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宇宙最初是什么样子？

它是怎样形成的？

又是如何演化成今天的样子？

你一定听过黑洞、引力波、时间旅行、暗物质、虫洞、希格斯粒子、空间扭曲、相对论……

但你真的知道那是什么吗？

染着一头金发的天才怪咖、物理学家多田将用通俗易懂、有趣的方式和上百张可爱的插图，为青年学子以及喜欢物理学的大众讲解看似很深奥却无比迷人的宇宙理论。来吧，跟怪咖物理学家一起跳入黑洞，一次搞懂宇宙的奥秘！

你一定听过黑洞、时间旅行、暗物质、虫洞、希格斯粒子、空间扭曲、相对论这些名词，但你真的知道它们是什么吗？本书由作者多田将教授的4次演讲整理而成。作者用普通人可以理解的方式讲解诸多宇宙学名词以及宇宙的形成过程。全书用生动的语言与漫画插图帮助读者理解从基础理论（相对论）到最新的实验（暗物质探测），等与物理学相关的知识。相信具有高中物理基础的读者都能看懂本书。本书适合喜欢物理学或 对宇宙的形成过程感兴趣的读者阅读。

推荐序 3

前言 7

第一章 黑洞

什么是反物质？ 23

湮灭与对生—物质与能量相互转变 27

反物质用于临床医疗上 30

动量守恒定律—光会反射出来 32

南极的 BESS 实验—搜集从宇宙飞来的反物质 34

如果把地球压缩成半径为 8.9mm 的小球，它就会变成黑洞 38

爱因斯坦的方程在发散 42

数学算出来的黑洞 44

奇点旋转就会变成环 46

星球的死亡—引力塌缩 48

所有的物质都变成十万分之一大小 50

体重决定死法 53

超新星爆炸！ 54

角动量守恒定律 57

中子塌缩，产生黑洞 58

观察黑洞的方法 60

射线的波长 64

用 X 射线看的话…… 66

超强武器：任意门 69

黑洞有 3 种 70

微型黑洞可以当作垃圾处理场？ 72

史蒂芬·霍金的黑洞蒸发理论 73

夏威夷的黑洞官司 76

爱因斯坦与英文能力 80

建立相对论时要准备的两大支柱 82

造成中微子超光速说法的罪魁祸首是意大利人？ 85

迈克尔逊 - 莫雷实验 86

狭义相对论预测的事①速度增加，质量也会增加 91

狭义相对论预测的事②速度增加，时间变慢 94

光的速度固定的话，时间就变得有弹性 100

另一个根据，相对性原理 103

广义相对论—为加进引力而导入等效原理 106

广义相对论预测的事①引力导致空间弯曲 109

引力透镜效应—引力让光弯曲 112

广义相对论预测的事②引力导致时间扭曲 116

速度与引力的等效原理—海龟的速度与龙宫的引力 120

白洞与虫洞 122

制造不出任意门的 3 个理由 125

专题Ⅰ　定量的思考—微软公司的招聘考试、放射线与电力的问题

如何定量地思考——微软公司的招聘考试 131

定量地思考核电站的放射性污染 136

对核能发电的个人浅见 138

第二章 宇宙大爆炸

掉落的苹果与不掉落的月球 148

星星为何散布在宇宙间？ 150

宇宙学常数？ 152

从球丢出去到球落下来的几亿年 154

如果所有的星球都在远离我们…… 158

曾经是个小小宇宙 160

宇宙的放晴 162

散播到全宇宙、最古老的光 166

1964 年人们捕捉到向全方位传播的均一无线电波 167

1989 年的 COBE 170

光是什么？ 172

眼睛如何看见光 174

人类无法想象三维的封闭空间 176

宇宙有限，但没有尽头 180

比光更快远离的星球 182

不是星星在移动，而是空间在扩张 183

全宇宙的星星分布图 185

2001 年的 WMAP—用高解析度摄影了解的宇宙构造 188

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：①视界问题 194

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：②平坦性问题 198

宇宙大爆炸理论无法解释的问题：③磁单极子问题 201

真的找到磁单极子了吗？ 205

