简介
物理学几乎能够解释从微观粒子到宏观天体现象的所有事物构成，是一门获得过无数丰硕成果的体系。但事实上，在构成其基础的重要部分中仍存在知识空白，也有一些东西还无法整理成理论。 《多云的宇宙 : 物理学未解的七朵“乌云”》列出了质子衰变论、黑洞大爆炸、埃弗莱特的多宇宙理论、异端的宇宙、暗物质和暗能量、量子力学，以及宇宙原理与人类原理等物理学七大领域中存在的未解谜团，讲述人们为解开这些谜团留下的行踪、付出的努力及产生的各种理论碰撞，并对走出困境表达了自己的观点。
作者介绍
小谷太郎 1967年出生于日本东京，物理学博士，毕业于东京大学物理学专业，专业研究领域为宇宙物理学和宇宙探测装置开发。他曾先后在日本理化学研究所、美国宇航局戈达德太空飞行中心、东京工业大学、早稻田大学任职。
部分摘录：
基本粒子的大统一理论 这些就是如今（除引力子之外）已经通过实验确认的基本粒子，也就是目前已发现的基本粒子：6种夸克、6种轻子，以它们之间的力为媒介的5种粒子，带来质量的希格斯玻色子，以上粒子构成了图1-2（深入说明的话，这些粒子几乎都存在反粒子，不过这里并没有写入图中）。
解释这些基本粒子之间运作的力和通过基本粒子的结合能构成怎样的复合粒子的理论现在已经基本成型，也就是基本粒子的“大统一理论”。
大统一理论认为，构成原子核的质子与中子具有平均寿命，会在一定时间后衰变。
神冈探测器的忧郁 获得诺贝尔奖的可爱的“神冈探测器” 基本粒子是难以用大小来描述的极微小粒子，但人类为了发现和寻找它们，建造了无数个巨大的实验装置。位于法国与瑞士国境线上的世界最大粒子加速器LHC的周长达27千米。
与这个世界巨人相比，位于崎阜县神冈矿山地下的“神冈探测器”的规模可以称得上是小得可爱了。其本体是直径15.6米，高16米的容器，能装3000吨水。
但这个可爱的神冈探测器及其扩大版——“超级神冈探测器”在2017年获得了两个诺贝尔物理学奖，是非常先进的基本粒子实验装置（超级神冈探测器的储水器容量为5万吨，更为大型）。
神冈探测器以独特的手段探索基本粒子的物理领域，共有1000个光检测器在静静地等待着存放在黑暗地下的水发光的那一刻。
水是氧气和氢气的化合物。一个水分子由一个氧原子和两个氢原子构成，而原子是由质子、电子和中子这些粒子汇集而成。因此，3000吨水约含1033个质子、电子和中子。这是极其庞大的数字了。
如此庞大数字的粒子之中，如果有某一个发生了某种变异的话，由于基本粒子的变异大多都是会发射出光，所以1000个光检测器就能感知它所放出的光。通过检测器给出的信号，我们能了解该粒子的种类、能量和速度，从而（在一定概率上）得知这究竟是人类已经了解的基本粒子反应，还是第一次发现的特殊反应。
这个利用储水器与光检测器的简单装置就是可爱的神冈探测器（以及超级神冈探测器）。
能估算质子寿命的装置 大统一理论预言，质子和中子等核子的寿命约为1030年到1034年，之后将会衰变，转变为电子或“π粒子”等。
这种衰变反应极其罕见，我们在日常情况下不会注意到，也是至今任何基本粒子实验和辐射线测定中都没有检测到的罕见现象。若非如此的话，由质子和中子构成的我们的身体，恐怕早就因发出辐射线而毁灭了。
如果质子的寿命是1034年，那么要观测一个核子直至它衰变，也必须得花费1034年。地球自诞生以来共46亿年，宇宙从开始到现在据说也只有138亿年，质子的寿命显然要长得多。简单来说，就是质子的年龄是宇宙年龄一万亿倍的万亿倍。即使我们从宇宙诞生时就观测质子，也无法知道它是否会衰变。
但如果同时观测1033个质子的话，情况就不一样了。只要保持观测这个数字1年，那么，有1个以上质子出现衰变的概率为10%，5年就是50%。如果质子的寿命是1030年，那么只要持续观测1年就有95%的概率能看到质子的衰变。
换句话说，只要准备数量足够庞大的核子就能观测到极其罕见的核子衰变现象。
神冈探测器（KamiokaNDE）名称中的“NDE”的意思就是“核子衰变实验”（Nucleon Decay Experiment）。
