宇宙台阶从无限大到无限小大科技杂志社
从人开始
大自然的安排真是非常奇妙,我们人类的大小介于太阳和一个分子之间——太阳的直径是1.×米,一个分子的直径则大约是10-9米,人的大小正好是横跨宏观宇宙和微观世界的中心点。
大自然在人这样的尺度上达到最复杂的程度,并非出于偶然,我们尺度的大小在进化中起到了重要作用。如果我们变成昆虫大小,生活中每件事几乎都不同了,一个蚂蚁般大小的人永远写不出书来,因为一台蚂蚁大小的打字机的键盘都会黏在一起,一本蚂蚁大小的书也是如此,而且,蚂蚁永远也不能生一团火,因为最小的火焰也要比它的身体大。因此,人类正是有了这样的大小,才有了进化的能力。
另一方面,如果我们长得太高大的话,我们就会变得很脆弱。只要被什么东西绊倒,可能就倒地不起。以成人和婴儿为例,成人和婴儿都摔倒时,成人倒地时的动能要比婴儿倒地时大6倍。如果成人是现在的2倍大,他走路时就会像踩高跷那么危险。
而最大的宇宙和最小的原子都在我们身上交相辉映:我们会受到一个小到百万分之一米的病毒的侵害;小小的DNA双螺旋分子居然包含了我们所有的遗传密码;同时,我们也在接受太阳的光辉,依赖它的能量。太阳系之外那广大的宇宙对我们来说也并非多余,只有在一个足够巨大的宇宙中才有可能产生拥有复杂智慧的生命。
这就是我们的大自然,世间万物并不是随意散布在自然界中的,它们的大小是大自然中各种力之间的一种平衡,它们的位置是由自然常数的固定值所确定的。从亚原子粒子的世界到无垠的宇宙,事物的排列有着出乎我们意料的秘密。现在让我们从人开始,以10的次方为阶梯,向下追溯到最小的世界,向上追溯到最大的宇宙,去观赏那意想不到的魔景吧!
从1米开始,到最大的宇宙
米(1米)日常生活
这个尺度是和人们日常生活最密切相关的尺度。米这个测量单位本身就和人的手臂长短相关。大部分成年人的身高都超过1.5米,不到2米,只有少数人的身高才会超过2米。我们常常能听到,人们说某个东西“一人多高”,这正是用我们的身高来度量事物。
1米尺度的东西非常多,举不胜举。我们到商店去买裤子,裤子总在1米上下;我们使用的书桌、写字台,长度也总在1米上下。
米(10米)最大的动物
当代活着的最大的动物是鲸鱼,比较大的鲸鱼长度一般都超过10米,最大的达到30米。但是没有一种动物能达到米的长度,即使是很久以前横行一时的恐龙也不过几十米而已。
米(米)最高的植物
长寿的巨大红杉一般高约80米,最高的甚至可达米,而且没有任何一种单个的生物形式比参天大树更高大了。米的尺度可以说是地球上生物体大小的极限。
米(1千米)一个社区
在1千米见方的城市里,我们可以看到一个典型的社区:居民楼、商店、公园、小学、马路
此外,绝大多数小行星直径都在1千米以下。
米(10千米)最高的山峰
地球上最高的山峰无法超越1万米(10千米)。因为山越高也就越重,山的基部承受的压力也就越大。对于地球这颗行星的引力来说,如果山超过1万米的高度,它就会坍塌,陷入地壳中,所以地球上的最高峰——珠穆朗玛峰只有米。
中子星的直径一般只有10千米左右。质量在太阳1.4~3倍之间的恒星,其演化的结局就是中子星。
米(千米)特大型城市
一个特大型城市方圆可达上百千米。
米(0千米)中等国家
一个中等国家的边长大约有0千米,但像中国这样的大国,其南北或东西的距离都长达数千千米,而像文莱、卢森堡这样的小国方圆不过数百千米。
此外,最大的小行星(谷神星)直径有0千米,月球的直径则近千米。
米(1万千米)地球整体
地球的直径大约是1.27万千米,周长大约是4万千米。在一个边长为1万千米的正方形里我们可以看清地球全貌。这是一颗蓝色行星,有着蓝色的天空和海洋,还有白色的云彩和褐色的陆地。
