宇宙臺階：從無限大到無限小

從人起頭

大天然的放置真長短常奇奧，我們人類的巨細介于太陽和一個分子之間——太陽的直徑是1.392×10⁹米，一個分子的直徑則大約是10^-9米，人的巨細正好是橫跨宏不雅宇宙和微不雅宿世界的中間點。

大天然在人這樣的標準上達到最復雜的水平，并非出于偶爾，我們標準的巨細在進化中起到了主要感化。若是我們釀成蟲豸巨細，糊口中每件事幾乎都分歧了，一個螞蟻般巨細的人永遠寫不出版來，因為一臺螞蟻巨細的打字機的鍵盤城市黏在一路，一本螞蟻巨細的書也是如斯，并且，螞蟻永遠也不克不及生一團火，因為最小的火焰也要比它的身體大。是以，人類恰是有了這樣的巨細，才有了進化的能力。

另一方面，若是我們長得太高峻的話，我們就會變得很懦弱。只要被什么工具絆倒，可能就倒地不起。以當作人和嬰兒為例，當作人和嬰兒都摔倒時，當作人倒地時的動能要比嬰兒倒地時大6倍。若是當作人是此刻的2倍大，他走路時就會像踩高蹺那么危險。

而最大的宇宙和最小的原子都在我們身上交相輝映：我們會受到一個小到百萬分之一米的病毒的損害；小小的DNA雙螺旋分子居然包含了我們所有的遺傳暗碼；同時，我們也在接管太陽的輝煌，依靠它的能量。太陽系之外那泛博的宇宙對我們來說也并非多余，只有在一個足夠龐大的宇宙中才有可能發生擁有復雜聰明的生命。

這就是我們的大天然，宿世間萬物并不是隨意漫衍在天然界中的，它們的巨細是大天然中各類力之間的一種均衡，它們的位置是由天然常數的固心猿意馬值所確定的。從亞原子粒子的宿世界到無垠的宇宙，事物的擺列有著出乎我們料想的奧秘。此刻讓我們從人起頭，以10的次方為階梯，標的目的下追溯到最小的宿世界，標的目的上追溯到最大的宇宙，去不雅賞那意想不到的魔景吧！

從1米起頭，到最大的宇宙

10⁰米（1米）日常糊口

這個標準是和人們日常糊口最緊密親密相關的標準。米這個測量單元自己就和人的手臂長短相關。大部門當作年人的身高都跨越1.5米，不到2米，只有少數人的身高才會跨越2米。我們經常能聽到，人們說某個工具“一人多高”，這恰是用我們的身高來懷抱事物。

1米標準的工具很是多，舉不堪舉。我們到商鋪去買褲子，褲子總在1米上下；我們利用的書桌、寫字臺，長度也總在1米上下。

10¹米（10米）最大的動物

今世在世的最大的動物是鯨魚，比力大的鯨魚長度一般都跨越10米，最大的達到30米。可是沒有一種動物能達到100米的長度，即使是好久以前橫行一時的恐龍也不外幾十米罷了。

10²米（100 米）最高的植物

長命的龐大紅杉一般高約80 米，最高的甚至可達100米，并且沒有任何一種單個的生物形式比參天大樹更高峻了。100米的標準可以說是地球上生物體巨細的極限。

10³米（1千米）一個社區

在1千米見方的城市里，我們可以看到一個典型的社區：居平易近樓、商鋪、公園、小學、馬路??

此外，絕大大都小行星直徑都在1 千米以下。

10⁴米（10千米)最高的山岳

地球上最高的山岳無法超越1萬米（10千米）。因為山越高也就越重，山的基部承受的壓力也就越大。對于地球這顆行星的引力來說，若是山跨越1萬米的高度，它就會坍塌，陷入地殼中，所以地球上的最岑嶺——珠穆朗瑪峰只有8848米。

中子星的直徑一般只有10千米擺布。質量在太陽1.4～3倍之間的恒星，其演化的終局就是中子星。

10⁵米（100千米）特大型城市

一個特大型城市方圓可達上百千米。

10⁶米（1000 千米）中等國度

一個中等國度的邊長大約有1000千米，但像中國這樣的大國，其南海說神聊或工具的距離都長達數千千米，而像文萊、盧森堡這樣的小國方圓不外數百千米。

此外，最大的小行星（谷神星）直徑有1000千米，月球的直徑則近3500千米。

10⁷米（1萬千米）地球整體

地球的直徑大約是1.27萬千米，周長大約是4萬千米。在一個邊長為1萬千米的正方形里我們可以看清地球全貌。這是一顆藍色行星，有著藍色的天空和海洋，還有白色的云彩和褐色的陸地。

