跟著怪咖物理學家一起跳進黑洞！：一次搞懂當今最熱門的宇宙議題

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中微子研究。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。

目次
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

第二章 大爆炸──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
大爆炸理論無法說明 1 地平線問題
大爆炸理論無法說明2 磁單極子問題
磁單極子真的找到了嗎？
大爆炸前發生的膨脹
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？

第3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

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，六十九
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