宇宙台阶：从无限大到无限小

从人起头

大天然的放置真长短常奇奥，我们人类的巨细介于太阳和一个分子之间——太阳的直径是1.392×10⁹米，一个分子的直径则大约是10^-9米，人的巨细正好是横跨宏不雅宇宙和微不雅宿世界的中间点。

大天然在人这样的标准上达到最复杂的水平，并非出于偶尔，我们标准的巨细在进化中起到了主要感化。若是我们酿成虫豸巨细，糊口中每件事几乎都分歧了，一个蚂蚁般巨细的人永远写不出版来，因为一台蚂蚁巨细的打字机的键盘城市黏在一路，一本蚂蚁巨细的书也是如斯，并且，蚂蚁永远也不克不及生一团火，因为最小的火焰也要比它的身体大。是以，人类恰是有了这样的巨细，才有了进化的能力。

另一方面，若是我们长得太高峻的话，我们就会变得很懦弱。只要被什么工具绊倒，可能就倒地不起。以当作人和婴儿为例，当作人和婴儿都摔倒时，当作人倒地时的动能要比婴儿倒地时大6倍。若是当作人是此刻的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损害；小小的DNA双螺旋分子居然包含了我们所有的遗传暗码；同时，我们也在接管太阳的辉煌，依靠它的能量。太阳系之外那泛博的宇宙对我们来说也并非多余，只有在一个足够庞大的宇宙中才有可能发生拥有复杂聪明的生命。

这就是我们的大天然，宿世间万物并不是随意漫衍在天然界中的，它们的巨细是大天然中各类力之间的一种均衡，它们的位置是由天然常数的固心猿意马值所确定的。从亚原子粒子的宿世界到无垠的宇宙，事物的摆列有着出乎我们料想的奥秘。此刻让我们从人起头，以10的次方为阶梯，标的目的下追溯到最小的宿世界，标的目的上追溯到最大的宇宙，去不雅赏那意想不到的魔景吧！

从1米起头，到最大的宇宙

10⁰米（1米）日常糊口

这个标准是和人们日常糊口最紧密亲密相关的标准。米这个测量单元自己就和人的手臂长短相关。大部门当作年人的身高都跨越1.5米，不到2米，只有少数人的身高才会跨越2米。我们经常能听到，人们说某个工具“一人多高”，这恰是用我们的身高来怀抱事物。

1米标准的工具很是多，举不堪举。我们到商铺去买裤子，裤子总在1米上下；我们利用的书桌、写字台，长度也总在1米上下。

10¹米（10米）最大的动物

今世在世的最大的动物是鲸鱼，比力大的鲸鱼长度一般都跨越10米，最大的达到30米。可是没有一种动物能达到100米的长度，即使是好久以前横行一时的恐龙也不外几十米罢了。

10²米（100 米）最高的植物

长命的庞大红杉一般高约80 米，最高的甚至可达100米，并且没有任何一种单个的生物形式比参天大树更高峻了。100米的标准可以说是地球上生物体巨细的极限。

10³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：居平易近楼、商铺、公园、小学、马路??

此外，绝大大都小行星直径都在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，若是山跨越1万米的高度，它就会坍塌，陷入地壳中，所以地球上的最岑岭——珠穆朗玛峰只有8848米。

中子星的直径一般只有10千米摆布。质量在太阳1.4～3倍之间的恒星，其演化的终局就是中子星。

10⁵米（100千米）特大型城市

一个特大型城市方圆可达上百千米。

10⁶米（1000 千米）中等国度

一个中等国度的边长大约有1000千米，但像中国这样的大国，其南海说神聊或工具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外数百千米。

此外，最大的小行星（谷神星）直径有1000千米，月球的直径则近3500千米。

10⁷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。

白矮星的巨细和地球差不多。质量是太阳质量1.4 倍以下的恒星，其最后的终局就是白矮星。

10⁸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1300多倍，其直径有14万多千米。木星没有固体概况，是一个气态行星，是以，有人说它是一颗掉败的恒星。

10⁹米（100万千米）地月系统

在这个标准下，月亮绕地球扭转的轨道布满了整个画面。月球距离地球约38.4万千米，是离我们比来的天体。月光几乎使大部门星光黯然掉色，由月亮引起的钱塘江大潮以及海边天天呈现的潮涨潮落，都申明了它是何等接近地球。

此外，太阳的直径约139万千米，一个太阳比整个地月系统还要大。

10¹⁰米（1000万千米）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。此中，木星和土星的卫星家族最为复杂，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1300万千米。