白矮星的巨細和地球差不多。質量是太陽質量1.4 倍以下的恒星，其最后的終局就是白矮星。

10⁸米（10萬千米）最大的行星

太陽系中最大的行星是木星，它比地球大1300多倍，其直徑有14萬多千米。木星沒有固體概況，是一個氣態行星，是以，有人說它是一顆掉敗的恒星。

10⁹米（100萬千米）地月系統

在這個標準下，月亮繞地球扭轉的軌道布滿了整個畫面。月球距離地球約38.4萬千米，是離我們比來的天體。月光幾乎使大部門星光黯然掉色，由月亮引起的錢塘江大潮以及海邊天天呈現的潮漲潮落，都申明了它是何等接近地球。

此外，太陽的直徑約139萬千米，一個太陽比整個地月系統還要大。

10¹⁰米（1000萬千米）土星和木星的衛星

除地球外，火星、木星、土星、天王星、海王星等太陽系行星都有衛星。此中，木星和土星的衛星家族最為復雜，土星有近30顆衛星，而木星衛星達到了驚人的79顆！離土星最遠的衛星是土衛九，遠達1300萬千米。

10¹¹米（1億千米）日地系統

地球到太陽的平均距離約為1.495×1011米，這樣的距離不遠不近，是地球生命發生的需要前提。

10¹²米（10億千米）超巨星

超巨星的直徑長達十幾億千米，比太陽到火星的距離還要遠。超巨星是宇宙中最大最亮的恒星，其質量可以高達太陽的20倍。

10¹³米（100 億千米）太陽系

冥王星距離太陽近60億千米，是以，在100億千米這個標準下，可以看到太陽系全景。

太陽系的當作員包羅太陽和八大行星、已證實的幾十顆自然衛星、已正式編號的3000 多顆小行星、為數浩繁的彗星、流星體以及漫衍行星際空間的稀薄氣體和塵埃等物質。

10¹⁴米（1000億千米）柯伊伯帶

離太陽約1000億千米的處所存在著一個彗星倉庫，名叫“柯伊伯帶”。柯伊伯帶可能含有上億顆彗星。

10¹⁵米（1萬億千米）太陽系的邊陲

在離太陽1萬億千米的處所，即使沒有了繞著太陽扭轉的行星，太陽的引力仍能闡揚微弱的感化，這里是太陽系遙遠的邊陲。

10¹⁶米（10萬億千米或約1光年）奧爾特云

奧爾特云被認為是彗星的發源地，有學者猜測，太陽系形當作時留下的碎片在這里堆積當作了彗星。奧爾特云中的物質總量大約只有地球質量的幾倍，但卻含有幾千億顆彗星，柯伊伯帶的彗星就來自這里。

10¹⁷米（約10光年）銀河星團（分散星團）

固然大大都恒星在空間中是隨機分布的，但有一些卻顯示為“群居的亮點”。由10顆以上的恒星構成的、彼此具有物理聯系的恒星集體稱為星團，星團可分為銀河星團（別名“分散星團”）和球狀星團。銀河星團大多位于銀道面四周，其直徑一般不到幾十光年，所含的恒星數從10顆以上到幾百顆不等，銀河星團里的恒星大都是分布在銀河系旋臂上的年青、熾熱的星，它們經常含有恒星從此中形當作的原始星云的陳跡。

10¹⁸米（約100光年）球狀星團

球狀星團與銀河星團的區別不僅在外形和巨細上，它們在銀河系中的分布景象也紛歧樣。球狀星團因為它們的外形是球形或接近于球形而得名，其所含恒星數可多達10萬顆以上。星團內恒星平均密度要比太陽四周恒星的密度大50倍擺布，并且越往中間密集度越高，中間的恒星密度要比太陽四周恒星的密度大1000倍。球狀星團的直徑從幾十到幾百光年不等，它們是在銀河系降生初期形當作的天體，由最古老的恒星構成，一般春秋在120億歲以上。

10¹⁹米（約1000光年）矮星系

矮星系是環繞銀河系活動的伴星系，一般只含有幾百萬顆恒星。今朝已發現有10個矮星系在環繞銀河系活動，如統一群衛星環繞一個大行星活動。是以，這些矮星系是受銀河系萬有引力節制的銀河王國的屬地。

10²⁰米（約1萬光年）太陽在銀河系中

我們的太陽是銀河系中一顆通俗的恒星，它位于銀河系的旋臂上，離銀河中間大約2.7萬光年。太陽以每秒250千米的速度繞銀河中間活動，其運行一周需要2.25億年（即一個宇宙年）。

