村山齐著的《千亿个宇宙：多世界的黑暗秘密》从当前可观测宇宙出发，通过追溯极早期宇宙，讲解了宇宙的诞生与可能的结局，并结合天文观测与物理学研究中的“暗物质”与“暗能量”问题，带领读者探索了宇宙中不可见的“额外维度”，以及奇妙的多重时空区域。本书语言通俗、线索清晰、节奏轻快、层层深入，不仅描绘出了宇宙的整体图景，还探讨了当前宇宙研究中待解决的关键问题，是宇宙学入门的科普佳作。

第1章 已知的宇宙
1.太阳系——宇宙的小角落
2.探索太阳系
3.出人意料的公转速度
4.恒星的构成
5.中微子的馈赠
6.艰辛的中微子观测
7.恒星的内部结构
8.深入探索银河系
9.银河系中心的黑洞
10.奇异的星系旋转
11.看不见的物质
12.星系中充满暗物质？！
13.如何获知星系在旋转
14.相当于几乎什么也没看到
答疑解惑
第2章 宇宙满是暗物质
1.星系团中也充满了暗物质
2.引力透镜效应
3.斯巴鲁望远镜
4.星系团的碰撞
答疑解惑
第3章 宇宙的大尺度结构
1.宇宙中的“浓淡疏密”
2.“大爆炸”的余烬
3.膨胀中的宇宙
4.宇宙的结构清单
5.暗物质与宇宙的诞生
答疑解惑
小专栏
1.构成万物的基本粒子
2.力也是源自基本粒子
3.未知的基本粒子与宇宙之谜
第4章 暗物质的黑暗秘密
1.暗物质的候选者
2.胆小的第 一候选者
3.WIMP的真相
4.其他维度的访客？！
5.探寻暗物质的声音
6.探索暗物质的热潮
7.再现宇宙大爆炸
8.宇宙的基因计划
答疑解惑
小专栏
1.宇宙的年龄
2.观察宇宙的开端
第5章 宇宙的命运
1.宇宙的命运
2.暗能量
3.从超新星获知宇宙膨胀速度
4.持续增加的能量
5.宇宙将会撕裂？
6.暗能量的产生速度
7.超弦理论与宇宙终结
答疑解惑
第6章 多重宇宙
1.宇宙不是唯一的
2.从弯曲到平坦
3.五维时空
4.不可见的维度
5.身边的多维度
6.应用于力的统一
7.微弱的引力
8.引力不会互相抵消
9.引力为什么微弱
10.存在渗透到其他维度的引力吗
第7章 多重维度
1.渗透到多重维度的引力
2.黑洞——存在多重维度的证据
3.ILC的实验
4.弯曲的宇宙
5.额外维度空间是不确定的
6.不确定的存在
7.额外维度中的暗物质
答疑解惑
第8章 宇宙是唯一的吗
1.三维的三明治
2.宇宙的分支
3.宇宙加速膨胀的能量
4.理论物理学最糟糕的预言
5.超弦理论与黑洞
6.六维空间是叠在一起的
7.何方可化身千亿，一宇宙前一揭秘
答疑解惑
后记

