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太阳是白细胞,银河系就是大中国!微观有多小?宏观有多大?


如果太阳看作一个白细胞大小,银河系有中国那么大!微观世界到底有多小? 宏观世界到底有多大?

茫茫宇宙,奥妙无穷。

把原子放大一亿倍,它是否就是一个宇宙?微观世界究竟有什么秘密

微观的尽头能不能看待成宏观?最近几十年我们人类的科技在飞速的发展,人类对宇宙的认识也更上了一个台阶,爱因斯坦和霍金的相对论以及黑洞论给了我们启发,使我们学会从另一个角度去认识宇宙。

人类在探索茫茫宇宙的同时,许多无法用常理来解释的现象相继出现

它让我们认识到了自己的渺小,也再一次感受到宇宙的广阔无垠。

这一问题在当时被提出来之后,引起了科学家的重点关注。这是一个很大胆很刺激的问题,它推开常理重新定义了宇宙的结构。

随着人类科技的飞速发展,我们对宇宙的认知也越来越多

一个很奇怪的现象被天文学家发现:地球围绕着太阳旋转,太阳围绕着银河系旋转。

而银河系的中心却是一个超大质量的黑洞

整个宇宙看起来非常的有规律,就像一个整体密不可分。爱因斯坦曾经说过,宇宙中速度的极限就是光速,如果我们无法超越光速就永远无法撼动巨大的宇宙,这是否是宇宙的一种自我调节保护方式?

通过对于微观世界的观察,一个令人震撼的结果出现了:宏观宇宙与微观世界的基本构成大致是一样的

许多科学家们曾经提出过假设,微观的尽头是否就是宏观呢?

微观尽头一书中提到过一个实验:对目前人类已知最小的粒子夸克进行撞击。很多的科学家认为,夸克是整个宇宙中最小的构造,它是微观的尽头,一旦我们对它施加影响很有可能会作用到整个宇宙。

并且在微观世界里隐藏着更多的维度空间,宏观世界极有可能起源于微观世界,如果我们把一个原子放大1亿倍,一个宇宙的框架将会出现在我们眼前。总而言之,微观与宏观有着极大的相似之处,如果有可能把它放大,一个崭新的框架将会出现。

不过宏观世界是由三维构成的,而微观世界的结构是不确定性的,人类目前还无法对它的维度进行定义,如果我们能在微观领域获得更高的成就,也许会发现不一样的东西。

宇宙无处不在,我们自身也是宇宙的一部分,或许我们想要在茫茫宇宙中寻找的答案一直就存在于微观世界

人类对物质微观层次结构逐层深入,微观世界到底有多小?

欧洲核子研究中心(CERN)大型正负电子对撞机上的正负电子散射实验证实, 在10^ -17厘米(十万万亿分之一厘米)尺度上没有发现电子有内部结构, 即电子仍然可看做点粒子。

德国的e-p 对撞机 (HERA) 高能电子探针已经可以探测质子深达10^-18厘米(百万万亿分之一厘米),仍然没有探到微观世界的“底”(没有探到比夸克更深一个层次的物质,如亚夸克或Preon之类的东西)。

人类 从原子→原子核→“基本粒子”→夸克→ ……微观结构不断深入的探测中发现, 物质是无限可分的。

但是,每深入一个层次,物质的形态并非重复“原子的太阳系结构”,而是有新的特点

例如,由强相互作用结合在一起的质子和中子构成的原子核更像一锅粥,而不像原子中电子和原子核的“松散”结构。电子的随机移动轨道 电子云非常神秘, “基本粒子”如质子和中子等强子的夸克胶子结构是另一种新的形态:夸克由于禁闭机制而永远不能被打出来而成为自由运动的粒子。 这使得强子的内部结构更加新奇,才会在高能重离子碰撞中(RHIC)产生新的物质形态-夸克胶子等离子体。质子内部的压力非常的高 好比一个中子星内部的压力。

迄今为止,人类还没有探测到电子、μ子、τ子等轻子的内部结构

夸克和轻子内部结构是什么样子,也许只有在将来的超高能宇宙线实验或在极高能量的e+e-直线对撞机实验中才可能作出回答。 对探测研究物质微观结构的粒子物理, 世界各国都在加大投入。

日本正在建造“supper B factory”, 欧洲核子中心正在运转大型强子对撞机(LHC)并讨论未来建造Higgs工厂的可能性。

中国也在讨论在欧洲核子中心之前建造质心能量约250 GeV 的e+e-环形对撞机(Higgs工厂)的计划。

欧美一些国家还正在研究建造μ子储存环(中微子工厂)和μ+μ-环形对撞机(Higgs工厂)的可能性。

μ+μ-环形对撞机(Higgs工厂)的优点是比e+e-环形对撞机(Higgs工厂)能量辐射损失小得多。

关键问题是如何获得准直的μ子束流。这个难题还没有解决,各国正在研究。 以上这些计划正在把物质微观结构的研究推向深入。

宏观世界到底有多大?

