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太陽是白細胞,銀河系就是大中國!微觀有多小?宏觀有多大?

2020-03-13  環球蒼蠅


如果太陽看作一個白細胞大小,銀河系有中國那么大!微觀世界到底有多小? 宏觀世界到底有多大?

茫茫宇宙,奧妙無窮。

把原子放大一億倍,它是否就是一個宇宙?微觀世界究竟有什么秘密

微觀的盡頭能不能看待成宏觀?最近幾十年我們人類的科技在飛速的發展,人類對宇宙的認識也更上了一個臺階,愛因斯坦和霍金的相對論以及黑洞論給了我們啟發,使我們學會從另一個角度去認識宇宙。

人類在探索茫茫宇宙的同時,許多無法用常理來解釋的現象相繼出現

它讓我們認識到了自己的渺小,也再一次感受到宇宙的廣闊無垠。

這一問題在當時被提出來之后,引起了科學家的重點關注。這是一個很大膽很刺激的問題,它推開常理重新定義了宇宙的結構。

隨著人類科技的飛速發展,我們對宇宙的認知也越來越多

一個很奇怪的現象被天文學家發現:地球圍繞著太陽旋轉,太陽圍繞著銀河系旋轉。

而銀河系的中心卻是一個超大質量的黑洞

整個宇宙看起來非常的有規律,就像一個整體密不可分。愛因斯坦曾經說過,宇宙中速度的極限就是光速,如果我們無法超越光速就永遠無法撼動巨大的宇宙,這是否是宇宙的一種自我調節保護方式?

通過對于微觀世界的觀察,一個令人震撼的結果出現了:宏觀宇宙與微觀世界的基本構成大致是一樣的

許多科學家們曾經提出過假設,微觀的盡頭是否就是宏觀呢?

微觀盡頭一書中提到過一個實驗:對目前人類已知最小的粒子夸克進行撞擊。很多的科學家認為,夸克是整個宇宙中最小的構造,它是微觀的盡頭,一旦我們對它施加影響很有可能會作用到整個宇宙。

并且在微觀世界里隱藏著更多的維度空間,宏觀世界極有可能起源于微觀世界,如果我們把一個原子放大1億倍,一個宇宙的框架將會出現在我們眼前。總而言之,微觀與宏觀有著極大的相似之處,如果有可能把它放大,一個嶄新的框架將會出現。

不過宏觀世界是由三維構成的,而微觀世界的結構是不確定性的,人類目前還無法對它的維度進行定義,如果我們能在微觀領域獲得更高的成就,也許會發現不一樣的東西。

宇宙無處不在,我們自身也是宇宙的一部分,或許我們想要在茫茫宇宙中尋找的答案一直就存在于微觀世界

人類對物質微觀層次結構逐層深入,微觀世界到底有多小?

歐洲核子研究中心(CERN)大型正負電子對撞機上的正負電子散射實驗證實, 在10^ -17厘米(十萬萬億分之一厘米)尺度上沒有發現電子有內部結構, 即電子仍然可看做點粒子。

德國的e-p 對撞機 (HERA) 高能電子探針已經可以探測質子深達10^-18厘米(百萬萬億分之一厘米),仍然沒有探到微觀世界的“底”(沒有探到比夸克更深一個層次的物質,如亞夸克或Preon之類的東西)。

人類 從原子→原子核→“基本粒子”→夸克→ ……微觀結構不斷深入的探測中發現, 物質是無限可分的。

但是,每深入一個層次,物質的形態并非重復“原子的太陽系結構”,而是有新的特點

例如,由強相互作用結合在一起的質子和中子構成的原子核更像一鍋粥,而不像原子中電子和原子核的“松散”結構。電子的隨機移動軌道 電子云非常神秘, “基本粒子”如質子和中子等強子的夸克膠子結構是另一種新的形態:夸克由于禁閉機制而永遠不能被打出來而成為自由運動的粒子。 這使得強子的內部結構更加新奇,才會在高能重離子碰撞中(RHIC)產生新的物質形態-夸克膠子等離子體。質子內部的壓力非常的高 好比一個中子星內部的壓力。

迄今為止,人類還沒有探測到電子、μ子、τ子等輕子的內部結構

夸克和輕子內部結構是什么樣子,也許只有在將來的超高能宇宙線實驗或在極高能量的e+e-直線對撞機實驗中才可能作出回答。 對探測研究物質微觀結構的粒子物理, 世界各國都在加大投入。

日本正在建造“supper B factory”, 歐洲核子中心正在運轉大型強子對撞機(LHC)并討論未來建造Higgs工廠的可能性。

中國也在討論在歐洲核子中心之前建造質心能量約250 GeV 的e+e-環形對撞機(Higgs工廠)的計劃。

歐美一些國家還正在研究建造μ子儲存環(中微子工廠)和μ+μ-環形對撞機(Higgs工廠)的可能性。

μ+μ-環形對撞機(Higgs工廠)的優點是比e+e-環形對撞機(Higgs工廠)能量輻射損失小得多。

關鍵問題是如何獲得準直的μ子束流。這個難題還沒有解決,各國正在研究。 以上這些計劃正在把物質微觀結構的研究推向深入。

宏觀世界到底有多大?