听到“宇宙”一词，你会想到什么呢？大部分
人可能首先想到的是璀璨的繁星和绚丽的星系吧。
因为在我们的观念中，这些繁星和星系就是宇宙。
但是，这种观点在2003年被彻底颠覆了。
这次对宇宙认知的革新，源于一份从宇宙观测
结果得出的宇宙整体能量清单。清单显示，构成恒
星和星系的所有元素的能量仅占宇宙整体能量的4.4
％左右。肉眼可见的恒星和星系，在浩瀚宇宙中仿
若沧海一粟。除此之外的绝大部分宇宙，我们都无
法用眼睛看到。
万物由原子构成，这是我们在学校学到的常识
。然而，原子的占比甚至不足宇宙整体能量的5％。
那么剩余约96％的能量是什么呢？其实，其中的23
％左右为暗物质，73％左右为暗能量。在误差允许
的范围内，将上述几部分全部相加刚好为100％。虽
然暗物质和暗能量都拥有各自的名称，但它们的“
真身”仍是未解之谜。
也就是说，我们其实对宇宙整体知之甚少。然
而直到2003年以后，我们才认清这一残酷现实。原
本熟悉的宇宙，似乎在转瞬之间变得陌生。这种观
念冲击，相当于在人们深信地球是宇宙中心的“地
心说”时代，哥白尼提出了“日心说”。以往，我
们一直认为原子构成的宇宙就是宇宙的全部。直到
后来，我们才意识到这种观点是错误的。
如今，前沿宇宙研究距离捕获暗物质只有一步
之遥。倘若没有暗物质，地球、太阳、恒星以及星
系都不会诞生。甚至可以说，我们人类的诞生也是
因为暗物质的存在。但是，至于暗物质究竟是什么
，目前仍无从知晓。不过幸运的是，已经正式启动
的大型强子对撞机（LHC）和在日本神冈矿山地下1
千米进行的暗物质液氙探测器（XMASS）等实验项目
，非常值得我们期待。在今后的10年间，逐步揭开
暗物质的神秘面纱，不再是痴人说梦。现在有一个
热门话题，说暗物质可能是来自其他维度空间的“
使者”。这可不是科幻小说，而是已开始正式研究
的物理学理论一多维宇宙。
另一方面，暗能量则有些“反常”，它在试图
将好不容易形成的宇宙大尺度结构撕裂为碎片。暗
能量的真相更加“黑暗”，不过日本的图像和红移
的斯巴鲁测量（SuMIRe）项目等或许将逐步探索出
它的秘密吧。目前暗能量的最有力候选者为“真空
能量”。真空为何会拥有能量呢？这是支配微观世
界的量子力学提出的预言。但是计算结果表明，真
空能量的数值是期望值的10120倍。如果真空能量的
数值这么巨大，那么宇宙诞生后马上就会被撕裂成
碎片，根本没有孕育恒星和星系的时间。于是就此
产生了“多元宇宙”的观点，该理论认为存在很多
个宇宙，甚至可能多达10500个。在众多宇宙之中，
真空能量恰好十分微小的宇宙寥寥无几，而我们的
宇宙便是其中之一。
本书的中心内容是，讲解宇宙诞生的关键信息
——暗物质和暗能量，并介绍宇宙的整体结构。结
合该领域的热门话题，让我们一起来重新思考宇宙
是什么，以及关于宇宙，我们了解了什么，又不了
解什么。

日本宇宙学入门名作，日文版销量突破12万册！
日本东京大学Kavli数学物理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！
宇宙暗物质暗能量组首席研究员陈学雷作序推荐！
从“已知宇宙”到“多重世界”，从“四维时空”到“多维宇宙”，追踪“暗物质”“暗能量”，发现宇宙惊人的黑暗秘密。
村山齐著的《千亿个宇宙：多世界的黑暗秘密》从地球出发，和诸位读者逐一拜访了国际空间站、月球、太阳、小行星25143、太阳系附近的恒星和银河系，并邂逅了暗物质之谜。

本书从地球出发，和诸位读者逐一拜访了国际
空间站、月球、太阳、小行星25143、太阳系附近的
恒星和银河系，并邂逅了暗物质之谜。通过观测更
为遥远的星系，我们逐渐看到了宇宙过去的容貌，
甚至回到了大爆炸的瞬间。如今我们利用望远镜能
够观测到的恒星、星系以及宇宙的大尺度结构都源
自宇宙起初的微小涨落。
一方面，我们发现宇宙的膨胀最近（大约70亿
年前）开始加速，这样一来，暗能量就进入了我们
的研究视线。研究结果表明，宇宙的未来掌握在暗
能量的手里。但是，我们并不了解支配宇宙历史和
命运的暗物质以及暗能量的真相。这一课题或许堪
称现代科学最大的谜题。
为了解开这一谜题，多重宇宙的理论就此登场
。暗物质来自于多重维度的假说成为我们热议的焦
点。我们的可观测宇宙是三维空间，但其实可能还
存在微小且不可见的六个额外维度。由于暗物质在
额外维度运动，所以它具有能量。虽然在我们看来
暗物质是静止的，但其实它具有能量，也就是质量
。因为根据公式E=mc2，能量可以转换成质量。
另一方面，虽然暗能量现在显得尤为重要，但
是纵观宇宙的历史，基本可以无视它的存在。如果
暗能量是微观世界的真空能量，那么它的数量就太
少了，与期望值之间存在120位数的差距。于是，多
元宇宙的理论应运而生。在反复试验中产生的10500
个宇宙，大部分因为暗能量过大而被撕裂，未能形
成恒星和星系。“碰巧”只有暗能量非常小的宇宙
产生了恒星和星系，并诞生了智慧生命，从而观测
到了这个特殊的宇宙。
这种像科幻小说的观点，究竟是科学家面对巨
大谜题时迫不得已的自圆其说，还是打开暗黑世界
通向全新宇宙图景的窗口呢？我们只能通过今后的
实验和观测来回答这个问题。
该领域研究人员的心情与仰望星空的孩子一样
，都是激动不已。学校并不会教授大家这些宇宙的
未解之谜，如果有人能够在阅读本书后，下决心将
来投身研究去解答这些谜题，我将会感到非常欣慰
。
致力于巨大谜题的研究工作，毅力必不可少。
不过，正如喜欢音乐的人会花费大量时间训练一样
，研究人员也会非常兴奋地为之努力工作。另外，
演奏家得到大量音乐迷的支持后会更加努力。我相
信科学家将来也会得到很多人的支持。
无论你选择成为“演奏家”还是“音乐迷”，
我都希望本书唤起更多人对自然领域的关注。
最后，我要感谢本书的编辑小泽久先生，如果
没有他的辛勤付出，本书就不会问世。根据四个独
立的讲义录音带整理出本书内容的荒船良孝也同样
功不可没。我还要感谢为IPMU主办的演讲会安排广
告的宫副英惠，推动演讲活动的朝日文化中心新宿
教室的神官司英子，从日程安排到回复邮件面面俱
到的秘书梗本裕子，在我较为陌生的领域不吝赐教
的IPMU的同事们，支持我这位不才的所长开展工作
的所有工作人员，以及在美国的犹如生活在单亲家
庭的我的家人。
村山齐