我们的宇宙到底有没有“尽头”, 或者说有没有“边”? 今天人类已经把对宇宙的观测延伸到了137亿光年的距离(一光年等于光线走一年的距离即10万亿公里),仍然没有看到宇宙的“边”! 世界各国(包括中国)已经建成了或正在建造超大型天文望远镜和卫星探测器等新型设备来探测宇宙空间。

宇宙不管往大的方向还是往小的方向延伸都没有“尽头”, 两个方向的延伸都是无限的!

人类向宇宙的大和小两个方向探索时,一个奇妙的现象发生了:这两个方向上的延伸逐渐统一起来。

往小的方向延伸的科学-粒子物理,却应用于往大的方向延伸的科学-宇宙学和天体物理

宇宙大爆炸后的暴涨,宇宙物质和星系的形成和发展, 物质和反物质(重子和反重子)的不对称等的研究都和粒子物理紧密相关。可以说, 粒子物理把大宇宙和小宇宙联系起来了, 形成了粒子宇宙学和粒子天体物理等交叉学科。这些新方向的发展前景不可限量。粒子物理的发展前景也不可限量

什么是暗物质?什么是暗能量?人类是怎样知道它们的?

从物质基本结构的观点出发,目前已知的基本粒子是由粒子物理标准模型所描述的夸克和轻子以及传递相互作用的规范玻色子。

什么是暗物质呢?

暗物质是不发光的,但是它有显著的引力效应,能够与普通物质成团形成星系。

从引力我们可以感觉到它的存在。比如,对于一个星系考虑距其中心非常遥远的某一恒星的旋转速度。由牛顿引力定律可知,距离中心越远,速度应该越小。可是天文观测事实不是这样的。这就说明当中有看不见的暗物质。目前各种天文观测和结构形成理论强有力地表明宇宙中有大约三分之一是暗物质。

中微子是一种暗物质粒子,但WMAP和SDSS的结果说明,它的质量应当非常小,在暗物质中只能占微小的比例,绝大部分应是所谓的冷暗物质。它们究竟是什么目前还不清楚。理论物理学家猜测,至少有两种可能性,一个是轴子,另一个是中性伴随子。

轴子是由罗伯特·派切和海伦·奎因为解决强相互作用中的电荷宇称破坏问题而引进的。中性伴随子是超对称理论中的最轻的超对称伴子,它是稳定的,在宇宙演化过程中像微波背景光子一样被遗留下来。目前世界各国科学家正在进行着各种加速器和非加速器实验,试图找到这种暗物质粒子。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果,支持暗能量的主要证据首先来自于对遥远超新星所进行的观测,其结果表明宇宙不仅在膨胀,而且与想像中的不一样,在加速膨胀。

暗能量的基本特征是具有负压,在宇宙空间中非常均匀地分布且不结团。

什么是暗能量呢?

一种可能性是真空的能量。

这种能量在日常生活和科学实验中是感觉不到的,但它却主宰着宇宙的演化和命运。

真空能量有多少呢?现有的理论计算表明它比WMAP和SDSS观测值大很多倍,这种理论与实验的冲突对当今物理学提出了严峻的挑战。

目前科学家们认为暗能量也可能是一种叫做精髓(Quintessence)的动力学场。检验这一理论是近年宇宙学研究的一大重点。

宇宙的平坦性是暗能量另一证据:

《科学》杂志称:“宇宙正在以71公里每秒每百万秒差距的速率膨胀,且它的“形状”是“平坦”的。”

宇宙的几何结构大致分为三类,闭合的、开放的和平坦的。WMAP和SDSS的结果表明,宇宙具有最简单的形状——它是平坦的。由爱因斯坦的引力理论可知,宇宙的几何性质应由其内部的总质量和总能量决定。由于普通物质和暗物质加起来只占1/3,平坦性说明宇宙中的总物质应有2/3的短缺。这是暗能量存在的另一个重要证据。平坦性这一结果可以通过WMAP直接测量微波背景辐射角功率谱的第一峰的位置而得知。“宇宙正在以71公里每秒每百万秒差距的速率膨胀”是指哈勃常数值,它是宇宙学中的一个重要参数。

暗能量的本质决定宇宙命运

科学家对暗物质和暗能量的被证实评价很高。称其“或许是科学家最终解开万物起源之谜的一个新起点”,“这些精确测量推动了宇宙学的研究进入一个黄金时代,其发现冲击着旧的宇宙观。”