我們的宇宙到底有沒有“盡頭”, 或者說有沒有“邊”? 今天人類已經把對宇宙的觀測延伸到了137億光年的距離(一光年等于光線走一年的距離即10萬億公里),仍然沒有看到宇宙的“邊”! 世界各國(包括中國)已經建成了或正在建造超大型天文望遠鏡和衛星探測器等新型設備來探測宇宙空間。

宇宙不管往大的方向還是往小的方向延伸都沒有“盡頭”, 兩個方向的延伸都是無限的!

人類向宇宙的大和小兩個方向探索時,一個奇妙的現象發生了:這兩個方向上的延伸逐漸統一起來。

往小的方向延伸的科學-粒子物理,卻應用于往大的方向延伸的科學-宇宙學和天體物理

宇宙大爆炸后的暴漲,宇宙物質和星系的形成和發展, 物質和反物質(重子和反重子)的不對稱等的研究都和粒子物理緊密相關。可以說, 粒子物理把大宇宙和小宇宙聯系起來了, 形成了粒子宇宙學和粒子天體物理等交叉學科。這些新方向的發展前景不可限量。粒子物理的發展前景也不可限量

什么是暗物質?什么是暗能量?人類是怎樣知道它們的?

從物質基本結構的觀點出發,目前已知的基本粒子是由粒子物理標準模型所描述的夸克和輕子以及傳遞相互作用的規范玻色子。

什么是暗物質呢?

暗物質是不發光的,但是它有顯著的引力效應,能夠與普通物質成團形成星系。

從引力我們可以感覺到它的存在。比如,對于一個星系考慮距其中心非常遙遠的某一恒星的旋轉速度。由牛頓引力定律可知,距離中心越遠,速度應該越小。可是天文觀測事實不是這樣的。這就說明當中有看不見的暗物質。目前各種天文觀測和結構形成理論強有力地表明宇宙中有大約三分之一是暗物質。

中微子是一種暗物質粒子,但WMAP和SDSS的結果說明,它的質量應當非常小,在暗物質中只能占微小的比例,絕大部分應是所謂的冷暗物質。它們究竟是什么目前還不清楚。理論物理學家猜測,至少有兩種可能性,一個是軸子,另一個是中性伴隨子。

軸子是由羅伯特·派切和海倫·奎因為解決強相互作用中的電荷宇稱破壞問題而引進的。中性伴隨子是超對稱理論中的最輕的超對稱伴子,它是穩定的,在宇宙演化過程中像微波背景光子一樣被遺留下來。目前世界各國科學家正在進行著各種加速器和非加速器實驗,試圖找到這種暗物質粒子。

暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果,支持暗能量的主要證據首先來自于對遙遠超新星所進行的觀測,其結果表明宇宙不僅在膨脹,而且與想像中的不一樣,在加速膨脹。

暗能量的基本特征是具有負壓,在宇宙空間中非常均勻地分布且不結團。

什么是暗能量呢?

一種可能性是真空的能量。

這種能量在日常生活和科學實驗中是感覺不到的,但它卻主宰著宇宙的演化和命運。

真空能量有多少呢?現有的理論計算表明它比WMAP和SDSS觀測值大很多倍,這種理論與實驗的沖突對當今物理學提出了嚴峻的挑戰。

目前科學家們認為暗能量也可能是一種叫做精髓(Quintessence)的動力學場。檢驗這一理論是近年宇宙學研究的一大重點。

宇宙的平坦性是暗能量另一證據:

《科學》雜志稱:“宇宙正在以71公里每秒每百萬秒差距的速率膨脹,且它的“形狀”是“平坦”的。”

宇宙的幾何結構大致分為三類,閉合的、開放的和平坦的。WMAP和SDSS的結果表明,宇宙具有最簡單的形狀——它是平坦的。由愛因斯坦的引力理論可知,宇宙的幾何性質應由其內部的總質量和總能量決定。由于普通物質和暗物質加起來只占1/3,平坦性說明宇宙中的總物質應有2/3的短缺。這是暗能量存在的另一個重要證據。平坦性這一結果可以通過WMAP直接測量微波背景輻射角功率譜的第一峰的位置而得知。“宇宙正在以71公里每秒每百萬秒差距的速率膨脹”是指哈勃常數值,它是宇宙學中的一個重要參數。

暗能量的本質決定宇宙命運

科學家對暗物質和暗能量的被證實評價很高。稱其“或許是科學家最終解開萬物起源之謎的一個新起點”,“這些精確測量推動了宇宙學的研究進入一個黃金時代,其發現沖擊著舊的宇宙觀。”