严密监测3000吨水 由于神冈探测器会受到来自宇宙的粒子——“宇宙射线”的影响，所以利用神冈矿山的废矿井，在地下1千米处建造了储水器。储水器的内壁安装了约1000个由滨松光子学股份公司制造的光学传感器，里面装满了纯水。
神冈探测器从1986年开始运作，自那以后人们一直严密监视着水的光反应（实际上该实验于1983年就已经开始，但装置升级的神冈探测器是1986年才开始运作）。
在没有光线的地下1千米的矿井中，虽然人的眼睛所看到的是一片漆黑，但敏锐的光学传感器能准确捕捉到光子并发出信号。只不过大多数都是被称作噪音的无意义信号。
去除噪音后，还是有部分粒子在通过储水器时发生了反应。这些高能量的粒子约以每2秒1次的频率通过储水器，在光传感器上留下了痕迹。如果这些都是质子衰变所产生的粒子反应的话，确实会令人振奋，但遗憾的是全都与质子衰变无关。
这些高能量粒子大多是μ子和地下放射性物质所产生的辐射线。
从宇宙而来的“宇宙射线”与地球大气发生碰撞后产生μ子，然后如同暴雨一般降落地表，我们日日夜夜都沐浴其中。虽然落到地下1千米的μ子较少，但每两秒也有1个左右被神冈探测器捕捉到。
除了μ子和辐射线的信号之外，中微子与储水器内的电子或核子发生反应后也会留下信号。中微子质量接近零，无电荷，反应性低，是很容易穿过地球的粒子。每1秒有约1万亿个中微子穿透我们的身体。
中微子的来源多种多样，有从太阳内部生成后飞向地球的，也有从附近的原子反应堆产生后到达神冈矿山的，也有宇宙射线与地球大气发生反应后产生的，还有从宇宙某处超新星爆发中生成的，等等。
穿过神冈探测器和我们身体的中微子数量极其庞大，但与1030个核子中的某个发生反应并被检测到的数量则极其稀少，每一两天只有1个左右。
根据神冈探测器的测定显示，从太阳飞到地球的中微子只有我们所预想的太阳核融合反应量的三分之一左右。这意味着什么呢？（后文将会介绍，这是名为“中微子振荡”的新物理现象的表现。）
也许大统一理论是错误的 中微子的反应暂且不提，神冈探测器其本来目的是探测质子的衰变。
去除噪音，不管μ子的反应，再去掉中微子反应，剩下的就应该是质子衰变反应了。
但与大统一理论的预测相反，人们并没有检测到这种反应。
虽然偶尔能发现难以判断究竟是质子衰变还是中微子反应等已知反应的信号，但即使将其视作质子衰变，也不满足理论的预想值。
学会和研究会经常提交各种报告称，检测出了有可能解释为质子衰变的信号，但事实上并没有发现能切实判定为质子衰变的信号。每次神冈探测器的新结果投放到大屏幕上后人们就发现，这次还是遗憾的结果，于是整个会场都充满了消极的氛围。［说个小插曲。当时还没有微软公司的幻灯片软件（PowerPoint），学会发表演示所使用的是被称作“透明板”（transparent sheet）的透明薄板，利用“高射投影仪”这一装置在屏幕上投影。透明板大多是手写的，有些制作者的字迹很难辨认。］
1986年，检测装置升级后改名为神冈探测器二代，（相关人士表示）检测效率提高，所得结果的精确度也上升了，但依旧没有检测出质子衰变。
不仅没能检测出质子衰变，原本应该检测到的太阳中微子也很稀少，这与世界上其他的中微子实验一样。
这个装置是正确的吗？是否哪处线路出了问题？是否解析程序隐藏着漏洞（BUG）？
如果装置存在设计缺陷的话，自然要承担起浪费相应科研经费的责任（虽然神冈探测器的建造费用与其他巨大装置相比要少得多）。
但工作团队对装置及其运算进行了反复检查后并没有发现问题。
既然装置没错，那么错的难道是大统一理论本身吗？难道质子的寿命长于1030到1034年吗？
假设质子的寿命比我们预想的更长，假如超出了大统一理论，要问会有谁为此头疼的话，答案是没有人会为此头疼。因为基本粒子的研究者或理论家可以对理论进行修正，解释质子的超长寿命。
如果可以证明理论是错误的，也就意味着这方面的实验获得了成功。对于被称作是实验家的研究者而言，颠覆理论的实验比证明理论正确的实验更有趣。
就这样，神冈探测器在全世界研究者的关注中继续运作，缓缓地延长着质子的寿命。
这时，却从宇宙传来了证明神冈探测器数据是正确的信号。