从宇宙边界到物理学能理解的最小尺度,我们会看到什么奇怪的景色?

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  本文由公众号“把科学带回家”提供

  给孩子最好的科学教育

  编译 七君

  我们已经知道,我们只了解宇宙的一部分,这部分叫做可观测宇宙

  可观测宇宙有一个边界,这个边界就叫做宇宙视界(the cosmic horizon),这个边界之内的光线可以到达地球,而超出这个边界之外的光线,以及边界之外的宇宙,我们一无所知。

  

  ▲ 宇宙从大爆炸到现在,明亮的区域处于宇宙视界内。

  图片来源:Bryan Christie Design/芝加哥大学

  可观测宇宙的年龄是138亿年,宇宙视界上的光线要花130多亿年的时间穿越时空才能刚刚好来到地球。利用这些数据就可以算出,人类所知的宇宙的直径大约是8.8×1026米,也就是八百八十万万万万亿米。

  这是可观测宇宙,也就是我们所知的最大尺度。那么宇宙中最小的单位呢?宇宙中最小的东西有多大呢?

  宇宙中最小的尺度是普朗克长度,大约是1.6×10-35米。这是物理学所能够理解的最小数值。在这么小的尺度上,时空本身就开始变得变化多端、琢磨不定。

  在可观测宇宙的最大和最小尺度之间,差的是5.4 × 1061倍,也就是61个数量级。

  

  ▲ 普朗克探测器观察到的宇宙微波背景辐射(CMB)。宇宙微波背景辐射是宇宙中最古老的光线的缩影。

  图片来源:ESA

  当然,可观测宇宙中最大和最小之间的差异并不是一成不变的。

  在大爆炸的时候,也就是宇宙的诞生之初的某个时刻,宇宙比现在要小得多。可观测宇宙的尺度仅仅是宇宙基础结构的几十倍。后来随着宇宙的膨胀,宇宙本身和宇宙的最小组成单位之间的差异越来越大,也容得下越来越大的物质和结构。

  从可观测宇宙的边界到人类能了解的最小尺度,在现在的61个数量级里能诞生出什么样的世界呢?

  

  在1027米,也就是千万万万万亿米的尺度上,可观测宇宙既像泡沫,也像颗粒,或许可以用洗完澡后浴池里残留的渣渣来形容它。

  在这个尺度上,暗物质和发光物质构成了一张巨大的三维网,这张三维网勾勒出了宇宙“泡沫”的边界。

  在这张宇宙网上点缀着质量超大的物体,它们巨大的引力使附近的时空无法膨胀。在这张网里还散布着超星系团(supercluster),它们的直径数量级可以达到1024米,也就是万万万万亿米。

  在超星系团中还有清晰可见的星系团。又宽又深的重力井(gravity well)将成百上千个星系聚集起来,这些困在重力井中的星系围绕着同一个中心旋转。随着星系一同旋转的还有一些炙热的气体和冰凉的暗物质。

  

  这是按比例绘制的星系。

  银河系(左)和仙女座星系(Andromeda,右)之间的距离大约是2.5 × 1022米。如果将星系内部的恒星按比例放大至星系的大小,那么恒星之间的间距将更稀疏。

  

  在大爆炸之后的一亿年里,第一代超大质量恒星和星系开始形成。

  这些早期的恒星制造了宇宙中第一批重元素。重元素是除去氢和氦之外的所有化学元素。

  当第一代恒星老去、膨胀和爆炸时,这些重元素被甩到了太空中。

  

  除了生命本身以外,行星是宇宙中最富于变化,也是最复杂的物体。图中的比邻星b(Proxima Centauri b)是离我们最近的太阳系外行星。

  因为比邻星b围绕着一颗熊熊燃烧的红矮星旋转,因此它的天空中或许有数不清的极光。

  

  40亿年前,太古宙(Archean eon)开始时,地球是一颗活跃的星球。

  此时此刻,年轻的地球表面和内部正在进行轰轰烈烈的化学物理变化。

  

  把时间推移到我们所在的年代。

  在肯尼亚的天空中拍摄到的象群,以及在吉普车中观察它们的人类处于我们所熟知的宇宙尺度中。只要用一般的相机就可以拍到每一只象和它们背上的牛椋(liáng)鸟。

  

  牛椋鸟正在啄食大象皮褶之间的虱子。这只虱子是从4.8亿年前一种无翅昆虫进化而来的。最早的鸟类和哺乳动物出现在约1.6亿年前的侏罗纪,因此从进化意义上来说,虱子比牛椋鸟和大象更古老。

  

  这是虱子的眼点。我们正处在人类视力的边界线上。

  从现在开始我们将进入微观世界。

  

  细菌的大小是微米级的,也就是一米的百万分之一。

  图中的细菌正在被更小的病毒攻击。它正在努力挥动鞭毛使自己前进。

  我们所知的生命都是碳基的,至少地球上的生命都需要碳原子。

  碳原子含有6个电子,其中4个很容易被其他原子核吸引,并和其他原子的电子共享原子核周围的空间。这意味着碳原子很容易和其他原子形成化学键,变成分子。

  

  这是一个原子核。原子核的直径大约是千万亿分之一米,而原子则要大得多。

  大多数原子的直径是百亿分之一米。原子核仅仅占用了原子约万亿分之一不到的体积,但却为原子贡献了99%的质量。

  如此空空荡荡的原子意味着,在一千亿分之一米以及一千万亿分之一米的尺度间,除了电子形成的电子云以外看不见什么有趣的东西。

  

  如果我们进入原子核,并且继续缩小观察的尺度,那么我们就会看见一些质子。

  如果把质子剖开来,世界就开始变得离我们的常识越来越远了。

  质子是由两个上夸克和一个下夸克构成的。夸克是基本粒子,是构成物质的基本单位。

  如果进入质子以内的世界,我们关于粒子和波的一切常识就会烟消云散。在这里,用“场”和“量子”来描述世界或许是更加明智的选择。

  在1000亿年以后,如果宇宙按照现在的速度膨胀,那么到时地球上的人类除了银河系和附近的星系以外将什么也看不见。

  我们处在一个特殊的时代,如果人类出现得更早或更迟,可能就永远也无法弄明白宇宙真正的样貌了。

  本文内容来自 Caleb Scharf 所著的 《 THE ZOOMABLE UNIVERSE》 ,插图由 Ron Miller 及5W Infographics 绘制。

  把科学带回家 ID:bringsciencehome

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  转载请联系 kids@huanqiukexue.com

  图片来源及参考资料:

  https://www.quantamagazine.org/a-tour-of-the-zoomable-universe-by-caleb-scharf-and-ron-miller-20171106/

  https://www.npr.org/sections/13.7/2017/11/12/562802511/the-answer-to-life-the-universe-and-everything-it-s-63

  https://arstechnica.com/gaming/2017/10/the-zoomable-universe-takes-us-from-galactic-webs-to-subatomic-fields/

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