白矮星的大小和地球差不多。质量是太阳质量1.4倍以下的恒星,其最后的结局就是白矮星。
米(10万千米)最大的行星
太阳系中最大的行星是木星,它比地球大多倍,其直径有14万多千米。木星没有固体表面,是一个气态行星,因此,有人说它是一颗失败的恒星。
米(万千米)地月系统
在这个尺度下,月亮绕地球旋转的轨道充满了整个画面。月球距离地球约38.4万千米,是离我们最近的天体。月光几乎使大部分星光黯然失色,由月亮引起的钱塘江大潮以及海边每天出现的潮涨潮落,都说明了它是多么接近地球。
此外,太阳的直径约万千米,一个太阳比整个地月系统还要大。
0米(0万千米)土星和木星的卫星
除地球外,火星、木星、土星、天王星、海王星等太阳系行星都有卫星。其中,木星和土星的卫星家族最为庞大,土星有近30颗卫星,而木星卫星达到了惊人的79颗!离土星最远的卫星是土卫九,远达万千米。
1米(1亿千米)日地系统
地球到太阳的平均距离约为1.×1米,这样的距离不远不近,是地球生命产生的必要条件。
2米(10亿千米)超巨星
超巨星的直径长达十几亿千米,比太阳到火星的距离还要远。超巨星是宇宙中最大最亮的恒星,其质量可以高达太阳的20倍。
3米(亿千米)太阳系
冥王星距离太阳近60亿千米,因此,在亿千米这个尺度下,可以看到太阳系全景。
太阳系的成员包括太阳和八大行星、已证实的几十颗天然卫星、已正式编号的多颗小行星、为数众多的彗星、流星体以及散布行星际空间的稀薄气体和尘埃等物质。
4米(0亿千米)柯伊伯带
离太阳约0亿千米的地方存在着一个彗星仓库,名叫“柯伊伯带”。柯伊伯带可能含有上亿颗彗星。
5米(1万亿千米)太阳系的边疆
在离太阳1万亿千米的地方,即使没有了绕着太阳旋转的行星,太阳的引力仍能发挥微弱的作用,这里是太阳系遥远的边疆。
6米(10万亿千米或约1光年)奥尔特云
奥尔特云被认为是彗星的起源地,有学者推测,太阳系形成时留下的碎片在这里聚集成了彗星。奥尔特云中的物质总量大约只有地球质量的几倍,但却含有几千亿颗彗星,柯伊伯带的彗星就来自这里。
7米(约10光年)银河星团(疏散星团)
虽然大多数恒星在空间中是随机分布的,但有一些却显示为“群居的亮点”。由10颗以上的恒星组成的、彼此具有物理联系的恒星集体称为星团,星团可分为银河星团(又名“疏散星团”)和球状星团。银河星团大多位于银道面附近,其直径一般不到几十光年,所含的恒星数从10颗以上到几百颗不等,银河星团里的恒星大都是分布在银河系旋臂上的年轻、炽热的星,它们常常含有恒星从其中形成的原始星云的痕迹。
8米(约光年)球状星团
球状星团与银河星团的区别不仅在形状和大小上,它们在银河系中的分布情形也不一样。球状星团由于它们的形状是球形或接近于球形而得名,其所含恒星数可多达10万颗以上。星团内恒星平均密度要比太阳附近恒星的密度大50倍左右,而且越往中心密集度越高,中心的恒星密度要比太阳附近恒星的密度大0倍。球状星团的直径从几十到几百光年不等,它们是在银河系诞生初期形成的天体,由最古老的恒星组成,一般年龄在亿岁以上。
9米(约0光年)矮星系
矮星系是围绕银河系运动的伴星系,一般只含有几百万颗恒星。目前已发现有10个矮星系在围绕银河系运动,如同一群卫星围绕一个大行星运动。因此,这些矮星系是受银河系万有引力控制的银河王国的属地。
0米(约1万光年)太阳在银河系中
我们的太阳是银河系中一颗普通的恒星,它位于银河系的旋臂上,离银河中心大约2.7万光年。太阳以每秒千米的速度绕银河中心运动,其运行一周需要2.25亿年(即一个宇宙年)。
1米(约10万光年)银河系
中心区域的引力把数千亿颗恒星相互束缚在一起,形成了星系,我们的银河系就是这样一个星系。银河系大约有亿颗恒星,与一座仓库中塞满的稻米粒数相等。银河系虽然星星众多,但95%是又暗又冷的红矮星、橙矮星和白矮星。
