中微子研究可谓是日本的“家传绝技”，也是解
答“世界为何存在，而没有化为虚无”这一谜题的关
键。在这本书中，处处都能感受到村山齐先生对中微
子的爱。
——大栗博司(加州理工学院理论物理研究所所长
)
对于“我们为何存在于宇宙”这个哲学问题，基
本粒子物理学家已经可以做出回答。村山齐先生是研
究宇宙起源与基本粒子的专家，他用简单易懂的语言
为大家讲解了这一不可思议的谜题。读完这本书，你
一定会为宇宙与基本粒子的美而感动！
——竹内薰(日本科普作家)

当我们远离城市、仰望夜空时，不仅可以看到熟悉的
北斗七星、仙后座和猎户座，还能看见银河系中的众多恒
星。我想大家此时或许都曾沉思过一些根源性的问题，比
如我们究竟为何能够存在于如此浩瀚的宇宙之中，以及我
们到底是如何在宇宙中诞生的。我既不是哲学家也不是生
物学家，不过我和像我一样的物理学家却十分清楚一点，
那就是如果没有“材料”，人类就不会诞生，并且这个“
材料”的问题是与宇宙本身息息相关的。
首先我们要知道，物质世界和人类的存在到底需要怎
样的“材料”呢？我们的身体由细胞组成，细胞又是由几
十种原子通过极其复杂的结合方式构成的。此外，我们身
体的三分之二大约是水。我们通过研究发现，构成人类身
体的元素由多到少依次为氧、碳、氢、氮、钙、磷、硫、
钾、钠。红细胞中的铁也非常重要，如果其含量不足就会
导致贫血。其次，我们关心的是这些化学元素从何而来。
令人惊讶的是，这些化学元素几乎全部都是几十亿年
前恒星爆炸产生的星尘。在宇宙形成初期，元素的种类很
少，只有氢、氦，以及极其微量的锂。这三种元素也是位
列元素周期表前三位的元素。对人类而言十分重要的氧、
碳和铁等元素则是在恒星发生核聚变反应的过程中黏合氢
或氦产生的，但是它们在恒星中无法用作构成人体的材料
。我们知道，恒星会在生命的终点发生“超新星爆发”，
这种爆发会把元素散布到宇宙空间中，这些元素再次聚集
之后才能形成太阳、地球以及我们的身体。因此，人类的
存在与宇宙的开端有着直接的联系。
但是，问题未就此了结。在宇宙形成初期，构成恒星
的材料一氢和氦——又是从哪里来的呢？其实，在宇宙发
生大爆炸后的最初一秒内氢和氦还都不存在。当时的温度
在100亿摄氏度以上，如此炙热的环境让构成原子的质子和
中子也分解成了夸克。此时的宇宙是一锅充满电子、夸克
、中微子、光子、胶子这些基本粒子的热汤。
在这里我们又遇到了一个难题。当我们在实验室中利
用基本粒子加速器再现大爆炸时，会发现在能量生成物质
时也必然成对生成反物质，这就意味着宇宙发生大爆炸时
也一定同时产生了物质与反物质。这里所说的反物质并不
只在科幻小说中出现，大家也有可能接触过它。医院有一
种检查身体内部功能的“正电子发射计算机断层扫
描”(positron emission computed tomography，简称
PET)，这里的P(positron)就是指电子的反物质——正电
子。反物质一旦与物质相遇就会成对湮灭并转化成能量，
我们正可以通过捕获这些以光子形式发散的能量来检查身
体的内部情况。也就是说，能量可以成对生成物质与反物
质，物质与反物质相遇后又成对湮灭转变成能量。
这样说来，高能的大爆炸也应该产生了等量的物质与
反物质，如果此后物质与反物质全部发生湮灭并且转变成
了能量，宇宙应该变得空空如也才对。那么，我们又为什
么能存在于宇宙之中呢？
物质要想残存下来，其数量就不得不比反物质多，也
就是说，需要稍微打破大爆炸产生的物质与反物质之间的
数量平衡。计算结果显示，物质大约比反物质多十亿分之
二。我们普遍认为，正是中微子这种基本粒子在此发挥了
重要的作用。
因此，中微子这种幽灵般的基本粒子俨然成为了本书
的主角。当然，重要的角色还有难以捉摸的中性微子、制
