如果太陽看作一個白細(xì)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?nèi)祟惖目萍荚陲w速的發(fā)展，人類對宇宙的認(rèn)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(fā)，使我們學(xué)會從另一個角度去認(rèn)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(xiàn)象相繼出現(xiàn)

它讓我們認(rèn)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(dāng)時被提出來之后，引起了科學(xué)家的重點關(guān)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(jié)構(gòu)。

隨著人類科技的飛速發(fā)展，我們對宇宙的認(rèn)知也越來越多

一個很奇怪的現(xiàn)象被天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)：地球圍繞著太陽旋轉(zhuǎn)，太陽圍繞著銀河系旋轉(zhuǎn)。

而銀河系的中心卻是一個超大質(zhì)量的黑洞

整個宇宙看起來非常的有規(guī)律，就像一個整體密不可分。愛因斯坦曾經(jīng)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(yuǎn)無法撼動巨大的宇宙，這是否是宇宙的一種自我調(diào)節(jié)保護(hù)方式？

通過對于微觀世界的觀察，一個令人震撼的結(jié)果出現(xiàn)了：宏觀宇宙與微觀世界的基本構(gòu)成大致是一樣的

許多科學(xué)家們曾經(jīng)提出過假設(shè)，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(jìn)行撞擊。很多的科學(xué)家認(rèn)為，夸克是整個宇宙中最小的構(gòu)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(xiàn)在我們眼前?？偠灾?，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(xiàn)。

不過宏觀世界是由三維構(gòu)成的，而微觀世界的結(jié)構(gòu)是不確定性的，人類目前還無法對它的維度進(jìn)行定義，如果我們能在微觀領(lǐng)域獲得更高的成就，也許會發(fā)現(xiàn)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(zhì)微觀層次結(jié)構(gòu)逐層深入，微觀世界到底有多??？

歐洲核子研究中心(CERN)大型正負(fù)電子對撞機(jī)上的正負(fù)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(fā)現(xiàn)電子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 即電子仍然可看做點粒子。

德國的e-p 對撞機(jī) (HERA) 高能電子探針已經(jīng)可以探測質(zhì)子深達(dá)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(zhì)，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(jié)構(gòu)不斷深入的探測中發(fā)現(xiàn)， 物質(zhì)是無限可分的。

但是，每深入一個層次，物質(zhì)的形態(tài)并非重復(fù)“原子的太陽系結(jié)構(gòu)”，而是有新的特點

例如，由強(qiáng)相互作用結(jié)合在一起的質(zhì)子和中子構(gòu)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(jié)構(gòu)。電子的隨機(jī)移動軌道 電子云非常神秘， “基本粒子”如質(zhì)子和中子等強(qiáng)子的夸克膠子結(jié)構(gòu)是另一種新的形態(tài)：夸克由于禁閉機(jī)制而永遠(yuǎn)不能被打出來而成為自由運動的粒子。 這使得強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加新奇，才會在高能重離子碰撞中(RHIC)產(chǎn)生新的物質(zhì)形態(tài)-夸克膠子等離子體。質(zhì)子內(nèi)部的壓力非常的高 好比一個中子星內(nèi)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

夸克和輕子內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jī)實驗中才可能作出回答。 對探測研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)大型強(qiáng)子對撞機(jī)(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(zhì)心能量約250 GeV 的e+e-環(huán)形對撞機(jī)（Higgs工廠）的計劃。

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

μ+μ-環(huán)形對撞機(jī)（Higgs工廠）的優(yōu)點是比e+e-環(huán)形對撞機(jī)（Higgs工廠）能量輻射損失小得多。

關(guān)鍵問題是如何獲得準(zhǔn)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)建成了或正在建造超大型天文望遠(yuǎn)鏡和衛(wèi)星探測器等新型設(shè)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(xiàn)象發(fā)生了：這兩個方向上的延伸逐漸統(tǒng)一起來。

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

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

什么是暗物質(zhì)？什么是暗能量？人類是怎樣知道它們的？

從物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的觀點出發(fā)，目前已知的基本粒子是由粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型所描述的夸克和輕子以及傳遞相互作用的規(guī)范玻色子。

什么是暗物質(zhì)呢？

暗物質(zhì)是不發(fā)光的，但是它有顯著的引力效應(yīng)，能夠與普通物質(zhì)成團(tuán)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(yuǎn)的某一恒星的旋轉(zhuǎn)速度。由牛頓引力定律可知，距離中心越遠(yuǎn)，速度應(yīng)該越小。可是天文觀測事實不是這樣的。這就說明當(dāng)中有看不見的暗物質(zhì)。目前各種天文觀測和結(jié)構(gòu)形成理論強(qiáng)有力地表明宇宙中有大約三分之一是暗物質(zhì)。