宇宙大爆炸前发生的暴胀 208

暴胀理论如此解释以上 3 个问题 211

宇宙的 3 个未来 214

抛出去的球会中途加速吗？ 219

专题Ⅱ　测量地球到星星的距离—那颗星离地球有多远呢？

①恒星视差 0 ～ 300 光年 224

② HR 图～ 3 万光年 226

③造父变星～ 6000 万光年 231

④塔利 - 费舍尔法～ 3 亿光年 233

⑤ Ia 型超新星～ 30 亿光年 234

第三章 暗物质

星星一定在动 240

离太阳越近，公转速度越快，离得越远则越慢 242

星系的自转速度很奇怪…… 244

球形的笨蛋！ 250

为星星取你的名字送给你 252

失踪的质量 253

暗物质以外的解释①电浆宇宙论 254

暗物质以外的解释②修正的牛顿力学 256

泡利的训诲：不要怀疑基本法则 257

利用哈勃空间望远镜观测宇宙质量的分布 260

宇宙中有多少暗物质？ 262

暗物质的分布如同消费税 266

暗物质的候选者① MACHO（晕族大质量致密天体） 267

暗物质的候选者②基本粒子 269

热基本粒子的候选者—中微子 271

冷基本粒子的候选者—WIMP 和轴子 272

暗物质的发现方法 275

使用液态氙的 XMASS 实验 276

地球以 200km s 的速度在运动 278

WIMP 撞击氙原子核时…… 280

水封住杂音 282

夏天和冬天的撞击方向不同 284

捡到各种电磁波的轴子实验 285

CARRACK 轴子探索实验 286

复杂而致密的实验装置 290

没有暗物质的话，也就没有星星的诞生 293

计算暗物质能形成今日宇宙的数量 294

真正暗黑的暗能量 297

本章的总结 301

专题Ⅲ　从粒子物理学思考暗物质的面貌

不可能再切分的19种基本粒子 304

什么是标准模型？ 308

玻色子与费米子 309

按自旋的不同分组 310

超对称理论 312

未知的基本粒子：中性伴子 316

CP 对称性被弱作用力打破 318

CP 对称靠强作用力守恒 322

皮塞－奎恩理论的台球桌 324

最初放置台球桌时的摇摆 328

第四章 宇宙是怎样形成的

温度是什么？ 332

滑雪的学生 333

相变—物质的面貌改变了 336

加温的话，可以看到过去 338

1013s 后—原子核捕捉到电子 342

从 100s 开始到 102s—元素合成 346

说明宇宙元素构成比的 αβγ 理论 348

100s 后—对生被打断，剩下只有光的宇宙 352

10 亿的光子与剩下的 1 个物质 356

自然的法则应该是左右对称，但…… 360

10-8s 到 10-4s—夸克凝集，成为质子 361

10-11s 后—第 3 次相变产生电磁力和弱作用力 362

自然界的 4 种力中，人类只能感受到引力和电磁力 364

电磁力与弱作用力曾经是一家人 366

质量是什么？ 368

希格斯粒子产生“阶级差别” 370

用 LHC 来加温 374

概率很重要 376

科学论文 377

10-36s 到 10-11s—第 2 次相变与能量沙漠 378

暴胀与相变的潜热 382

暴胀子？ 384

魔法少女的希望相变为绝望的时候 385

10-44s 后—第 1 次相变，引力诞生 388

爱因斯坦尝试失败、物理学上最困难的问题 390

人类与科学的伟大历史 391

第谷·布拉赫为什么主张地心说？ 393

实验技术改变了理论 398

随时都可以改写 400

后记 402

多田将：京都大学理学博士，1970 年生于大阪府，曾任京都大学化学研究所讲师，现为日本高能加速器研究机构的助理研究员。

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它是怎样形成的？

又是如何演化成今天的样子？

你一定听过黑洞、引力波、时间旅行、暗物质、虫洞、希格斯粒子、空间扭曲、相对论……

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