無數的星系正離我們遠去

現在看上去空空蕩蕩的宇宙誕生於大約 137 億年前的一次大爆炸，空間和時間在那一瞬出現了。

西方關於宇宙的研究可以追溯到古希臘時期，當時的希臘人覺得天是一個球體，亞里士多德就把宇宙分成了兩個區域，他以月亮為分界，認為近月亮的地球有一套運行規則，而遠離月亮的地方有另一種運行規則；托勒密提出的地心說被廣為接受，直到哥白尼、伽利略等人提出日心說後被推翻；而後牛頓的天體學理論使得宇宙研究有了更進一步的解釋；最後隨着愛因斯坦發表廣義相對論及一系列大膽的觀測實驗出現，宇宙研究也正式成為了一門嚴謹可量化的學科。

但是宇宙這麼大，我們到底在找什麼？

兩千多年起希臘人德謨克里特提出「世界是由原子組成的」的概念，而後美國人富蘭克林和英國人道爾頓進一步證實這一猜想。如今的人們已經很熟練地運用物理常數解釋宇宙規律，從而也開始驗證各種各樣的猜想。

在現行的模型演繹裡，爆炸後的早期宇宙就像一鍋熱湯，密度極高，星系之間、各種物質全部擠在一起；隨著大爆炸的發生空間開始伸展，宇宙就一直在膨脹，天文學家們普遍認為現在的宇宙處於一種加速膨脹的狀態。而宇宙的未來，或許將會一直這樣加速膨脹下去，星系團之間快速遠離，直至再也看不到對方。

宇宙時間軸，從左至右發展，在任何給定時間下宇宙會以碟狀「切片」的型態顯示（圖片來源：NASA）

極與極的碰撞

香港科技大學物理系王一博士是這麼描述他的研究：「我研究理論物理和宇宙學，特點是用世界上最大的物體（宇宙）研究世界上最小的物體（基本粒子）。」

王一，香港科技大學物理系副教授。本科畢業於中國科學技術大學，博士畢業於中國科學院理論物理研究所。先後於麥吉爾大學和東京大學 IPMU 進行博士後研究，曾於劍橋大學任霍金高級學者，曾獲國家自然科學基金委優秀青年科學基金項目（港澳）等資助（圖片來源：受訪者提供）

宇宙，這是世界上最大的物體；那世界上最小的物體呢？一開始人們以為是原子，後來發現原子還可以切割成更小的粒子，目前已知的基本粒子有 61 種。王一博士向我們介紹「比基本粒子更小的，我們現在還搞不清楚，有可能基本粒子就是最小的。但是也有人說這個世界就是由那種一維的、像麵條一樣的弦組成的，而不是點粒子組成的。這些都是有可能的。」

向大的方向，能看到宇宙；向小的方向，能看到這些基本粒子。相當奇妙和有趣，這兩個極大的方向和極小的方向，卻有著千絲萬縷的關係。

2010 年 11 月 9 日，科學家利用歐洲大型強子對撞機完成了迷你版「宇宙大爆炸」的實驗，實驗產生了一個溫度為太陽核心溫度 100 萬倍的火球。而早期宇宙能達到的最高溫度比現在人類在實驗室可控制的溫度至少還要高 10 個量級，極高溫度下，粒子之間會產生非常劇烈的碰撞。「我們也可以把宇宙想像成了一個巨型對撞機，用早期宇宙去研究粒子物理。」

歐洲核子研究中心大型強子對撞機（圖片來源：CERN）

從空中鳥瞰大型強子對撞機的地理環境（圖片來源：CERN）

對撞機是在高能同步加速器基礎上發展起來的一種裝置，主要是加速兩束運動方向相反的粒子，以極為精細的操作控制粒子們的位置，讓其在極小的空間內對撞，使粒子的動能最大化被利用。對撞機是目前粒子物理學研究最重要的研究設備，能直接決定粒子物理學大多數研究方向的發展水平，在劉慈欣的《三體》中，「三體人」向地球發射的「智子」通過干擾高能物理對撞機的實驗結果，「鎖死了」地球理論物理甚至基礎科學的發展。中國科學院已於 2018 年正式發布「環形正負電子對撞機（CEPC）」的概念設計報告，預計期望於 2030 年前竣工。（注：參考中國科學院陳繕真《對撞機，是個什麼機》，劉慈欣《三體》）

「這些粒子物理的信息隨著宇宙的不斷膨脹，不斷演化，冷卻下來，在我們現在的宇宙當中，在我們現在的星系分布中留下遺跡。這就是為什麼我們可以用宇宙來研究這個世界上最小的物體 —— 基本粒子。」

這個方向的研究，王一博士在讀博的最後一年就已經開始，且已持續多年。事實上，用宇宙研究粒子物理早在數十年前就已有學者研究，曾於香港科技大學賽馬會高等研究院任職的傑出華人理論物理學家戴自海教授就是此方向的開創者之一。

戴自海教授（圖片來源：香港學者協會）

戴自海教授生於上海，長於香港，是世界知名的傑出理論物理學家、弦理論和宇宙學專家。曾於美國康奈爾大學、香港科技大學等高校任職。其主要研究範疇為基本粒子理論，包括高能量現象、粒子物理與宇宙學及超弦論的關係。戴教授對許多宇宙學重要研究發現有過貢獻，例如 Alan Harvey Guth（宇宙暴脹模型的創立者）在其著作中就講述了他如何受到戴自海教授的影響而進一步思考從而產生宇宙暴脹的想法的故事。