造出物质世界的暴胀以及比原子还要微小的初生宇宙。我
们的存在，正是那个微小的宇宙和其中微小的基本粒子的
馈赠。
我希望能通过本书来回顾令人感动的物质世界的诞生
史。当大家再次仰望夜空时，也不妨回想一下那微小的初
生宇宙，以及存在于其中的基本粒子。
最后，请允许我向两位相关的工作人员表示感谢，他
们分别是耐心等待我交稿的小泽久编辑，以及为本书做出
精妙总结的撰稿人荒舩公良孝先生。此外，我将把这本书
的全部版税捐赠给IPMU。
村山齐

第1章 腼腆的中微子
1．首尾相接的“宇宙之蛇”
2．未知的“黑暗乐园”
3．宇宙中充满了中微子
4．探索原子的世界
5．消失的能量
6．泡利的预言
7．核电站中的“幽灵”
第2章 基本粒子的世界
1．宇宙是由大量基本粒子构成的
2．质子和中子是由夸克构成的
3．基本粒子都是“三兄弟”
4．基本粒子有“味”？
5．力是粒子的交换
6．强力的真相
7．弱力的真相
8．四种力的统一
9．CP对称性破缺
10．小林-益川理论的登场
11．验证小林-益川理论
第3章 奇异的中微子世界
1．掌握关键的中微子
2．中微子的质量
3．中微子与时间
4．利用中微子观测太阳
5．太阳中微子问题
6．KamLAND实验
小专栏——神冈探测器与中微子
第4章 极轻的中微子之谜
1．中微子总是左旋的
2．超重量级的左旋反中微子
3．传达“力的统一”的基本粒子
4．左旋中微子极轻的原因
答疑解惑
第5章 中微子是淘气鬼？
1．力的统一与中微子
2．中微子的馈赠
3．利用中微子研究物质与反物质的行为
4．μ子中微子变成了电子中微子
答疑解惑
第6章 希格斯玻色子的真相
1．希格斯玻色子是“上帝粒子”？
2．利用小型汽车的碰撞打造重型坦克
3．1015次撞击产生10个希格斯玻色子
4．99．999 94%的准确率
5．探寻光子和μ子
6．预言新粒子存在的希格斯博士
7．对称性自发破缺
8．希格斯玻色子冷却后建立了宇宙的秩序
9．看不见“脸”的希格斯玻色子
10．新时代的开启——探寻希格斯玻色子的容颜
11．实现统一的时代
答疑解惑
第7章 我们为何存于宇宙
1．宇宙正在膨胀
2．大爆炸的证据
3．暴胀理论
4．由基本粒子的涨落引起的褶皱
5．迫近宇宙的开端
6．被寄予厚望的“超弦理论”
7．迫近比原子还要微小的宇宙开端
8．“SuMIRe项目”与宇宙的过去和未来
答疑解惑
后记

1．首尾相接的“宇宙之蛇”
对于“我们为何存在于宇宙”这一问题，如果我告诉大家“这一切可能与中微子有关”，大部分人可能会一头雾水，甚至有人会很惊讶，觉得我在胡说八道。
在进入正题之前，让我们先来思考一下宇宙的大小。我们在日常生活中使用的物品，例如笔记本、钢笔等文具，长度大概只有十几厘米，而我们的身高最多也只有几米。随着尺寸的不断扩大，车站、百货商店等建筑可高达数十米，东京塔、东京晴空塔等建筑则可高达数百米。像富士山和珠穆朗玛峰这样的高山海拔可高达数千米。此外，地球的直径约为1．3万千米，地球与太阳之间的距离约为1．5亿千米，太阳与海王星之间的距离约为45亿千米。像这样，表示大小的数字在不断增大。
当然，宇宙更加辽阔。太阳系的外侧是浩瀚的银河系，银河系的外侧则遍布着以仙女座星系为代表的诸多星系，它们共同聚集构成了星系团。如果照此扩大观察的尺度，可以说宇宙是无边无际的。由于大爆炸产生的光能传播的最远距离大约为10 27米，因此我们尚不了解超出这个距离之外的情况。不过，我们已经把宇宙的可知范围扩大到了比笔记本和钢笔的尺度大29个数量级的程度。可以说这种尺度的宇宙是非常巨大的。