即便银河系是这样的庞大,但在广袤的宇宙中,它仍然是微不足道的。
2米(约万光年)本星系群
我们的银河系隶属于本星系群,本星系群是一个小星系团,它仅含大约40个成员,其中大部分是矮星系(只含有几百万颗恒星的小星系),但也有巨型的仙女座星系。
3米(约0万光年)星系团
在这样的尺度下,我们可以看见一个完整的星系团。星系团是许多星系在引力作用下聚集而成的大大小小的不同集团。离我们最近的大星系团是室女座星系团,这是一个包含至少0个星系的巨大集合。
星系团中的各星系并不总是相安无事的,星系和星系还会发生碰撞。星系的碰撞并不像我们日常生活中所看到的碰撞现象那样猛烈,而是延续很长时间,长久得可以和地球上久远的地质年代相比拟。
4米(约1亿光年)超星系团
超星系团由星系团聚集成群而形成。我们所在的超星系团叫本超星系团,本超星系团是包含数千星系的雪茄形巨大集团。本超星系团以外是其他超星系团,它们中的许多以其成员出现的星座命名,如2.5亿光年以外的双鱼—英仙座超星系团和5亿光年以外的武仙座超星系团。
超星系团在空间排列成串,恰似一缕缕不尽的蛛丝。
5米(约10亿光年)像尘埃似的星系
如果我们有一张长宽标度大约各为10亿光年的天文照片,我们就可以看到在黑暗背景上分布着数以百计、大小不一的小亮点,类似于我们在阳光下看到的漂浮在空气中的微小尘埃,这些毫不引人注意的小亮点都是一些庞然大物:星系、星系群、星系团、超星系团……
那些离我们数十亿光年之外的星系非常古老。因为从遥远星系发出的光到达我们的地球,要走几十亿年,因此,我们今天看到的这些天体,还是几十亿年前的旧模样。很久很久以前,当光线离开这些天体时,地球上的生命还处于原始的细菌状态呢!
6米以上(约亿光年以上)不断膨胀的宇宙
我们的宇宙是一个有限的宇宙,它产生于约亿年前的一次大爆炸,此后就不断膨胀,直至今日仍在膨胀中。宇宙的形状和大小仍是科学界的难题。
从1米开始,到最小的世界
10-1米(1分米)手掌
伸开你的手,从手腕到中指指根大约就是0.1米。在自然界中像手掌大小的物体有很多,既有各具特色的人工制品,也有形形色色的生物体。通常,水杯的高矮、钱包的大小、钢笔的长短等都在0.1米左右;盛开的花朵、池塘中的青蛙、活蹦乱跳的虾等也都在0.1米左右。
10-2米(1厘米)小昆虫
很多小昆虫只有1厘米大小,比如蚂蚁、小甲虫、小蜜蜂等。
10-3米(1毫米)视觉的极限
人眼看1毫米的事物已经很费力了,虱子大约就在1毫米上下。
10-4米(1丝米)显微镜下
把0.1毫米见方的画面放大到书本那么大,未曾预料到的细节出现了:我们看似光滑的皮肤上满是刻痕、皱纹和大块的秽物,顺着眼睫毛泌出的油水如同污泥,还有许许多多奇形怪状的生物隐藏在我们的绒毛上,我们简直不能使自己适应这种新情况。
再深入下去,我们会进入一个内部世界,对于我们来说就像遥远的恒星世界那样不熟悉。这个世界里充满着各种各样不知名的微生物。它们能在各种恶劣环境下生活,代表着地球生命潜能的极限。
10-5米(1忽米)细胞
大多数细胞的直径在几微米至几十微米之间。当然也有些细胞比较大,比如鸡的卵细胞(鸡蛋)的直径有35毫米(约等于忽米),鸵鸟的卵细胞(鸵鸟蛋)的直径可达75毫米(忽米)。
细胞是所有生物体(病毒除外)结构和功能的基本单位,每一个细胞都包含全套遗传信息,能独立生存,表现出各种生命特征。
10-6米(1微米)细胞核
细胞核是由核膜、核仁和染色体几部分组成的。细胞核的功能主要是储存和传递遗传信息,其中的染色体组就包含着该物种的遗传信息,并能进行自我复制,因此可以世代相传,保持物种的连续性。