而王一博士和來自於哈佛大學的陳新剛教授，以及其他成員們，則在已有研究的基礎上又另闢蹊徑。相比起一直以來許多學者們將注意力放在對早期宇宙推導出的各種各樣的宇宙模型，比如用弦論推導早期宇宙，他們希望利用好暴脹這一窗口，通過精確測量宇宙中星系及其它物質的分布，反推早期宇宙的狀態，進而研究高能物理。

「我們不用關心有什麼宇宙學模型，因為宇宙學模型太多了。可能未來我們有有限的實驗結果，（可能）我們很久很久也不知道早期宇宙是什麼樣子的。但是即使我們不依賴於宇宙學模型，我們還可以通過早期宇宙的觀測直接提取出來說在早期宇宙曾經有什麼樣的粒子被產生出來了。知道宇宙中產生什麼粒子，我們就可以用這些粒子去研究粒子物理。」這是他們率先提出的一種宇宙研究方向，也就是後來所謂的「宇宙對撞機物理」。

宇宙對撞機物理示意圖（圖片來源：受訪者提供）

無盡之地

黑洞作為最撲朔迷離的天文現象之一，引得無數科學家為它夜以繼日、廢寢忘食，希望能揭開它神秘的面紗。王一博士亦是其一。他用「生氣」和「消氣」作為他研究黑洞的關鍵詞。

黑洞首張照片：巨大橢圓星系 M87 核心的超大質量黑洞（圖片來源：事件視界望遠鏡）

「幾十年以前大家就發現，如果宇宙中有非常輕的一些粒子存在的話，比如說非常輕的標量粒子，那麼黑洞的旋轉就會把這個非常輕的粒子給甩出來。」這是愛因斯坦廣義相對論裡預言的「參考系拖拽」—— 轉動狀態的質量會對其周圍的時空產生拖拽現象。也就是說，「黑洞旋轉的時候會帶著旁邊的時空去轉，然後旁邊的時空就會把這個很輕的粒子 － 其實是它的場甩出來，然後在黑洞周圍形成一圈『氣體』，這種『氣體』和原子裡邊的原子核和原子核旁邊的電子雲非常相似，所以這樣的狀態也常有人把它叫做引力原子。」

王一博士的研究發現了這種引力原子是非常不穩定的，「如果周圍有一個伴星的話，就是黑洞旁邊有一顆星陪著它轉的話，那麼很可能就會改變，就是這圈雲就消失了。」「這個黑洞周圍形成的這種輕粒子的雲，我們說就好像黑洞『生氣』了一樣，就是生出了很多氣；那麼如果旁邊來了一個伴星，可能會讓黑洞『消氣』。」

蟲洞是否存在、是否符合自然法則；類如《星際迷航》、《三體》等科幻作品中常常出現的曲率引擎是否可能實現；宇宙學和量子信息的結合，這些都是王一在做的各種有趣研究。他戲言，即使有些看來好像不是他這個理論物理學者該研究的。除卻興趣使然，他表示，學生們一定程度上也影響了他的研究範圍。「做老師以後和讀博不一樣。做老師的話，很多同學也在幫我，屬於他們也在教我做研究，我教他們經驗，他們可以教我一些具體知識，這樣的話，領域可以做得稍廣一些。」

前方的征途是星辰大海

千年前，古人就於清風明月之際發出「寄蜉蝣於天地，渺滄海之一粟」之慨歎，宇宙之無盡也，或許人類數千年都不能解出謎底。甚至現實也有些許殘酷，宇宙學很難在香港的土壤生長起來，「香港是一個比較實際的地方，實際的地方的話，可能就意味著實際的學科多一些。仰望星空，未必能馬上轉化，經濟效益可能就少一點。」高校內研究理論的學者也並不多，「港大、中大都有天文學觀測或者實驗等方向的學者，這些和宇宙學也是相關的，但在很長一段時間內，科大算是香港唯一有宇宙學理論的，包括粒子物理理論等。」

每週六，王一博士都會在短視頻平台直播，與關注者連麥，解答他們關於物理的一個又一個問題。他的各個社交平台上，全平台的視頻和直播播放量已超過 1 億，抖音置頂視頻「為什麼說光速不變」單條視頻累計已有 900 多萬播放；被同學們起哄而開始講解的理論物理入門大山「量子場論」（「溫伯格量子場論導讀」）竟然成了最受歡迎的一個系列合集，已有 61.1 萬播放量。

王一博士對研究宇宙和科普教學始終樂觀積極，他認為，「像這樣的學科，其實對一間學校而言是重要的。很多學生都有好奇心，他們有些想在以後研究宇宙，有些也可能走上了其它道路，但只要有好奇心，學校能有老師告訴他們宇宙是什麼樣子對這些同學也是非常好的。」

王一博士（圖片來源：受訪者提供）

值得高興的是，「最近香港城市大學也開始了宇宙學方向，新加盟城大的兩位助理教授，鍾益鳴博士和黃崇清博士是做這方面研究的。」

如欲知道更多教科相關消息，請留意京港Facebook專頁
https://www.facebook.com/BHKAEC