第1章
宇宙是由什么构成的

1.苹果和行星遵循同样的运动法则

生活在21世纪的各位读者，听到“宇宙”这个词时会想到什么呢？400多年前，伽利略将望远镜对向星空，这让人类对宇宙的认识发生了巨大变化。

没有望远镜时，人只能依靠肉眼观察夜空中的繁星。过去的人在漆黑的夜空中描绘出神明或动物形状的星座，并认为天界不同于地上世界，是“另外一个世界”，但那其实只是过去的人“想象中的世界”。

与过去那种“想象中的世界”相比，现代人对宇宙的印象已经非常具体。得益于望远镜技术的发展，我们已经可以看到非常真实的宇宙风景了。

例如美国的哈勃空间望远镜，通过它，我们可以看到围绕地球旋转的人造卫星所拍摄的宇宙。从地上观看到的星星之所以会闪烁，是因为地球大气层中的气流对光线产生扰动，而哈勃空间望远镜却不会受这种影响，因此可以拍摄出十分清晰的照片。

这些照片想必有不少人在电视、报纸等媒体上看到过。现在的宇宙照片，不仅可以清晰呈现月球上的环形山和木星的条纹，还可以捕捉到更加遥远的恒星、星系的景象。

与日常的风景相比，宇宙的景象显得非常梦幻，这或许与古人想象的宇宙有所相合。不过，从宇宙中拍摄的地球也同样梦幻，但它与其他梦幻的宇宙景象一样，都是真实存在的。这与古人对天界的想象不同，宇宙对我们而言绝不是“另外一个世界”。不管是地球，还是与我们相距数万光年的恒星，它们都存在于“宇宙”这一个世界中。现代人对宇宙的印象大致如此。

本书对基本粒子和宇宙研究的介绍，大致分为两个主题。

第一个主题是，物质是由什么构成的。

第二个主题是，支配物质的基本法则是什么。

如果宇宙与地上世界不是同一个世界，那么我们就必须在不同的世界中去思考这两大主题。这是因为，如果宇宙与地上世界不是同一个世界，那么构成远方的星星的物质便与地上世界的物质不同，物质所遵循的基本法则也会存在差异。

但是，我们知道“天上”和“地上”是同一个世界。遥远的星星和我们的地球（苹果、高楼大厦、我们自身）都是由相同的物质构成的。正因如此，寻找物质本原的基本粒子研究与宇宙研究连接在了一起，就像“衔尾蛇”那样。

如果宇宙中的物质与地球上的物质相同，那么支配这些物质的物理法则也是一样的。“天上”与“地上”便没有任何差别了。

最初证明这一事实的人是艾萨克·牛顿，他提出了著名的“万有引力定律”。至此，人类才意识到，在地上世界从枝头掉落的苹果，与在天上世界运动的行星，遵循着完全相同的运动法则。

对于认为宇宙是“另外一个世界”的古人而言，这恐怕是难以接受的事实，甚至一些现代人也会觉得这很荒唐。确实，在直观感觉上，苹果落下与地球围绕太阳转动似乎是不同之事。

不过，地球之所以能以30千米每秒的惊人速度围绕太阳转动而不飞离太阳系，是因为它受太阳的引力牵引，“落”了下来。这与苹果受地球引力牵引而落下的情形完全相同。

顺便一提，牛顿阐释万有引力定律的著作名为《自然哲学的数学原理》。这正如伽利略所言——“宇宙是由数学语言写成的”。这样看来，数学与物理的联合也早已存在。