WMAP和SDSS的特点是测量的精确性,这是以前没有的。这是今天的宇宙学研究成为一门科学的基础。众所周知,所有科学是建立在实验的基础之上的。一个理论如果得不到实验上的证实将不是一个正确的理论。WMAP和SDSS的结果强有力的支持了暗能量暗物质为主的宇宙暴涨模型。

WMAP和SDSS告诉我们构成我们宇宙的物质中96%是暗的,这需要我们进行新的思考。这些“暗的”到底是什么?正是这些高精度的观测和实验带来的新问题推动着宇宙学进入了一个黄金时代。

研究这些新的问题需要将粒子物理描述的微观世界与宇宙学描述的宇观世界结合起来。这一极大与极小的联系是一个新的特点。实际上,我们不仅对暗物质和暗能量不清楚,而且对4%的普通物质是如何产生和演化的也是不清楚的。

七十多年前,理论物理学家狄拉克告诉我们每个粒子都有其对应的反粒子,比如说电子的反粒子是正电子,质子的反粒子是反质子。但是至今在宇宙空间还没有找到由反粒子构成的反物质,那么反物质到哪里去了?这需要在宇宙早期存在一定的正反物质不对称。有一种说法是这种不对称与中微子有关。为什么宇宙中的物质没有与反物质完全湮灭掉,而让树、桌子以及我们人类本身存在至今是由中微子的性质如电荷宇称破坏量来决定的。这是一个极大与极小相关联的例子。

我们说,暗能量的本质是决定着宇宙的命运。是因为当暗能量为零时,空间曲率k决定着不同的宇宙演化行为。闭合的宇宙(k>0)最终会塌缩,而平坦的(k=0)和开放的(k<0)宇宙将会一直膨胀下去。然而,当暗能量存在时,宇宙的演化行为将是不同的,比如一个闭合的宇宙可以永远膨胀下去。然而目前已知的理论都不能解释暗能量,而且存在着灾难性的宇宙学常数问题。解决这一问题需要新的理论,这样的理论一旦被找到,很可能是人们长期追求的包括引力在内的各种相互作用统一的量子理论。这将是一场重大的物理学革命。

面对浩瀚宇宙,人类如此渺小

这是地球,我们的居住地

这是太阳系

这是地球和月球的距离,看起来不是特别远

这个距离,已经可以放下太阳系里所有的行星

地球和木星的体积对比

地球和太阳的体积对比,哇……

如果地球拥有土星这样的光环,在地球各地看起来是这样的——

太阳系里有各种彗星,如果把其中一块放到地球上的某个城市,是这样的——

从月球上看地球

从火星上看地球

从火星上看太阳

从土星光环后面看地球

我们以为太阳很大,但比太阳大的恒星多得是,例如大犬座VY——距今为止人类发现的体积最大的恒星之一,体积是太阳的一亿倍!太阳和它对比的话,是这样的——

但是这跟一个星系比起来,都是渣。如果你把太阳看作一个白细胞的大小,那银河系大概就像整个中国那么大!

我们所处的银河系,里面有数不清的行星

我们每天夜晚看到的星空,只是黄色圈圈里面的一小部分。

但是银河系和这个IC1011星系对比还是小儿科,IC1011星系是迄今发现的最大的星系。

仅仅在这张哈勃望远镜拍下来的照片里,就有千千万万的星系,每一个星系都包含了数百万的恒星,每一个恒星旁边都围绕着一大批行星。

这是其中一个星系 UDF 423 的放大图,这个星系距离我们有一百亿光年。看着这个星系发出来的光,你其实在看百亿年前的历史。

不要忘记宇宙中还有黑洞这个东西的存在,NGC 1277是英仙座的一个星系,其中心有一个质量巨大的黑洞,是太阳质量的170亿倍!!它的大小如下图——

所以下一次,当你被上司骂了,谈恋爱被甩了,逛街无故被打了,心情低落时……只要想想,我们正在这颗星球上烦恼着

镜头拉远一点,这是地球所在的太阳系。

再拉远一点,这是太阳系和它旁边的星系。

再拉远些,就看到这些星系所处于的我们经常说的银河系。

再拉远,是银河星系所处的本星系群,包含大约50个类似银河系的星系。

再拉远,是室女座超星系团,由至少100个本星系群组成。

再拉远,室女座超星系团只是众星系团的其中一个。

再拉远,那就是宇宙了,或者说,只是我们目前看到的宇宙。宇宙的外面是什么?我们不知道……

现在,你明白旅行的意义了吗?不只是自我的找寻与回归,更是重新认识自然的广大与世界的无限,体悟众生的伟大与渺小。

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