本书是村山教授的一部科普著作，全面介绍了
当前宇宙学的基本概念、重要问题，同时也用非常
通俗易懂的语言介绍了许多新奇的理论和实验，还
专门设置了问答，替一般读者问出阅读时可能存有
的疑问，并由村山教授一一回答。对于想要弄懂这
些概念的一般读者，这是一本不绕弯子、直奔主题
的简洁明快之作。能向中国读者推荐这部著作，我
感到十分荣幸。
——中国科学院国家天文台宇宙暗物质暗能量
组首席研究员 陈学雷

1.太阳系——宇宙的小角落
夜晚的天空中，可以看到月亮和星星。我们对宇宙的印象，或许就是这美丽的星空吧。仰望星空，我想任何人都曾在心中萌生过若干疑问。例如，宇宙是何时形成的？我们为何存在于宇宙中？这些问题可能听起来像是哲学问题。但是，现在科学已经可以解答这些疑问了。
我们生活在地球上，地球则围绕太阳运动。不过，仅在几百年前，人们还不了解这一事实，而是坚信地球是宇宙的中心。虽然哥白尼和伽利略提出了“地球围绕太阳运动”的日心说，但是几乎没有人相信。
进入17世纪，日心说才开始逐渐被人们接受。牛顿概括了力学体系，解释了太阳系天体运动的法则。自此之后，我们便理解了地球围绕太阳运动的现象。
以太阳为中心的天体系统也被命名为太阳系。在此后的一段时期内，太阳一直被视为宇宙的中心。1940年前后，研究终于发现，我们人类感觉非常辽阔的太阳系，对于宇宙整体而言仅是弹丸之地。这一时期，研究者也掌握了测量夜空中星星之间距离的方法。
例如，德国天文学家贝塞尔（图1-1）成功测算出天鹅座61与地球间的距离为11.2光年。1光年是指光在1年的时间里传播的距离，约为9.46×10 12千米。而当时太阳系中距离太阳最远的行星冥王星，被测算出与地球相距约5.9×10 9千米。结合这些结果，很明显可以得出结论：天鹅座61位于太阳系之外。另外，随着相关研究的发展，我们也明白了太阳只是众多恒星中的一员，大量的恒星汇集会构成星系。我们所在的星系叫作银河系。
由于地球恰好诞生于太阳附近，人类又在太阳的恩惠之下生存发展，所以总是觉得太阳很特别。但从物理学的角度来看，太阳并非特殊天体，只不过是一颗普通恒星，而且位置还处于远离银河系中心的边缘区域。至此，将太阳视为宇宙中心的观点彻底崩塌，人们对太阳的认识也被改写——太阳并非宇宙中心，而是位于银河系边缘的一颗恒星。
那么，银河系的中心是宇宙的中心吗？当然不是。其实，银河系之外还存在很多天体以及其他星系。另外，众多星系还会聚集成一个个的集团，这种庞大的天体系统叫作星系团。星系团的聚集方式非常不可思议，既有星系分布非常密集的地方，也有毫无星系的空白地带。它的结构就像是黏在一起的肥皂气泡与泡沫。这就是所谓的宇宙大尺度结构。为什么会形成这样的结构呢？这着实令人感到不可思议。
为了解开这一谜题，目前我们正在世界各地观测遥远的宇宙。观测距离越远，就能看到越古老的宇宙。观测的目标不仅包括恒星和星系，我们还期待能一睹宇宙大爆炸的风采。虽然目前还无法确认大爆炸的情况，但我们已经成功观测到宇宙中残留的大爆炸余烬。这一观测结果表明，恒星和星系等由原子构成的物质，在宇宙整体中的占比不足5％。其余的部分，我们仅知道23％左右为暗物质，73％左右为暗能量（图1-2）。目前，世界各国都在开展暗物质的相关研究，有望在10年之内揭开这个“黑暗幽灵”的神秘面纱。
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