相　　101

1.希格斯玻色子是“上帝粒子”？　　102

2.利用小型汽车的碰撞打造重型坦克　　107

3. 1015次撞击产生10个希格斯玻色子　　111

4. 99.999 94%的准确率　　113

5.探寻光子和μ子　　115

6.预言新粒子存在的希格斯博士　　122

7. 对称性自发破缺　　124

8.希格斯玻色子冷却后建立了宇宙的秩序　　127

9.看不见“脸”的希格斯玻色子　　132

10.新时代的开启——探寻希格斯玻色子的容颜　　133

11.实现统一的时代　　137

答疑解惑　　141

第7章　我们为何存于宇宙　　145

1.宇宙正在膨胀　　146

2.大爆炸的证据　　148

3.暴胀理论　　152

4.由基本粒子的涨落引起的褶皱　　156

5.迫近宇宙的开端　　160

6. 被寄予厚望的“超弦理论”　　164

7.迫近比原子还要微小的宇宙开端　　167

8. “SuMIRe项目”与宇宙的过去和未来　　173

答疑解惑　　175

村山齐（Hitoshi Murayama）

1964年出生。

1986年东京大学毕业。

1991年修完东京大学博士课程，专业为基本粒子物理学。

曾任日本东北大学助教，自2000年开始担任加利福尼亚大学伯克利分校教授。

2002年，荣获西宫汤川纪念奖。

2007年，日本文部科学省创立世界级别的研究基地——东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构（IPMU），村山先生担任第一代所长职务。

主要研究课题为超对称性理论、中微子、初期宇宙、粒子加速器实验的现象论等。与世界顶尖科学家共同协作，推动宇宙研究的发展，同时为将研究成果回报给社会，积极投身市民讲座和科学教室等演讲活动。

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要想解释物质残存下来的理由，我们必须找出物质与反物质的行为差异。

在研究二者的区别时，中微子发挥了极其重要的作用。中微子共有三种，目前人类已知其中的一种中微子可以转变成其他种类的中微子，我们期待着能够利用这一点发现物质与反物质的行为差异。举例来说，我们可以分别测定μ子中微子转变成电子中微子的概率以及反μ子中微子转变成反电子中微子的概率，并由此观测二者的行为差异。如果能发现中微子与反中微子的行为差异，那么关于宇宙诞生后物质残存而反物质消失之迷，我们就极有可能获知其答案。

如果事实果真如此，那么希格斯玻色子就会成为人类在宇宙中得以生存的支柱。这是因为构成我们身体的是原子，而构成原子的基本粒子无法以光速飞行正是由于宇宙中充满了冻结的希格斯玻色子。

如果此刻宇宙瞬间升温到4×10^15摄氏度，冻结的希格斯玻色子重新回到杂乱无章、自由飞舞的状态，那么会发生怎样的状况呢？如果希格斯玻色子重获自由，基本粒子运动过程中的拦路虎就会消失，它们在丧失质量后会瞬间以光速飞向四面八方，我们的身体也因此会在十亿分之一秒内化为乌有。

幸亏真空中充满了希格斯玻色子，原子才能停留在某处构成我们的身体，因此可以说希格斯玻色子是非常重要的粒子。从这个角度来看，称其为“上帝粒子”也并不夸张。如果没有这种上帝粒子，我们的身体就不用说了，连地球和太阳也不会出现，宇宙中可能只会有基本粒子在永恒地自由飞舞吧。研究人员终于在2012年7月发现了希格斯玻色子，今后还需要深入研究该粒了是否真的具有这样的性质。

书籍介绍

我们为何能够存在于宇宙？

日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构 所长

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