中微子是一種暗物質(zhì)粒子，但WMAP和SDSS的結(jié)果說明，它的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)非常小，在暗物質(zhì)中只能占微小的比例，絕大部分應(yīng)是所謂的冷暗物質(zhì)。它們究竟是什么目前還不清楚。理論物理學(xué)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(qiáng)相互作用中的電荷宇稱破壞問題而引進(jìn)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(wěn)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(xué)家正在進(jìn)行著各種加速器和非加速器實驗，試圖找到這種暗物質(zhì)粒子。

暗能量是近年宇宙學(xué)研究的一個里程碑性的重大成果，支持暗能量的主要證據(jù)首先來自于對遙遠(yuǎn)超新星所進(jìn)行的觀測，其結(jié)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(fù)壓，在宇宙空間中非常均勻地分布且不結(jié)團(tuán)。

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(xué)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(xiàn)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(dāng)今物理學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

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

宇宙的平坦性是暗能量另一證據(jù)：

《科學(xué)》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?！?/p>

宇宙的幾何結(jié)構(gòu)大致分為三類，閉合的、開放的和平坦的。WMAP和SDSS的結(jié)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(zhì)應(yīng)由其內(nèi)部的總質(zhì)量和總能量決定。由于普通物質(zhì)和暗物質(zhì)加起來只占1/3，平坦性說明宇宙中的總物質(zhì)應(yīng)有2/3的短缺。這是暗能量存在的另一個重要證據(jù)。平坦性這一結(jié)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(shù)值，它是宇宙學(xué)中的一個重要參數(shù)。

暗能量的本質(zhì)決定宇宙命運

科學(xué)家對暗物質(zhì)和暗能量的被證實評價很高。稱其“或許是科學(xué)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(xué)的研究進(jìn)入一個黃金時代，其發(fā)現(xiàn)沖擊著舊的宇宙觀?！?/p>

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(xué)研究成為一門科學(xué)的基礎(chǔ)。眾所周知，所有科學(xué)是建立在實驗的基礎(chǔ)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(jié)果強(qiáng)有力的支持了暗能量暗物質(zhì)為主的宇宙暴漲模型。

WMAP和SDSS告訴我們構(gòu)成我們宇宙的物質(zhì)中96％是暗的，這需要我們進(jìn)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(xué)進(jìn)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(xué)描述的宇觀世界結(jié)合起來。這一極大與極小的聯(lián)系是一個新的特點。實際上，我們不僅對暗物質(zhì)和暗能量不清楚，而且對4％的普通物質(zhì)是如何產(chǎn)生和演化的也是不清楚的。

七十多年前，理論物理學(xué)家狄拉克告訴我們每個粒子都有其對應(yīng)的反粒子，比如說電子的反粒子是正電子，質(zhì)子的反粒子是反質(zhì)子。但是至今在宇宙空間還沒有找到由反粒子構(gòu)成的反物質(zhì)，那么反物質(zhì)到哪里去了？這需要在宇宙早期存在一定的正反物質(zhì)不對稱。有一種說法是這種不對稱與中微子有關(guān)。為什么宇宙中的物質(zhì)沒有與反物質(zhì)完全湮滅掉，而讓樹、桌子以及我們?nèi)祟惐旧泶嬖谥两袷怯芍形⒆拥男再|(zhì)如電荷宇稱破壞量來決定的。這是一個極大與極小相關(guān)聯(lián)的例子。

我們說，暗能量的本質(zhì)是決定著宇宙的命運。是因為當(dāng)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(dāng)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(yuǎn)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(zāi)難性的宇宙學(xué)常數(shù)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(nèi)的各種相互作用統(tǒng)一的量子理論。這將是一場重大的物理學(xué)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(yuǎn)

這個距離，已經(jīng)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(huán)，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(huán)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(fā)現(xiàn)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(xì)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(shù)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(fā)現(xiàn)的最大的星系。

僅僅在這張哈勃望遠(yuǎn)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(shù)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(fā)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(zhì)量巨大的黑洞，是太陽質(zhì)量的170億倍??！它的大小如下圖——

所以下一次，當(dāng)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(yuǎn)一點，這是地球所在的太陽系。

再拉遠(yuǎn)一點，這是太陽系和它旁邊的星系。

再拉遠(yuǎn)些，就看到這些星系所處于的我們經(jīng)常說的銀河系。

再拉遠(yuǎn)，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(yuǎn)，是室女座超星系團(tuán)，由至少100個本星系群組成。

再拉遠(yuǎn)，室女座超星系團(tuán)只是眾星系團(tuán)的其中一個。

再拉遠(yuǎn)，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(xiàn)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(rèn)識自然的廣大與世界的無限，體悟眾生的偉大與渺小。