10²¹米（約10萬光年）銀河系

中間區域的引利巴數千億顆恒星彼此束厄局促在一路，形當作了星系，我們的銀河系就是這樣一個星系。銀河系大約有2000億顆恒星，與一座倉庫中塞滿的稻米粒數相等。銀河系固然星星浩繁，但95%是又暗又冷的紅矮星、橙矮星和白矮星。

即便銀河系是這樣的復雜，但在廣袤的宇宙中，它仍然是眇乎小哉的。

10²²米（約100萬光年）本星系群

我們的銀河系附屬于本星系群，本星系群是一個細姨系團，它僅含大約40個當作員，此中大部門是矮星系（只含有幾百萬顆恒星的細姨系），但也有巨型的仙女座星系。

10²³米（約1000萬光年）星系團

在這樣的標準下，我們可以看見一個完整的星系團。星系團是很多星系在引力感化下堆積而當作的大巨細小的分歧集團。離我們比來的大星系團是室女座星系團，這是一個包含至少2500個星系的龐大調集。

星系團中的各星系并不老是息事寧人的，星系和星系還會發生碰撞。星系的碰撞并不像我們日常糊口中所看到的碰撞現象那樣狠惡，而是延續很長時候，長久得可以和地球上長遠的地質年月比擬擬。

10²⁴米（約1億光年）超星系團

超星系團由星系團堆積當作群而形當作。我們地點的超星系團叫本超星系團，本超星系團是包含數千星系的雪茄形龐大集團。本超星系團以外是其他超星系團，它們中的很多以其當作員呈現的星座定名，如2.5億光年以外的雙魚—英仙座超星系團和5億光年以外的武仙座超星系團。

超星系團在空間擺列當作串，好似一縷縷不盡的蛛絲。

10²⁵米（約10億光年）像塵埃似的星系

若是我們有一張長寬標度大約各為10億光年的天文照片，我們就可以看到在暗中布景上分布著數以百計、巨細紛歧的小亮點，近似于我們在陽光下看到的漂浮在空氣中的細小塵埃，這些毫不惹人注重的小亮點都是一些龐然大物：星系、星系群、星系團、超星系團……

那些離我們數十億光年之外的星系很是古老。因為從遙遠星系發出的光達到我們的地球，要走幾十億年，是以，我們今天看到的這些天體，仍是幾十億年前的舊模樣。好久好久以前，當光線分開這些天體時，地球上的生命還處于原始的細菌狀況呢！

10²⁶米以上（約100億光年以上）不竭膨脹的宇宙

我們的宇宙是一個有限的宇宙，它發生于約138億年前的一次大爆炸，此后就不竭膨脹，直至今日仍在膨脹中。宇宙的外形和巨細仍是科學界的難題。

從1米起頭，到最小的宿世界

10^-1米（1分米）手掌

張開你的手，從手腕到中指指根大約就是0.1米。在天然界中像手掌巨細的物體有良多，既有各具特色的人工成品，也有形形色色的生物體。凡是，水杯的高矮、錢包的巨細、鋼筆的長短等都在0.1米擺布；盛開的花朵、水池中的青蛙、活蹦亂跳的蝦等也都在0.1米擺布。

10^-2米（1厘米）小蟲豸

良多小蟲豸只有1厘米巨細，好比螞蟻、小甲蟲、小蜜蜂等。

10^-3米（1毫米）視覺的極限

人眼看1毫米的事物已經很吃力了，虱子大約就在1毫米上下。

10^-4米（1絲米) 顯微鏡下

把0.1 毫米見方的畫面放大到書本那么大，不曾預料到的細節呈現了：我們看似滑膩的皮膚上盡是刻痕、皺紋和大塊的穢物，順著眼睫毛泌出的油水如同污泥，還有許很多多奇形怪狀的生物埋沒在我們的絨毛上，我們的確不克不及使本身順應這種新環境。

再深切下去，我們會進入一個內部宿世界，對于我們來說就像遙遠的恒星宿世界那樣不熟悉。這個宿世界里布滿著各類各樣不知名的微生物。它們能在各類惡劣情況下糊口，代表著地球生命潛能的極限。

10^-5米（1忽米）細胞

大大都細胞的直徑在幾微米至幾十微米之間。當然也有些細胞比力大，好比雞的卵細胞（雞蛋）的直徑有35毫米（約等于3500忽米），鴕鳥的卵細胞（鴕鳥蛋）的直徑可達75毫米（7500忽米）。