不过，随着对宇宙研究的不断深入，我们发现除了大的物体以外，微小的物质同样至关重要。如果把笔记本和钢笔的尺寸再继续缩小，就会进入原子、原子核、基本粒子的微观世界。虽然现在的宇宙大到让我们无法想象，但如果时光能够倒流，宇宙就会不可思议地不断缩小。另外，我们发现宇宙在刚诞生的时候，是非常微小且炽热的。因此，要想查明宇宙如何诞生、如何演变为现在的模样，我们还必须了解微小的世界。
为了真正理解无比巨大的宇宙，竟然得去研究微小的基本粒子世界，这真是太有趣了。我不禁想起了希腊神话中的衔尾蛇。这条蛇在吞食自己的尾巴时，躯体会呈现为圆环状，它仿佛象征着和谐的宇宙。如果将蛇头比作整个宇宙，蛇尾比作基本粒子，那么宏大的宇宙和基本粒子的微观世界就可以像衔尾蛇吞食着自己的尾巴那样衔接在一起(图1-1)。宇宙与基本粒子之间仍然存在很多未解之谜，世界上许多研究者都对此产生了浓厚的兴趣。
2．未知的“黑暗乐园”
宇宙究竟由什么构成，其实我们尚未完全了解。2003年，由美国国家航空航天局(NASA)发射的观测卫星“威尔金森微波各向异性探测器”(WMAP)成功测得了宇宙的能量明细。听起来我们似乎已经搞清楚了宇宙的成分，然而事实并非如此。只要提起宇宙，我们就会想到璀璨的繁星和绚烂的星系，然而它们的总量仅占整个宇宙的0．5％左右。此外，在本书后文中即将为大家介绍的中微子，在宇宙中所占的比例为0．1％～1．5％，也属于宇宙中的少数派，甚至连由构成我们身体的原子所构成的所有物质也仅占整个宇宙的4．4％左右。即使将以上所有物质都加在一起，其占比也仅为宇宙整体的5％左右，远远达不到100％。
世间万物都由原子构成，这是我们在学校学到的知识。但是，宇宙中的原子总量甚至不到宇宙整体的5％，所以这句话其实是完全错误的。我真希望涉及这部分内容的教科书能够尽早得到修订。以前，我们一直认为物质是宇宙的全部，然而物质在宇宙中只是微不足道的少数派。
那么，其余的大部分是什么呢？对于人类来说目前这仍是未解之谜。WMAP的观测结果显示，暗物质占宇宙能量总体的22％左右，暗能量则为72％左右。虽然物质与这两部分相加后，可以在比例上圆满地凑成100％，但我们尚不了解暗物质和暗能量究竟是什么。我们只不过是给未知的神秘物质和能量起了临时的名字罢了(图1—2)。
P2-5

我们为何能够存在于宇宙？
日本东京大学卡弗里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！消失的粒子与幸存的世界！

我们的身体是由物质组成的。除此之外，我们身边的
一切，甚至包括地球、太阳等天体也是由物质构成的。可
以说，我们生存在被物质包围的环境之中。如果将物质层
层分割，就会来到原子的层级。原子(atom)一词源自古希
腊语atomos，意思是“不可继续分割的”。在原子发现之
初，人们为了表明它是构成物质的最基本粒子，故将其命
名为原子。
然而，之后的研究表明，原子并不是最基本的粒子，
它是由带正电的原子核与带负电的电子构成的。后来的研
究进一步发现，原子核由质子和中子构成，而质子与中子
又分别由三个夸克构成。除此之外，一些新的基本粒子也
相继被发现。
在发现上述这些基本粒子的同时，研究者还发现任何
物质都存在与之对应的反物质。既然原子中存在电子和质
子等粒子，那么也一定存在与这些粒子相对应的反物质。
1932年，美国物理学家安德森从宇宙射线中发现了反
物质。随后，约里奥-居里夫妇(居里夫人的女儿及女婿)在
1933年制造出了电子的反物质——正电子，这是人类首次
成功制造出反物质。此外，1955年研究人员在加利福尼亚
大学伯克利分校利用大型基本粒子加速器，成功制造出了
质子的反物质——反质子。
根据现阶段的基本粒子理论可知，一种物质势必和它
相对应的反物质同时产生，研究者将这一现象称为“成对
产生”。此外，一旦某种物质遇到与其相匹配的反物质，
两者间就会发生“成对湮灭”现象，那么这种物质和它的
