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從宇宙邊界到物理學能理解的最小尺度,我們會看到什麼奇異的景色?


- 2018年4月04日21時26分
- 科學文摘 / 科學出版社

科學出版社

編譯 七君

我們已經知道,我們只了解宇宙的一部分,這部分叫做可觀測宇宙。

可觀測宇宙有一個邊界,這個邊界就叫做宇宙視界(the cosmic horizon),這個邊界之內的光線可以到達地球,而超出這個邊界之外的光線,以及邊界之外的宇宙,我們一無所知。


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▲ 宇宙從大爆炸到現在,明亮的區域處於宇宙視界內。

可觀測宇宙的年齡是138億年,宇宙視界上的光線要花130多億年的時間穿越時空才能剛剛好來到地球。利用這些數據就可以算出,人類所知的宇宙的直徑大約是8.8×1026米,也就是八百八十萬萬萬萬億米。

這是可觀測宇宙,也就是我們所知的最大尺度。那麼宇宙中最小的單位呢?宇宙中最小的東西有多大呢?

宇宙中最小的尺度是普朗克長度,大約是1.6 × 10-35米。這是物理學所能夠理解的最小數值。在這麼小的尺度上,時空本身就開始變得變化多端、琢磨不定。在可觀測宇宙的最大和最小尺度之間,差的是5.4 ×

1061倍,也就是61個數量級。


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▲ 普朗克探測器觀察到的宇宙微波背景輻射(CMB)。宇宙微波背景輻射是宇宙中最古老的光線的縮影。

當然,可觀測宇宙中最大和最小之間的差異並不是一成不變的。

在大爆炸的時候,也就是宇宙的誕生之初的某個時刻,宇宙比現在要小得多。可觀測宇宙的尺度僅僅是宇宙基礎結構的幾十倍。後來隨著宇宙的膨脹,宇宙本身和宇宙的最小組成單位之間的差異越來越大,也容得下越來越大的物質和結構。

從可觀測宇宙的邊界到人類能了解的最小尺度,在現在的61個數量級里能誕生出什麼樣的世界呢?

在1027米,也就是千萬萬萬萬億米的尺度上,可觀測宇宙既像泡沫,也像顆粒,或許可以用洗完澡後浴池裡殘留的渣渣來形容它。

在這個尺度上,暗物質和發光物質構成了一張巨大的三維網,這張三維網勾勒出了宇宙「泡沫」的邊界。在這張宇宙網上點綴著質量超大的物體,它們巨大的引力使附近的時空無法膨脹。在這張網裡還散布著超星系團(supercluster),它們的直徑數量級可以達到1024米,也就是萬萬萬萬億米。

在超星系團中還有清晰可見的星系團。又寬又深的重力井(gravity well)將成百上千個星系聚集起來,這些困在重力井中的星系圍繞著同一個中心旋轉。隨著星系一同旋轉的還有一些炙熱的氣體和冰涼的暗物質。

這是按比例繪製的星系。

銀河系(左)和仙女座星系(Andromeda,右)之間的距離大約是2.5 × 1022米。如果將星系內部的恆星按比例放大至星系的大小,那麼恆星之間的間距將更稀疏。

在大爆炸之後的一億年里,第一代超大質量恆星和星系開始形成。

這些早期的恆星製造了宇宙中第一批重元素。重元素是除去氫和氦之外的所有化學元素。

當第一代恆星老去、膨脹和爆炸時,這些重元素被甩到了太空中。

除了生命本身以外,行星是宇宙中最富於變化,也是最複雜的物體。圖中的比鄰星b(Proxima Centauri b)是離我們最近的太陽系外行星。

因為比鄰星b圍繞著一顆熊熊燃燒的紅矮星旋轉,因此它的天空中或許有數不清的極光。

40億年前,太古宙(Archean eon)開始時,地球是一顆活躍的星球。

此時此刻,年輕的地球表面和內部正在進行轟轟烈烈的化學物理變化。

把時間推移到我們所在的年代。

在肯亞的天空中拍攝到的象群,以及在吉普車中觀察它們的人類處於我們所熟知的宇宙尺度中。只要用一般的相機就可以拍到每一隻象和它們背上的牛椋(liáng)鳥。

牛椋鳥正在啄食大象皮褶之間的虱子。這隻虱子是從4.8億年前一種無翅昆蟲進化而來的。最早的鳥類和哺乳動物出現在約1.6億年前的侏羅紀,因此從進化意義上來說,虱子比牛椋鳥和大象更古老。

這是虱子的眼點。我們正處在人類視力的邊界線上。

從現在開始我們將進入微觀世界。

細菌的大小是微米級的,也就是一米的百萬分之一。

圖中的細菌正在被更小的病毒攻擊。它正在努力揮動鞭毛使自己前進。

我們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個電子,其中4個很容易被其他原子核吸引,並和其他原子的電子共享原子核周圍的空間。這意味著碳原子很容易和其他原子形成化學鍵,變成分子。

這是一個原子核。原子核的直徑大約是千萬億分之一米,而原子則要大得多。


大多數原子的直徑是百億分之一米。原子核僅僅占用了原子約萬億分之一不到的體積,但卻為原子貢獻了99%的質量。

如此空空蕩蕩的原子意味著,在一千億分之一米以及一千萬億分之一米的尺度間,除了電子形成的電子云以外看不見什麼有趣的東西。

如果我們進入原子核,並且繼續縮小觀察的尺度,那麼我們就會看見一些質子。

如果把質子剖開來,世界就開始變得離我們的常識越來越遠了。

質子是由兩個上夸克和一個下夸克構成的。夸克是基本粒子,是構成物質的基本單位。

如果進入質子以內的世界,我們關於粒子和波的一切常識就會煙消雲散。在這裡,用「場」和「量子」來描述世界或許是更加明智的選擇。

在1000億年以後,如果宇宙按照現在的速度膨脹,那麼到時地球上的人類除了銀河系和附近的星系以外將什麼也看不見。

我們處在一個特殊的時代,如果人類出現得更早或更遲,可能就永遠也無法弄明白宇宙真正的樣貌了。

本文內容來自 Caleb Scharf 所著的 《 THE ZOOMABLE UNIVERSE 》 ,插圖由 Ron Miller 及 5W Infographics 繪製。

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(本期編輯:王芳)

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