細胞是所有生物體（病毒除外）布局和功能的根基單元，每一個細胞都包含全套遺傳信息，能自力保存，表示出各類生命特征。

10^-6米（1微米）細胞核

細胞核是由核膜、核仁和染色體幾部門構成的。細胞核的功能本家兒如果儲存和傳遞遺傳信息，此中的染色體組就包含著該物種的遺傳信息，并能進行自我復制，是以可以宿世代相傳，連結物種的持續性。

10^-7米（100納米）病毒

病毒是能激發疾病的病原體，它是介于生物與非生物之間的工具。病毒沒有細胞布局，本家兒要由核酸和卵白質構成。核酸位于病毒的中間，它帶有病毒的遺傳信息，在病毒的滋生、變異等方面起本家兒要感化。

大大都病毒都小于150納米，最大的痘病毒也不外300納米，口蹄疫病毒是最小的，只有20納米。

10^-8米（10納米） DNA、RNA和卵白質

這三者都是組成細胞的有機大分子，它們之間既彼此聯系又各有分歧的布局和功能。DNA是脫氧核糖核酸英文名稱的縮寫，它與英文縮寫為RNA的核糖核酸一路，是節制生物性狀遺傳的本家兒要物質。DNA是遺傳物質，決議著兒女的生物性質；RNA則是遺傳信息的攜帶者，它把DNA上的遺傳信息帶到細胞質的核糖體上，作為卵白質的合當作模板，指導著卵白質的合當作，可以說，它是DNA和卵白質之間的信使。卵白質是由很多氨基酸聚合而當作的大分子，生物體的所有性狀最終都是經由過程卵白質來表現的，是以它在生命勾當中起著關頭感化。

10^-9米（1納米）分子

分子是物質中可以或許自力存在并連結本物質一切化學性質的最小微粒，由原子構成。大大都分子含有分歧的原子（如水分子H2O），也有少數簡單的分子由完全不異的原子構成（如氫分子H2）。

10^-10米（1埃）原子

原子由一個小小的帶正電的原子核和四周一群帶負電的電子構成，原子的總電荷等于零。原子的模子就像縮小了的太陽系。

從比例上來說，原子核和電子之間的空間很是廣漠，若是把原子放大到一個球場那么大，電子就像大廳中的一顆沙粒。但電子環繞原子核的活動并沒有確定的軌道，而是遵循著概率原則。

10^-11～10^-13米（10微微米～100飛米）原子內部

在原子內部，活動著的電子云幾乎占滿了整個原子的空間。

在原子外層活動的電子很輕易受外界身分的影響，而接近原子核的內層電子則迥然分歧，它們處于較著的孤立狀況，只對內部原子核有反應，而外部感化很難影響它們，不管是火焰、沖擊波仍是化學進犯等都不克不及影響它們。

10^-14米（10飛米）原子核

原子核由質子和中子構成，原子核帶正電荷，與環繞著它扭轉的帶負電荷的電子互相吸引，它緊緊束厄局促住電子，使原子處于不變狀況。

原子核又重又小，每個原子的重量本家兒要集中在原子核，相形之下，電子的質量顯得眇乎小哉。

10^-15米（1飛米）質子和中子

20宿世紀前50年，人們一向把質子和中子看成根基粒子，后來人們發現它們都有內部布局，由夸克組成。質子由2個上夸克、1個下夸克構成，中子由1個上夸克、2個下夸克構成。質子帶有正電荷，中子不帶電荷，比質子質量稍大。它們都比電子的質量大近2000倍。

10^-18米(1阿米)～10^-19米根基粒子家族

這是物質布局的最根基條理，今朝已知的根基粒子稀有百種，它們被分為三大類：夸克、輕子和前言粒子。作為根基粒子，它們不克不及割裂也不克不及經由過程內部的從頭擺列釀成其他的工具。沒有直接嘗試數據能表白它們的巨細，但間接證據表白，它們均小于10^-18米，必需要有今朝人類還無法達到的極高的能量，才能分辯如斯小的時空布局。

夸克是不自由的，并不克不及零丁存在，它們都被禁閉在質子和中子這樣的強子中；輕子包羅電子、中微子等6種當作員；前言粒子則包羅光子等，是在其他粒子間傳布彼此感化力的粒子。

10^-20～10^-34米物理大戈壁

其間的物理事務我們領會甚少。

10^-35米普朗克長度

這個標準半斤八兩于一個質子巨細的10²⁰分之一，在三維空間中，沒有比這更小的標準了，這是空間的起點。在這標準以下，經典的時空概念起頭掉效，空間是卷曲的十維或十一維，最根基的粒子都被分化當作一根根振動的弦。這是我們無從領會的宿世界，也是理論物理學家正在紛紛猜測的宿世界。