10-7米(纳米)病毒
病毒是能引发疾病的病原体,它是介于生物与非生物之间的东西。病毒没有细胞结构,主要由核酸和蛋白质组成。核酸位于病毒的中心,它带有病毒的遗传信息,在病毒的繁殖、变异等方面起主要作用。
大多数病毒都小于纳米,最大的痘病毒也不过纳米,口蹄疫病毒是最小的,只有20纳米。
10-8米(10纳米)DNA、RNA和蛋白质
这三者都是构成细胞的有机大分子,它们之间既相互联系又各有不同的结构和功能。DNA是脱氧核糖核酸英文名称的缩写,它与英文缩写为RNA的核糖核酸一起,是控制生物性状遗传的主要物质。DNA是遗传物质,决定着后代的生物性质;RNA则是遗传信息的携带者,它把DNA上的遗传信息带到细胞质的核糖体上,作为蛋白质的合成模板,指导着蛋白质的合成,可以说,它是DNA和蛋白质之间的信使。蛋白质是由许多氨基酸聚合而成的大分子,生物体的所有性状最终都是通过蛋白质来体现的,因此它在生命活动中起着关键作用。
10-9米(1纳米)分子
分子是物质中能够独立存在并保持本物质一切化学性质的最小微粒,由原子组成。大多数分子含有不同的原子(如水分子H2O),也有少数简单的分子由完全相同的原子组成(如氢分子H2)。
10-10米(1埃)原子
原子由一个小小的带正电的原子核和周围一群带负电的电子组成,原子的总电荷等于零。原子的模型就像缩小了的太阳系。
从比例上来说,原子核和电子之间的空间非常广阔,如果把原子放大到一个球场那么大,电子就像大厅中的一颗沙粒。但电子围绕原子核的运动并没有确定的轨道,而是遵循着概率原则。
10-11~10-13米(10微微米~飞米)原子内部
在原子内部,运动着的电子云几乎占满了整个原子的空间。
在原子外层运动的电子很容易受外界因素的影响,而靠近原子核的内层电子则迥然不同,它们处于明显的孤立状态,只对内部原子核有反响,而外部作用很难影响它们,不管是火焰、冲击波还是化学攻击等都不能影响它们。
10-14米(10飞米)原子核
原子核由质子和中子组成,原子核带正电荷,与围绕着它旋转的带负电荷的电子互相吸引,它紧紧束缚住电子,使原子处于稳定状态。
原子核又重又小,每个原子的重量主要集中在原子核,相形之下,电子的质量显得微不足道。
10-15米(1飞米)质子和中子
20世纪前50年,人们一直把质子和中子当作基本粒子,后来人们发现它们都有内部结构,由夸克构成。质子由2个上夸克、1个下夸克组成,中子由1个上夸克、2个下夸克组成。质子带有正电荷,中子不带电荷,比质子质量稍大。它们都比电子的质量大近倍。
10-18米(1阿米)~10-19米基本粒子家族
这是物质结构的最基本层次,目前已知的基本粒子有数百种,它们被分为三大类:夸克、轻子和媒介粒子。作为基本粒子,它们不能分裂也不能通过内部的重新排列变成其他的东西。没有直接实验数据能表明它们的大小,但间接证据表明,它们均小于10-18米,必须要有目前人类还无法达到的极高的能量,才能分辨如此小的时空结构。
夸克是不自由的,并不能单独存在,它们都被禁闭在质子和中子这样的强子中;轻子包括电子、中微子等6种成员;媒介粒子则包括光子等,是在其他粒子间传播相互作用力的粒子。
10-20~10-34米物理大沙漠
其间的物理事件我们了解甚少。
10-35米普朗克长度
这个尺度相当于一个质子大小的0分之一,在三维空间中,没有比这更小的尺度了,这是空间的起点。在这尺度以下,经典的时空概念开始失效,空间是卷曲的十维或十一维,最基本的粒子都被分解成一根根振动的弦。这是我们无从了解的世界,也是理论物理学家正在纷纷猜测的世界。
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