WMAP和SDSS的特點是測量的精確性,這是以前沒有的。這是今天的宇宙學研究成為一門科學的基礎。眾所周知,所有科學是建立在實驗的基礎之上的。一個理論如果得不到實驗上的證實將不是一個正確的理論。WMAP和SDSS的結果強有力的支持了暗能量暗物質為主的宇宙暴漲模型。

WMAP和SDSS告訴我們構成我們宇宙的物質中96%是暗的,這需要我們進行新的思考。這些“暗的”到底是什么?正是這些高精度的觀測和實驗帶來的新問題推動著宇宙學進入了一個黃金時代。

研究這些新的問題需要將粒子物理描述的微觀世界與宇宙學描述的宇觀世界結合起來。這一極大與極小的聯系是一個新的特點。實際上,我們不僅對暗物質和暗能量不清楚,而且對4%的普通物質是如何產生和演化的也是不清楚的。

七十多年前,理論物理學家狄拉克告訴我們每個粒子都有其對應的反粒子,比如說電子的反粒子是正電子,質子的反粒子是反質子。但是至今在宇宙空間還沒有找到由反粒子構成的反物質,那么反物質到哪里去了?這需要在宇宙早期存在一定的正反物質不對稱。有一種說法是這種不對稱與中微子有關。為什么宇宙中的物質沒有與反物質完全湮滅掉,而讓樹、桌子以及我們人類本身存在至今是由中微子的性質如電荷宇稱破壞量來決定的。這是一個極大與極小相關聯的例子。

我們說,暗能量的本質是決定著宇宙的命運。是因為當暗能量為零時,空間曲率k決定著不同的宇宙演化行為。閉合的宇宙(k>0)最終會塌縮,而平坦的(k=0)和開放的(k<0)宇宙將會一直膨脹下去。然而,當暗能量存在時,宇宙的演化行為將是不同的,比如一個閉合的宇宙可以永遠膨脹下去。然而目前已知的理論都不能解釋暗能量,而且存在著災難性的宇宙學常數問題。解決這一問題需要新的理論,這樣的理論一旦被找到,很可能是人們長期追求的包括引力在內的各種相互作用統一的量子理論。這將是一場重大的物理學革命。

面對浩瀚宇宙,人類如此渺小

這是地球,我們的居住地

這是太陽系

這是地球和月球的距離,看起來不是特別遠

這個距離,已經可以放下太陽系里所有的行星

地球和木星的體積對比

地球和太陽的體積對比,哇……

如果地球擁有土星這樣的光環,在地球各地看起來是這樣的——

太陽系里有各種彗星,如果把其中一塊放到地球上的某個城市,是這樣的——

從月球上看地球

從火星上看地球

從火星上看太陽

從土星光環后面看地球

我們以為太陽很大,但比太陽大的恒星多得是,例如大犬座VY——距今為止人類發現的體積最大的恒星之一,體積是太陽的一億倍!太陽和它對比的話,是這樣的——

但是這跟一個星系比起來,都是渣。如果你把太陽看作一個白細胞的大小,那銀河系大概就像整個中國那么大!

我們所處的銀河系,里面有數不清的行星

我們每天夜晚看到的星空,只是黃色圈圈里面的一小部分。

但是銀河系和這個IC1011星系對比還是小兒科,IC1011星系是迄今發現的最大的星系。

僅僅在這張哈勃望遠鏡拍下來的照片里,就有千千萬萬的星系,每一個星系都包含了數百萬的恒星,每一個恒星旁邊都圍繞著一大批行星。

這是其中一個星系 UDF 423 的放大圖,這個星系距離我們有一百億光年。看著這個星系發出來的光,你其實在看百億年前的歷史。

不要忘記宇宙中還有黑洞這個東西的存在,NGC 1277是英仙座的一個星系,其中心有一個質量巨大的黑洞,是太陽質量的170億倍!!它的大小如下圖——

所以下一次,當你被上司罵了,談戀愛被甩了,逛街無故被打了,心情低落時……只要想想,我們正在這顆星球上煩惱著

鏡頭拉遠一點,這是地球所在的太陽系。

再拉遠一點,這是太陽系和它旁邊的星系。

再拉遠些,就看到這些星系所處于的我們經常說的銀河系。

再拉遠,是銀河星系所處的本星系群,包含大約50個類似銀河系的星系。

再拉遠,是室女座超星系團,由至少100個本星系群組成。

再拉遠,室女座超星系團只是眾星系團的其中一個。

再拉遠,那就是宇宙了,或者說,只是我們目前看到的宇宙。宇宙的外面是什么?我們不知道……

現在,你明白旅行的意義了嗎?不只是自我的找尋與回歸,更是重新認識自然的廣大與世界的無限,體悟眾生的偉大與渺小。

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