10¹¹米（1亿千米）日地系统

地球到太阳的平均距离约为1.495×1011米，这样的距离不远不近，是地球生命发生的需要前提。

10¹²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。

10¹³米（100 亿千米）太阳系

冥王星距离太阳近60亿千米，是以，在100亿千米这个标准下，可以看到太阳系全景。

太阳系的当作员包罗太阳和八大行星、已证实的几十颗自然卫星、已正式编号的3000 多颗小行星、为数浩繁的彗星、流星体以及漫衍行星际空间的稀薄气体和尘埃等物质。

10¹⁴米（1000亿千米）柯伊伯带

离太阳约1000亿千米的处所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。

10¹⁵米（1万亿千米）太阳系的边陲

在离太阳1万亿千米的处所，即使没有了绕着太阳扭转的行星，太阳的引力仍能阐扬微弱的感化，这里是太阳系遥远的边陲。

10¹⁶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发源地，有学者猜测，太阳系形当作时留下的碎片在这里堆积当作了彗星。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。

10¹⁷米（约10光年）银河星团（分散星团）

固然大大都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颗以上的恒星构成的、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（别名“分散星团”）和球状星团。银河星团大多位于银道面四周，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青、炽热的星，它们经常含有恒星从此中形当作的原始星云的陈迹。

10¹⁸米（约100光年）球状星团

球状星团与银河星团的区别不仅在外形和巨细上，它们在银河系中的分布景象也纷歧样。球状星团因为它们的外形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四周恒星的密度大50倍摆布，并且越往中间密集度越高，中间的恒星密度要比太阳四周恒星的密度大1000倍。球状星团的直径从几十到几百光年不等，它们是在银河系降生初期形当作的天体，由最古老的恒星构成，一般春秋在120亿岁以上。

10¹⁹米（约1000光年）矮星系

矮星系是环绕银河系活动的伴星系，一般只含有几百万颗恒星。今朝已发现有10个矮星系在环绕银河系活动，如统一群卫星环绕一个大行星活动。是以，这些矮星系是受银河系万有引力节制的银河王国的属地。

10²⁰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通俗的恒星，它位于银河系的旋臂上，离银河中间大约2.7万光年。太阳以每秒250千米的速度绕银河中间活动，其运行一周需要2.25亿年（即一个宇宙年）。

10²¹米（约10万光年）银河系

中间区域的引利巴数千亿颗恒星彼此束厄局促在一路，形当作了星系，我们的银河系就是这样一个星系。银河系大约有2000亿颗恒星，与一座仓库中塞满的稻米粒数相等。银河系固然星星浩繁，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复杂，但在广袤的宇宙中，它仍然是眇乎小哉的。

10²²米（约100万光年）本星系群

我们的银河系附属于本星系群，本星系群是一个细姨系团，它仅含大约40个当作员，此中大部门是矮星系（只含有几百万颗恒星的细姨系），但也有巨型的仙女座星系。

10²³米（约1000万光年）星系团

在这样的标准下，我们可以看见一个完整的星系团。星系团是很多星系在引力感化下堆积而当作的大巨细小的分歧集团。离我们比来的大星系团是室女座星系团，这是一个包含至少2500个星系的庞大调集。

星系团中的各星系并不老是息事宁人的，星系和星系还会发生碰撞。星系的碰撞并不像我们日常糊口中所看到的碰撞现象那样狠恶，而是延续很长时候，长久得可以和地球上长远的地质年月比拟拟。

10²⁴米（约1亿光年）超星系团

超星系团由星系团堆积当作群而形当作。我们地点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庞大集团。本超星系团以外是其他超星系团，它们中的很多以其当作员呈现的星座定名，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。

超星系团在空间摆列当作串，好似一缕缕不尽的蛛丝。

10²⁵米（约10亿光年）像尘埃似的星系

若是我们有一张长宽标度大约各为10亿光年的天文照片，我们就可以看到在暗中布景上分布着数以百计、巨细纷歧的小亮点，近似于我们在阳光下看到的漂浮在空气中的细小尘埃，这些毫不惹人注重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很是古老。因为从遥远星系发出的光达到我们的地球，要走几十亿年，是以，我们今天看到的这些天体，仍是几十亿年前的旧模样。好久好久以前，当光线分开这些天体时，地球上的生命还处于原始的细菌状况呢！

10²⁶米以上（约100亿光年以上）不竭膨胀的宇宙

我们的宇宙是一个有限的宇宙，它发生于约138亿年前的一次大爆炸，此后就不竭膨胀，直至今日仍在膨胀中。宇宙的外形和巨细仍是科学界的难题。

从1米起头，到最小的宿世界

10^-1米（1分米）手掌

张开你的手，从手腕到中指指根大约就是0.1米。在天然界中像手掌巨细的物体有良多，既有各具特色的人工成品，也有形形色色的生物体。凡是，水杯的高矮、钱包的巨细、钢笔的长短等都在0.1米摆布；盛开的花朵、水池中的青蛙、活蹦乱跳的虾等也都在0.1米摆布。