反物质都会就地消失。不过，它们只是作为“物质”消失
了，消失之后会产生等同于二者质量总和的能量。也就是
说，“成对湮灭”可以看作是将物质与反物质的质量转变
成能量的现象，而由这一现象产生的能量又会被用于生成
其他的物质及其反物质。
物质与其对应的反物质一定具有相同的质量，然而它
们的电性却是相反的。如果物质带正电，那么其反物质则
带负电。
举例来说，我们无法自己看见自己的脸。虽然在化妆
等情况下，我们可以通过镜子看见自己的脸，但严格来说
，映在镜子中的脸并不是自己的脸。镜中的脸与实际的脸
是左右相反的，所以即便看起来几乎一模一样，也无法说
镜中的脸就是自己的脸。
物质与反物质的关系很像镜子内外“两个自己”的关
系。我们把类似于镜子内外两个世界中某种要素正好相反
的性质称为“对称性”。不过，反物质与物质的“对称性
”并不是在影像上的左右相反，而是在电性上相反。
我们眼前世界中的一切都是由物质构成的，冰激凌也
是如此。即使存在由反物质构成的冰激凌，我们也无法从
外观去识别出来，因为反物质和物质对光的反应是完全一
样的。此外，它们还具有相同的质量，所以很难将其区分
开来。
不过，如果我们用手去拿反物质冰激凌，那麻烦可就
大了。因为我们的身体是由物质构成的，所以如果接触到
由反物质构成的冰激凌，就会发生大规模的湮灭，从而导
致我们痛失手臂。这听起来令人毛骨悚然，不过在发生湮
灭时，如果我们损失的只是一只手，那么这样的结果尚且
算得上是幸运了。
大家知道爱因斯坦根据相对论推导出的著名公式
E=mc2吧？这个方程式表明，质量等同于能量，并且二者可
以相互转换。前文提到过，物质与反物质碰撞发生湮灭后
会转化成能量，这就是根据上面的公式推导出来的。
在这一公式中，E表示能量，埘表示质量，也就是重量
。此外，c表示光速。也就是说，能量和质量可以相互转换
。由于公式右边是质量乘以光速(约为每秒3亿米)的二次方
，因此即便是微乎其微的质量，如果将其全部转换成能量
，也将是非常巨大的。
如果将物质的质量全部转换成能量，即能量转化效率
为100％的话，那么由此所产生的巨大能量大约是汽车发动
机中汽油爆燃时释放能量的3亿倍。也就是说，在质量相同
的情况下，反物质与物质发生碰撞产生的能量相当于汽油
所释放能量的3亿倍。
单从这个角度来看，反物质似乎是一种十分理想的能
源，因此它也经常在科幻作品中露面。在美国电视连续剧
《星际迷航》(Star Trek)中，反物质作为“进取号”星
舰的燃料为其提供飞行动力，而小说《天使与魔鬼》的故
事则是从一名科学家瞒着研究所所长私自研制出0．25克反
物质开始讲起的。
也许有人会想，不就是0．25克吗，有什么大不了的？
事实上，如果0．25克的反物质遇到相同质量的物质就会产
生巨大的能量，威力相当于第二次世界大战期间投掷在日
本广岛的原子弹。幸亏在我们身边不存在反物质，这样我
们才能过上如此和平安全的生活，否则后果将是不堪设想
的。
不过，制造0 25克反物质的总费用约高达10 22日元
，所以大学和企业几乎不可能制造出反物质。在《天使与
魔鬼》中，科学家花掉了那么多钱却没有被所长发现，我
想他们一定有巨额的研究经费，真是一家令人羡慕的研究
所。(笑)

我们以及我们的物质世界，为何能存在于宇宙？物质与反物质成对湮灭，应当使得宇宙中空无一物。但一部分反物质却神秘消失，物质世界因而得以幸存。这背后的神秘“力量”究竟是什么？
本书围绕“我们为何存在于宇宙”这一问题，从可感的物质世界出发，层层深入至微观粒子世界，结合基本粒子标准模型的体系，一路探索至中微子与反物质及物质世界间的隐秘关系。本书不止沉潜于对前沿研究的讲解，更是一部激荡人心的自然解谜佳作，能够让读者体会到自然探索中的感动与沉醉。