10^-2米（1厘米）小虫豸

良多小虫豸只有1厘米巨细，好比蚂蚁、小甲虫、小蜜蜂等。

10^-3米（1毫米）视觉的极限

人眼看1毫米的事物已经很吃力了，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，不曾预料到的细节呈现了：我们看似滑腻的皮肤上尽是刻痕、皱纹和大块的秽物，顺着眼睫毛泌出的油水如同污泥，还有许很多多奇形怪状的生物埋没在我们的绒毛上，我们的确不克不及使本身顺应这种新环境。

再深切下去，我们会进入一个内部宿世界，对于我们来说就像遥远的恒星宿世界那样不熟悉。这个宿世界里布满着各类各样不知名的微生物。它们能在各类恶劣情况下糊口，代表着地球生命潜能的极限。

10^-5米（1忽米）细胞

大大都细胞的直径在几微米至几十微米之间。当然也有些细胞比力大，好比鸡的卵细胞（鸡蛋）的直径有35毫米（约等于3500忽米），鸵鸟的卵细胞（鸵鸟蛋）的直径可达75毫米（7500忽米）。

细胞是所有生物体（病毒除外）布局和功能的根基单元，每一个细胞都包含全套遗传信息，能自力保存，表示出各类生命特征。

10^-6米（1微米）细胞核

细胞核是由核膜、核仁和染色体几部门构成的。细胞核的功能本家儿如果储存和传递遗传信息，此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，是以可以宿世代相传，连结物种的持续性。

10^-7米（100纳米）病毒

病毒是能激发疾病的病原体，它是介于生物与非生物之间的工具。病毒没有细胞布局，本家儿要由核酸和卵白质构成。核酸位于病毒的中间，它带有病毒的遗传信息，在病毒的滋生、变异等方面起本家儿要感化。

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

10^-8米（10纳米） DNA、RNA和卵白质

这三者都是组成细胞的有机大分子，它们之间既彼此联系又各有分歧的布局和功能。DNA是脱氧核糖核酸英文名称的缩写，它与英文缩写为RNA的核糖核酸一路，是节制生物性状遗传的本家儿要物质。DNA是遗传物质，决议着儿女的生物性质；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，作为卵白质的合当作模板，指导着卵白质的合当作，可以说，它是DNA和卵白质之间的信使。卵白质是由很多氨基酸聚合而当作的大分子，生物体的所有性状最终都是经由过程卵白质来表现的，是以它在生命勾当中起着关头感化。

10^-9米（1纳米）分子

分子是物质中可以或许自力存在并连结本物质一切化学性质的最小微粒，由原子构成。大大都分子含有分歧的原子（如水分子H2O），也有少数简单的分子由完全不异的原子构成（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四周一群带负电的电子构成，原子的总电荷等于零。原子的模子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很是广漠，若是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。但电子环绕原子核的活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～100飞米）原子内部

在原子内部，活动着的电子云几乎占满了整个原子的空间。

在原子外层活动的电子很轻易受外界身分的影响，而接近原子核的内层电子则迥然分歧，它们处于较着的孤立状况，只对内部原子核有反应，而外部感化很难影响它们，不管是火焰、冲击波仍是化学进犯等都不克不及影响它们。

10^-14米（10飞米）原子核

原子核由质子和中子构成，原子核带正电荷，与环绕着它扭转的带负电荷的电子互相吸引，它紧紧束厄局促住电子，使原子处于不变状况。

原子核又重又小，每个原子的重量本家儿要集中在原子核，相形之下，电子的质量显得眇乎小哉。

10^-15米（1飞米）质子和中子

20宿世纪前50年，人们一向把质子和中子看成根基粒子，后来人们发现它们都有内部布局，由夸克组成。质子由2个上夸克、1个下夸克构成，中子由1个上夸克、2个下夸克构成。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2000倍。

10^-18米(1阿米)～10^-19米根基粒子家族

这是物质布局的最根基条理，今朝已知的根基粒子稀有百种，它们被分为三大类：夸克、轻子和前言粒子。作为根基粒子，它们不克不及割裂也不克不及经由过程内部的从头摆列酿成其他的工具。没有直接尝试数据能表白它们的巨细，但间接证据表白，它们均小于10^-18米，必需要有今朝人类还无法达到的极高的能量，才能分辩如斯小的时空布局。

夸克是不自由的，并不克不及零丁存在，它们都被禁闭在质子和中子这样的强子中；轻子包罗电子、中微子等6种当作员；前言粒子则包罗光子等，是在其他粒子间传布彼此感化力的粒子。

10^-20～10^-34米物理大戈壁

其间的物理事务我们领会甚少。

10^-35米普朗克长度

这个标准半斤八两于一个质子巨细的10²⁰分之一，在三维空间中，没有比这更小的标准了，这是空间的起点。在这标准以下，经典的时空概念起头掉效，空间是卷曲的十维或十一维，最根基的粒子都被分化当作一根根振动的弦。这是我们无从领会的宿世界，也是理论物理学家正在纷纷猜测的宿世界。